文/羅正根、王偉 國(guó)核工程有限公司 上海 265100
某工程廠房采用美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范ACI349-2001《核安全規(guī)程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)》進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì),其中屏蔽廠房設(shè)計(jì)為環(huán)形墻體,墻體內(nèi)徑19.96m,墻體標(biāo)準(zhǔn)厚度914mm,總高度約52.3m,該墻體內(nèi)外兩側(cè)各布置兩層水平與兩層豎向鋼筋,墻體兩側(cè)鋼筋通過(guò)拉筋拉結(jié)豎向主筋形成鋼筋籠子。ACI349-2001規(guī)范第21章節(jié)提到拉筋應(yīng)“engage”(譯為勾住或箍?。┛v向鋼筋,然而實(shí)際工程中,拉筋要完全與主筋貼緊不切實(shí)際。因此,本文設(shè)計(jì)了一套剪切試驗(yàn)用以研究分析拉筋間隙對(duì)墻體截面平面外抗剪性能的影響。
剪切試驗(yàn)的目的為通過(guò)測(cè)試足尺廠房墻體結(jié)構(gòu)單元抗剪性能,評(píng)估間隙對(duì)廠房墻體平面外抗剪性能的影響,由于廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮更為保守的單向作用,因此設(shè)計(jì)梁構(gòu)件剪切試驗(yàn)。
剪切試驗(yàn)試件代表的廠房墻體的示意圖見(jiàn)圖(1)。為了測(cè)試試件的剪切性能,減少其它拉、壓、彎曲等應(yīng)力因素的干擾,采用四點(diǎn)加載純剪切加載方法。試件高度等于實(shí)際廠房墻體厚度。試件中部有效工作區(qū)域的厚度為450mm,其截面配筋等同墻體的一個(gè)配筋單元試件兩端的非工作區(qū)截面厚度加大,并增加了配筋,目的為在試驗(yàn)中剪切破壞發(fā)生在試件的有效工作區(qū)域。試件工作區(qū)的配筋代表實(shí)際墻體鋼筋布置,非工作區(qū)設(shè)置了額外的箍筋進(jìn)行加強(qiáng),同時(shí)還設(shè)置了防剝落鋼筋網(wǎng)片與腰筋。
為了研究拉筋與主筋間隙對(duì)抗剪性能的影響,在試件工作區(qū)的3根拉筋兩端均設(shè)置了相同的間隙,3個(gè)拉筋彎鉤交替布置。共對(duì)0in、1in和2in等3種間隙進(jìn)行了試驗(yàn),每個(gè)間隙值進(jìn)行3個(gè)試驗(yàn),共計(jì)9個(gè)試驗(yàn),試件編號(hào)CJLX-Y。
試驗(yàn)采用單調(diào)加載, 試驗(yàn)中采用分配梁獲得兩個(gè)加載點(diǎn)的1:2的比例加載力關(guān)系,試驗(yàn)加載裝置如圖2所示。試驗(yàn)使用室2000t加載機(jī)進(jìn)行,試驗(yàn)采用靜力分級(jí)加載方式,每個(gè)加載步為200kN,每級(jí)加載后,荷載保持一段時(shí)間,以便觀測(cè)和繪制混凝土裂縫發(fā)展情況。
圖2 抗剪切試驗(yàn)加載裝置示意圖
在工作區(qū)內(nèi)的每個(gè)拉筋布置三個(gè)鋼筋應(yīng)變計(jì),以記錄試驗(yàn)過(guò)程中拉筋的受力變形情況;在工作區(qū)混凝土表面布置9個(gè)應(yīng)變花,以測(cè)量混凝土的平面內(nèi)應(yīng)變;同時(shí)測(cè)量試驗(yàn)梁工作區(qū)下表面布置3個(gè)位移測(cè)點(diǎn)記錄豎向位移以及施工力傳感器記錄千斤頂施加的荷載。
所有9個(gè)剪切試驗(yàn)顯示出了相同的試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞過(guò)程:剪切裂縫形成與張開(kāi),拉筋斷裂,荷載迅速下降。以間隙為1in的CJL1-1試件為例,說(shuō)明試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞過(guò)程。CJL1-1試件在荷載作用下,剪切試驗(yàn)試件首先在加載點(diǎn)及支座相對(duì)的受彎區(qū)出現(xiàn)彎曲裂縫,當(dāng)荷載繼續(xù)增加時(shí),試件工作區(qū)出現(xiàn)一條斜的剪切裂縫。隨著荷載的增加,剪切裂縫會(huì)擴(kuò)展并變寬,并有可能出現(xiàn)第二條剪切裂縫。當(dāng)達(dá)到峰值荷載時(shí),伴隨著拉筋斷裂的聲音,剪切裂縫迅速?gòu)堥_(kāi),荷載迅速下降,結(jié)構(gòu)失效。
試驗(yàn)后對(duì)間隙為2in的CJL2-3試件進(jìn)行破碎以觀察內(nèi)部拉筋的情況,可以看出位于工作區(qū)中間的拉筋中部斷裂,該拉筋的斷裂導(dǎo)致了試件的失效。
拉筋的應(yīng)變記錄顯示,剪切裂縫出現(xiàn)之前拉筋中的應(yīng)變很小,當(dāng)荷載達(dá)到某一值時(shí),剪切裂縫出現(xiàn),剪切裂縫的出現(xiàn)反映在拉筋荷載-應(yīng)變曲線中,曲線上剪切裂縫附近的所有拉筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)測(cè)量值同時(shí)開(kāi)始快速持續(xù)增長(zhǎng)。拉筋應(yīng)變?cè)谶_(dá)到峰值荷載前即超過(guò)其設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變(拉筋的設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度為400MPa,對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?000微應(yīng)變)。因此試件最終的破壞原因?yàn)楣ぷ鲄^(qū)中間拉筋過(guò)度變形發(fā)生斷裂,導(dǎo)致混凝土剪切斜裂縫失去約束迅速變寬,喪失承載力。
從3個(gè)不同間隙試件中拉筋的應(yīng)變值可以看出在1in和2in間隙下拉筋在靠近端部的位置上的應(yīng)變值均達(dá)2000微應(yīng)變,從而均發(fā)展出了設(shè)計(jì)需要的拉應(yīng)力。值得注意的是,拉筋在荷載達(dá)到峰值荷載之前就已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)的屈服應(yīng)力。從試件中可以看出直至試件失效,拉筋與主筋間的間隙不變,說(shuō)明拉筋彎鉤有著良好的錨固能力,這解釋了在間隙存在的情況下拉筋中各處都能發(fā)揮出拉筋的屈服拉應(yīng)力。
試驗(yàn)結(jié)果顯示,在一定間隙范圍存在的情況下,拉筋中各處均能發(fā)展出設(shè)計(jì)需要的拉應(yīng)力,從而完全發(fā)揮出其抗剪作用,因此不會(huì)影響廠房墻體的平面外抗剪性能。實(shí)際施工時(shí),拉筋的間隙會(huì)因?yàn)榛炷帘Wo(hù)層厚度與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范受到定值約束,2英寸的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)值是貼近了真實(shí)情況,本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為類(lèi)似工程提供施工指導(dǎo)。