摘要:為了研究新型裝配式單孔空心預(yù)制梁的抗彎承載力和變形性能,并提高其工作性能。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)并制作了3根單孔空心預(yù)制梁和1根實(shí)心預(yù)制梁,通過試驗(yàn)和理論計(jì)算相結(jié)合的分析手段,重點(diǎn)研究單孔空心預(yù)制梁和實(shí)心預(yù)制梁的破壞機(jī)理、裂縫發(fā)展、荷載-撓度曲線、變形性能及抗彎承載力等。結(jié)果表明:單孔空心預(yù)制梁與普通實(shí)心預(yù)制梁的破壞特征相似,且其裂縫分布較均勻、間距小,延性好;在相同荷載作用下,單孔空心預(yù)制梁撓度大于實(shí)心預(yù)制梁,其整體受力變形性能相對優(yōu)越。提出了截面有效面積等效法和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度等效法2種計(jì)算方法,通過對比分析發(fā)現(xiàn),混凝土軸心抗壓強(qiáng)度等效法計(jì)算值誤差僅為0.82%,滿足工程要求,而且單孔空心預(yù)制梁與實(shí)心梁相比還可節(jié)約材料8.72%。因此,單孔空心預(yù)制梁具有良好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:空心預(yù)制梁;試驗(yàn)研究;力學(xué)性能;荷載-撓度曲線;等效計(jì)算
中圖分類號:TU375.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文獻(xiàn)標(biāo)識碼
Experimental study on mechanical properties of
bottom double row reinforced single-hole hollow prefabricated beam
MA" Shaochun1,2,HE" Xingyou1,BAO" Peng1,YAN" Chao1
(1 School of Civil Engineering and Architecture/Kaifeng Engineering Research Center of Engineering Restoration and
Material Recycling,Henan University,Kaifeng,Henan 475004,China;
2 Yellow River Laboratory,Zhengzhou University,Zhengzhou,Henan 450001,China)
Abstract: In order to enhance the working performance of the new prefabricated single-hole hollow prefabricated beam, the flexural bearing capacity and deformation performance were studied.Three single-hole hollow prefabricated beams and one solid prefabricated beam were designed and fabricated in the experiment.The failure mechanism,crack development,load-deflection curve,deformation performance and flexural capacity of the single-hole hollow prefabricated beams and solid prefabricated beams were studied by means of the analysis method combined with theoretical calculation.The results show that the failure characteristics of single-hole hollow prefabricated beams are similar to those of ordinary solid prefabricated beams,but the crack distribution is relatively uniform,the spacing is small,and the ductility is good.Under the same load,the deflection of single-hole hollow prefabricated beam is greater than that of solid prefabricated beam,and the overall deformation performance is relatively superior.Two methods for calculating the effective area of the section and the compressive strength of the concrete axis are proposed.Through comparative analysis,it is found that the error of calculating the compressive strength of the concrete axis is only 0.82%,which meets the engineering requirements, and 8.72% of materials can be saved compared with solid beams.Therefore,this kind of beam has a good application prospect.
