裝配式鋼筋混凝土疊合梁受力性能試驗(yàn)研究?

馬云龍 何少川 劉廷濱

(1.甘肅省建設(shè)投資(控股)集團(tuán)總公司 蘭州730050；2.蘭州交通大學(xué) 730070)

引言

發(fā)展裝配式建筑是建造方式的重大變革和推進(jìn)建筑業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的重要舉措[1]，有利于節(jié)約資源能源、減少施工污染、提升勞動(dòng)生產(chǎn)效率和質(zhì)量安全水平[2]。裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的梁、板等彎、剪構(gòu)件常采用疊合施工的方式，裝配部分與現(xiàn)澆部分新舊混凝土收縮不同步，容易在結(jié)合面處產(chǎn)生初始應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生收縮裂縫，在受力過程中疊合面位置的剪應(yīng)力往往較大，進(jìn)而進(jìn)一步導(dǎo)致疊合界面位置的破壞[3]。

國內(nèi)外學(xué)者對疊合構(gòu)件進(jìn)行了一系列深入研究[4，5]。美國、英國以及前蘇聯(lián)混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范對組合結(jié)構(gòu)的計(jì)算和構(gòu)造已有了專門的規(guī)定。國外學(xué)者主要研究疊合面的抗剪強(qiáng)度、抗剪連接疊合面上下兩部分的收縮微差造成的附加內(nèi)力和變形預(yù)制構(gòu)件對后澆混凝土極限變形的抑制以及抗裂度和撓度的計(jì)算方法等問題。我國對于疊合梁的研究開始于20世紀(jì)60年代，通過對疊合梁和對比整澆梁的試驗(yàn)研究[6-8]，對普通鋼筋混凝土疊合梁的二次受力問題進(jìn)行了研究，指出了疊合梁在二次受力情況下存在“應(yīng)力超前現(xiàn)象”，必須加以限制[9，10]；我國編制的《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TJ10-74)中尚未對疊合梁的正截面與斜截面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行規(guī)定，在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ10-89)中正式提出了有關(guān)疊合受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)條文和比較全面的有關(guān)疊合結(jié)構(gòu)正截面、斜截面、疊合面強(qiáng)度以及使用階段驗(yàn)算的計(jì)算方法，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50152-2012)中基本保持了原規(guī)范的內(nèi)容。

針對疊合梁的受力狀態(tài)，采用插筋的方法彌補(bǔ)新舊混凝土界面處混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的損失，是目前工程中常采用的方法，但針對該補(bǔ)強(qiáng)方法對疊合梁受力性能提升的效果，國內(nèi)外相關(guān)的試驗(yàn)和理論研究仍然欠缺，本文通過試驗(yàn)對比分析整體澆筑鋼筋混凝土梁與二次澆筑但采用插筋方法補(bǔ)強(qiáng)的疊合梁的受力性能，為同類工程的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

混凝土強(qiáng)度等級為C35(Ec＝3.15×104N/mm2，fc＝16.7N/mm2，ft＝1.57N/mm2)，梁縱筋為HRB400 級直徑φ14(Es＝2.1×105N/mm2，fy＝360N/mm2)，箍筋為 HPB300 級直徑φ6(Es＝2.1×105N/mm2，fy＝270N/mm2)，后植鋼筋為HPB300 級直徑φ6。整體澆筑鋼筋混凝土梁尺寸及配筋設(shè)計(jì)如圖1所示(編號ZJ1)。分層澆筑疊合梁，分層高度比αh＝0.55，尺寸及配筋設(shè)計(jì)如圖2所示(編號 DHd1)，插筋采用 HRB400 級直徑φ14 螺紋鋼，插筋間距200mm，如圖2所示。