Key words: hollow precast beams;experimental research;mechanical properties;load-deflection curve;equivalent calculation
與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相比,裝配式結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件能在工廠預(yù)制,實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn),然后運(yùn)輸至施工現(xiàn)場進(jìn)行裝配,具有裝配速度快、施工成本低、污染程度小等優(yōu)勢[1],符合我國解決當(dāng)前建筑行業(yè)勞動力短缺、施工效率低、環(huán)境不友好等問題的需求及國家鼓勵材料革新的政策。
目前,國內(nèi)外對鋼筋混凝土梁的研究成果相對較多,例如:柏美巖等[2]對機(jī)制混凝土梁的受彎性能試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),石粉含量控制在10%時(shí)這種梁的抗彎性能最佳;程東輝等[3]對再生混凝土疊合梁進(jìn)行了抗彎性能分析發(fā)現(xiàn),這種梁與普通梁相比產(chǎn)生了更較多裂縫;張耀文等[4]利用ABAQUS工具分析了CFRP加固混凝土梁工作性能,結(jié)果表明CFRP可有效減輕試驗(yàn)梁的損傷程度;于伯等[5]研究了火災(zāi)作用對裝配式混凝土梁力學(xué)性能的不利影響;易偉建等[6]分析了鋼筋搭接接頭對鋼筋混凝土梁力學(xué)性能的影響規(guī)律;張劍瑞等[7]對不同加固厚度的鋼筋混凝土梁的研究結(jié)果表明,加固厚度有助于提高梁的抗剪性能;秦?fù)碥姷龋?]研究了梁在受彎過程中的裂紋特征,發(fā)現(xiàn)用裂紋分形維數(shù)可以反映鋼筋混凝土梁的損傷程度等。
目前,國內(nèi)外學(xué)者研究較多的是實(shí)心梁,雖然也有一些開孔的空心預(yù)制梁,但多為板梁,而預(yù)制板梁常用于跨徑較長的橋梁結(jié)構(gòu),且針對裝配式房建結(jié)構(gòu)跨徑較小的開孔空心預(yù)制梁方面的研究成果并不是很多,因此,本文主要為了改善普通實(shí)心預(yù)制梁力學(xué)性能,且節(jié)省材料成本,提出了一種新型的在梁底部采用雙排配筋的單孔空心預(yù)制梁,再通過抗彎性能試驗(yàn)及模擬計(jì)算,了解其力學(xué)性能,旨在為其實(shí)際工程的應(yīng)用提供參考。
1 試驗(yàn)概況
1.1 試件設(shè)計(jì)
為了研究新型的底部雙排配筋單孔空心預(yù)制梁工作性能,根據(jù)GB 55008—2021《混凝土結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》及JGJ/T 140—2019《預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)要求,試驗(yàn)共設(shè)計(jì)并制作了2類4根預(yù)制試驗(yàn)梁,其中3根為開單孔的空心預(yù)制梁,編號分別為KL-1、KL-2、KL-3,第4根試驗(yàn)梁為普通實(shí)心預(yù)制梁,編號為SL。預(yù)制梁橫截面尺寸均為120mm×120mm,跨度為1.5m;為了減輕預(yù)制梁自重并滿足受力性能基本要求,在單孔下部設(shè)置4根HRB335縱向受拉鋼筋,直徑為6mm;鋼筋屈服強(qiáng)度為366.50MPa,極限強(qiáng)度為480MPa,彈性模量為2×105 N·mm-2;混凝土強(qiáng)度為C25;在預(yù)制梁橫截面中心進(jìn)行開單孔,直徑為40mm,單孔距截面上下2側(cè)邊緣均為40mm,具體如圖1所示。
1.2 試驗(yàn)設(shè)備及加載系統(tǒng)
試驗(yàn)采用力控制加載方式[9-10],在1/2、1/4梁跨位置及預(yù)制空心梁左右2端支座位置共設(shè)置5個(gè)位移計(jì),其中2個(gè)用于消除試驗(yàn)誤差,其余3個(gè)用于測量預(yù)制空心梁的撓度;在梁跨中豎向等距粘貼5組應(yīng)變片,在試驗(yàn)過程中可以測量試驗(yàn)梁關(guān)鍵部位的應(yīng)變。
預(yù)制空心梁受彎性能試驗(yàn)裝置采用300 kN液壓加載器,加載制度采用分級遞增加載制度;預(yù)加載控制荷載為2 kN,持續(xù)時(shí)間為3min。檢查試驗(yàn)裝置及預(yù)制空心梁試件連接部位的接觸情況,檢查儀器儀表是否發(fā)生異常現(xiàn)象,確保各設(shè)備儀器均能正常工作后卸載,然后進(jìn)入試驗(yàn)正式加載階段;在加載初期,逐級緩慢加載;當(dāng)試驗(yàn)梁出現(xiàn)開裂時(shí),以1 kN為增幅進(jìn)行逐級遞增加載,每級加載到位后停留3min,測量并記錄相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù),用描縫筆記錄裂縫發(fā)展和分布情況。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及承載力
單孔空心預(yù)制梁和實(shí)心預(yù)制梁基本都是在受壓區(qū)的混凝土被壓碎,受拉區(qū)鋼筋屈服及混凝土被拉裂,最終導(dǎo)致試件破壞。2種梁在加載初期,材料應(yīng)變較小,試件為彈性狀態(tài)。當(dāng)荷載達(dá)到4.7 kN時(shí),在純彎段出現(xiàn)細(xì)小裂縫,方向基本與中和軸垂直。當(dāng)荷載增大到4.7~9 kN,受拉區(qū)混凝土裂縫沿著原有方向變寬變長。當(dāng)荷載達(dá)到9~10 kN時(shí),鋼筋應(yīng)變加快增長,縱向受拉鋼筋屈服。預(yù)制梁抗彎剛度減小,裂縫沿著梁截面高度方向快速延伸并加寬,豎向主裂縫已形成。中和軸上移相對較快,受壓區(qū)混凝土面積迅速減小,進(jìn)一步增大了壓應(yīng)力。當(dāng)混凝土接近極限壓應(yīng)變時(shí),試件發(fā)生破壞。在試驗(yàn)過程中,2種梁主要表現(xiàn)為縱向受拉鋼筋屈服及受壓區(qū)混凝土被壓碎等。
由表1可知:實(shí)心預(yù)制梁相對于單孔空心預(yù)制梁較早開裂,屈服荷載與極限荷載相差不大,單孔空心預(yù)制梁的開裂荷載與實(shí)心預(yù)制梁相比略高。其原因是開孔后空心預(yù)制梁的剛度折減了??招念A(yù)制梁與實(shí)心預(yù)制梁相比表現(xiàn)為整體偏柔,有助于提高其變形及延性性能,開裂略有滯后。對比極限荷載發(fā)現(xiàn),單孔空心預(yù)制梁小于實(shí)心預(yù)制梁;通過構(gòu)造分析得知,單孔空心預(yù)制梁可節(jié)約8.72%的建筑材料,導(dǎo)致其初試剛度相對于實(shí)心預(yù)制梁較小,極限承載力略小。
2.2 裂縫
在試驗(yàn)過程中記錄單孔空心預(yù)制梁裂縫開展情況,具體如圖3所示。
梁最下方的數(shù)字代表裂寬,單位為mm;梁橫截面上的數(shù)字代表裂縫長度,單位為mm;序號代表裂縫在梁表面出現(xiàn)的順序編號,若一條裂縫上出現(xiàn)了2個(gè)序號,表示裂縫在原序號裂縫上發(fā)生了二次較大程度的延伸。
整體來看,實(shí)心預(yù)制梁裂縫少且分散,而空心預(yù)制梁的裂縫數(shù)量略多,且分布較均勻、間距也小。以KL-1梁為例,荷載達(dá)到4.7 kN時(shí),在跨中出現(xiàn)了豎向裂縫,其兩側(cè)還伴隨有細(xì)小橫向裂縫。加大荷載導(dǎo)致裂縫增多,并有向上斜向延伸的趨勢;在破壞時(shí),預(yù)制梁裂縫高度超過中性軸高度。實(shí)心預(yù)制梁相鄰2道裂縫間距是單孔空心預(yù)制梁的2~3倍,2類梁裂縫主要分布在L/4~3L/4梁跨范圍內(nèi)??傊瑔慰卓招念A(yù)制梁裂縫分布較均勻,裂縫長度及寬度隨著荷載增加緩慢增長,延性相對較好,對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性更有利。
2.3 荷載-撓度曲線
由梁跨中荷載-撓度曲線對比(圖4)可知,荷載-撓度曲線可分為以下3個(gè)階段:(1)彈性階段。出現(xiàn)在開裂前,荷載撓度曲線呈線性增長。(2)試驗(yàn)梁開裂至受拉鋼筋屈服階段。荷載繼續(xù)增加,在受拉區(qū)裂縫不斷出現(xiàn),荷載-撓度曲線出現(xiàn)第1個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。(3)鋼筋屈服及混凝土被壓碎階段。當(dāng)鋼筋出現(xiàn)屈服,荷載-擾度曲線出現(xiàn)了第2個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。預(yù)制梁撓度增大迅速,荷載-撓度曲線接近水平線,裂縫繼續(xù)變寬并加長,直至混凝土被壓碎,即試件破壞。
通過對比及分析發(fā)現(xiàn):在相同荷載下,實(shí)心預(yù)制梁SL曲線斜率較大,剛度值較大,但其曲線較早趨于平穩(wěn),表明實(shí)心預(yù)制梁較早接近極限荷載,后期承載力提升小,變形能力儲備并不富裕。從整體上來看,KL試件的曲線基本位于SL試件的右側(cè),表明單孔空心預(yù)制梁SL的撓度變化均大于實(shí)心梁SL,這說明適當(dāng)開孔對提高梁受彎變形能力有利,且整體剛度折減并不大。
2.4 應(yīng)變
為了驗(yàn)證單孔空心預(yù)制梁受彎構(gòu)件是否滿足平截面假定問題[11],本文以KL-1為例,通過試驗(yàn)獲得了20、40、60、80、100mm不同高度混凝土梁的應(yīng)變測試的結(jié)果(圖5),圖5顯示:在每級荷載作用下,純彎段混凝土各點(diǎn)處應(yīng)變與該點(diǎn)到中和軸距離近似呈正比關(guān)系,說明應(yīng)變大小與距離中和軸的遠(yuǎn)近有關(guān)。當(dāng)試件開裂后,混凝土預(yù)制梁底部受拉鋼筋屈服。隨著受壓區(qū)高度逐漸變小,中和軸位置不斷上移,下部拉應(yīng)變不斷增大,這與圖3中裂縫沿著原有裂縫延伸的情況一致。當(dāng)加載至6 kN,單孔空心預(yù)制梁20mm高度處應(yīng)變差突然增大,表明此時(shí)上下兩部分可能出現(xiàn)了鋼筋與混凝土滑移變形。綜上判定單孔空心預(yù)制梁基本滿足平截面假定理論。
3 有限元分析
3.1 材料本構(gòu)關(guān)系
本文利用ABAQUS建立單孔空心預(yù)制梁三維模型[12],混凝土采用塑性損傷模型,鋼筋選用理想彈塑性模型[13]?;炷恋膹椥阅A繛?2 000 kN·mm-2,泊松比為0.2,膨脹角為38°,偏心率為0.1,K取0.667,粘度參數(shù)取0.001,應(yīng)力應(yīng)變變化結(jié)果如圖6和圖7所示。
3.2 邊界條件及網(wǎng)格劃分
鋼筋通過Embedded方式嵌入到混凝土預(yù)制梁中。上部2個(gè)加載墊板和下部支座均定義為剛度無限大,采用Tie連接方式與單孔空心預(yù)制梁進(jìn)行接觸。在單孔空心預(yù)制梁兩端下部支座分別施加X、Y、Z和Y、Z方向約束?;炷梁蛪|板的單元為C3D8R,鋼筋單元為桁架梁T3D2。網(wǎng)格尺寸取25mm,網(wǎng)格劃分如圖8所示。
3.3 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比及分析
3.3.1 破壞機(jī)理分析
計(jì)算結(jié)果破壞圖(圖9)顯示:裂縫沿墊板呈“八”字型發(fā)展。加載前期,在單孔空心預(yù)制梁跨中底部先出現(xiàn)塑性損傷;在加載過程中,加載點(diǎn)區(qū)域易出現(xiàn)應(yīng)力集中。在受力鋼筋屈服部位,裂縫張開的速度加快,導(dǎo)致試件破壞。通過分析損傷云圖發(fā)現(xiàn),損傷主要出現(xiàn)在梁跨中下部受拉區(qū)域和2端受剪區(qū)域[14]??缰袚隙茸畲蟛⑾蛄?端逐漸遞減,這與試驗(yàn)結(jié)果得出的結(jié)論基本一致,因此,單孔空心預(yù)制梁計(jì)算模型合理且正確。
3.3.2 荷載-跨中撓度分析
通過對計(jì)算值與試驗(yàn)值撓度曲線(圖10)的對比及分析發(fā)現(xiàn):在單孔空心預(yù)制梁KL整個(gè)加載過程中,二者結(jié)果基本一致。模擬曲線的前期剛度值較試驗(yàn)曲線的前期剛度值偏大,其原因是模擬分析時(shí)的模型及邊界條件相對較理想[15],由于在制作試件時(shí)混凝土可能存在振搗不均勻或運(yùn)輸過程中局部損傷等原因?qū)е略囼?yàn)值偏小。通過對模擬結(jié)果極限荷載11.22 kN與試驗(yàn)值11.05 kN進(jìn)行比較,誤差為1.54%,二者結(jié)果基本吻合,說明計(jì)算模型可靠。
為了進(jìn)一步探討開孔大小對單孔空心預(yù)制梁承載能力的影響,對開孔直徑進(jìn)行了優(yōu)化,分別為30、50mm,試件編號為分別為M1和M2。經(jīng)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn):M1、KL及M2前期荷載撓度曲線基本重疊,說明適當(dāng)改變開孔半徑大小對梁的前期剛度影響明顯。隨著撓度變形的進(jìn)一步加大,荷載上升的幅度基本趨于平緩。預(yù)制梁開孔直徑越小,承載力越高。另外,對M1(11.71 kN)、KL(11.22 kN)及M2(10.69 kN)等極限荷載對比發(fā)現(xiàn),預(yù)制梁開孔面積依次分別提高了77.78%和56.25%,試件極限荷載僅降低4.18%和4.72%,而破壞時(shí)撓度同樣也增加不多。說明在一定范圍內(nèi)適當(dāng)開孔,不但能節(jié)約建筑用材,而且還有利于預(yù)制梁整體力學(xué)性能。
4 抗彎承載力分析
根據(jù)組合截面平均應(yīng)變沿梁高方向分布曲線得出,預(yù)制梁抗彎承載力計(jì)算滿足平均應(yīng)變平截面假定。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可知,混凝土應(yīng)力分布的3個(gè)階段如圖11所示,可見:混凝土未開裂彈性階段,中和軸與單孔空心預(yù)制梁橫截面水平中軸線重合,混凝土應(yīng)力分布圖近似為三角形,彎矩與截面曲率成直線關(guān)系;混凝土開裂至受拉鋼筋屈服階段,中和軸位置不斷向上移動,受壓區(qū)應(yīng)力圖呈曲線變化,彎矩與截面曲率轉(zhuǎn)變?yōu)榍€關(guān)系;試件破壞階段,即縱向受拉鋼筋屈服,受壓區(qū)混凝土的壓應(yīng)力曲線相對飽滿,彎矩與截面曲率近似為水平曲線,基本表現(xiàn)為適筋梁破壞特征。
在計(jì)算單孔空心混凝土預(yù)制梁承載力時(shí),根據(jù)孔洞是否位于受壓區(qū)主要可分為以下2種類型:
(1)當(dāng)孔洞位于受壓區(qū)高度以外時(shí),由于孔洞在截面受拉區(qū)范圍內(nèi)對承載力影響相對較小,可忽略不計(jì),所以單孔空心預(yù)制梁極限承載力可采用等效矩形應(yīng)力獲得,其計(jì)算簡圖見圖12a所示。
(2)當(dāng)孔洞部分位于受壓區(qū)高度以內(nèi)時(shí),由于位于受壓區(qū)范圍內(nèi)的孔洞不能有效發(fā)揮承壓能力,故在受壓區(qū)混凝土孔洞位置的應(yīng)力分布曲線出現(xiàn)了不連續(xù)現(xiàn)象,需要采用曲線應(yīng)力分布計(jì)算極限承載力,計(jì)算簡圖見圖12b所示。
根據(jù)單孔空心預(yù)制梁橫截面受彎承載力計(jì)算簡圖,利用平衡條件可得正截面極限彎矩計(jì)算公式。根據(jù)GB 50010—2015《混凝土結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》中關(guān)于正截面受彎承載力極限彎矩的計(jì)算公式可知,當(dāng)xlt;40mm時(shí),屬于第1種類型??锥次挥诮孛娴氖芾瓍^(qū),如果忽略孔洞對承載力計(jì)算的影響,與試驗(yàn)結(jié)果相比出現(xiàn)明顯偏差,可見存在有一定的局限性。為了改善或解決這種不合理問題,本文提出了2種等效計(jì)算方法。第1種方法為截面有效面積等效法,減少混凝土梁原始截面基本尺寸。因截面減少的面積等于開孔的面積,故將開孔梁等效為實(shí)心梁(圖13a)。
第2種方法為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度等效法。由文獻(xiàn)[13]中公式可知試件彎矩值與參數(shù)fc有關(guān),而開孔混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值與實(shí)心混凝土梁的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值并不相同。通過單孔空心預(yù)制梁等截面強(qiáng)度代換,得到等效梁混凝土強(qiáng)度等級Cx。實(shí)現(xiàn)了將強(qiáng)度等級為C25的開孔"" 梁等效為強(qiáng)度等級為Cx的實(shí)心梁,Cxlt;C25,如圖13b所示。
從表2可以看出:傳統(tǒng)法是根據(jù)單孔空心預(yù)制梁受壓區(qū)高度計(jì)算獲得,忽略了孔洞對極限彎矩的影響,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在一定偏差。第1種計(jì)算方法獲得的結(jié)果均小于試驗(yàn)值,誤差平均值為6.17%反而大于傳統(tǒng)法產(chǎn)生的誤差,主要原因是此方法改變了試件截面寬度、高度及截面慣性矩等。第2種計(jì)算方法采用等效fc,誤差僅為0.82%,說明此方法計(jì)算結(jié)果相對于傳統(tǒng)法和第一種方法來說更加可靠,參考價(jià)值更高??傮w來看,單孔空心預(yù)制梁的極限彎矩略低于實(shí)心預(yù)制梁,但開孔后可節(jié)省8.72%的建筑材料,節(jié)省了工程成本。
5 結(jié)論
(1)單孔空心預(yù)制梁與同尺寸實(shí)心預(yù)制梁相比,破壞特征相似,但裂縫分布存在一定差異,實(shí)心預(yù)制梁相鄰2道裂縫間距是單孔空心預(yù)制梁的2~3倍,2類試件裂縫主要分布在L/4~3L/4梁跨范圍內(nèi);單孔空心預(yù)制梁裂縫分布較均勻,裂縫的長度、寬度都隨荷載增加而緩慢增加,且延性較好。
(2)單孔空心預(yù)制梁開裂荷載與實(shí)心預(yù)制梁相比提高了23.08%,說明在預(yù)制梁受力變形前期,適當(dāng)開孔有利于減緩裂紋出現(xiàn)的時(shí)間。通過構(gòu)造分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)實(shí)心預(yù)制梁開孔后,不但減輕了自重而且還節(jié)省了8.72%材料,符合國家節(jié)能減排政策。
(3) 通過對單孔空心預(yù)制梁的荷載-撓度曲線與實(shí)心預(yù)制梁進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn),同荷載作用下實(shí)心預(yù)制梁曲線斜率較大,剛度值較大。因此,從變形程度上看,剛度小的單孔空心預(yù)制梁撓度大于實(shí)心梁,其變形能力相對強(qiáng)。
(4) 通過對計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比分析發(fā)現(xiàn),本文給出的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度等效計(jì)算方法,可獲得等效梁的混凝土強(qiáng)度等級為Cx,計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差為0.82%,說明此方法具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
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