圖1 整體澆筑鋼筋混凝土梁Fig.1 Schematic diagram of the overall pouring beam

圖2 分層澆筑鋼筋混凝土疊合梁Fig.2 Schematic diagram of the stacked beam

1.2 加載裝置及方式

本次試驗(yàn)采用兩點(diǎn)集中加載方式，剪跨比λ＝2.0，加載儀器采用 YJ-ⅢD 型結(jié)構(gòu)力學(xué)組合試驗(yàn)裝置，壓力傳感器、位移計(jì)的數(shù)據(jù)使用DH3815N 靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀同步連續(xù)采集，每秒進(jìn)行一次采樣。加載裝置如圖3所示。

圖3 加載裝置Fig.3 Loading device

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康模囼?yàn)采用千斤頂加載，試驗(yàn)正式開始前進(jìn)行10kN 的預(yù)加載并重復(fù)3 次，以消除梁試件與各加載設(shè)備之間的非彈性變形，并確定各測量儀器是否正常工作。正式加載采用逐級加載的方式，每級荷載約為5kN，各級荷載間的持荷時(shí)間為5min，以方便觀察裂縫的開展情況，當(dāng)加載至預(yù)計(jì)開裂荷載附近時(shí)，減小加載速率與分級以便獲得準(zhǔn)確的開裂荷載。

試驗(yàn)主要測試梁的荷載、撓度、裂縫，其中梁的荷載由壓力傳感器采集，撓度由百分表采集，裂縫由人工觀察，加載過程中裂縫開展情況繪制在梁側(cè)面。

2 試驗(yàn)結(jié)果

梁破壞形式較為相似，所有試件腹部斜裂縫均達(dá)到1.50mm，且部分構(gòu)件出現(xiàn)斜裂縫端部混凝土壓壞的情況，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50152-2012)，本試驗(yàn)所有構(gòu)件均達(dá)到受剪承載力極限狀態(tài)，均屬于剪壓破壞形態(tài)。破壞情況見圖4，開裂彎矩、極限彎矩見表1。各試件隨著荷載的增加，裂縫分布情況見圖5，圖中裂縫旁的數(shù)字對應(yīng)的此時(shí)的荷載值單位為kN。

圖4 試件破壞情況Fig.4 Damage form of specimens

表1 試件開裂彎矩、極限彎矩實(shí)測數(shù)據(jù)Tab.1 Cracking moment and ultimate bending moment of the test piece

圖5 試件裂縫分布情況Fig.5 Crack distribution of the test piece

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 破壞模式

在集中荷載作用下，整澆梁與分層澆筑梁破壞特征基本一致，均屬于剪壓破壞。加載過程中，所有構(gòu)件均在純彎段底部首先出現(xiàn)第一條豎向裂縫，隨后又陸續(xù)出現(xiàn)多條豎向裂縫，與整澆梁不同的是，疊合梁的多數(shù)純彎段豎向裂縫在發(fā)展至分層面后均不再向上延伸，直至加載的荷載較高時(shí)，才通過分層面繼續(xù)向上發(fā)展，通過后延伸速度較快，而整澆梁的純彎段豎向裂縫向上發(fā)展的速度比較均勻；隨著荷載的增加，各構(gòu)件在彎剪區(qū)底部均出現(xiàn)豎向裂縫，隨后裂縫向加載點(diǎn)處延伸，此時(shí)出現(xiàn)彎剪斜裂縫，分層澆筑梁的斜裂縫在發(fā)展至結(jié)合面處時(shí)，產(chǎn)生水平裂縫，隨后通過結(jié)合面繼續(xù)延伸；荷載繼續(xù)增大，構(gòu)件出現(xiàn)從支座底部指向加載點(diǎn)的腹剪斜裂縫，整澆梁的腹剪斜裂縫發(fā)展迅速，裂縫寬度迅速增大，使得裂縫左右兩端混凝土發(fā)生錯(cuò)動(dòng)而破壞，而分層澆筑梁的腹剪斜裂縫發(fā)展至結(jié)合面處時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生了水平裂縫。

后插筋疊合梁DHd1 與整體澆筑梁ZJ1 的開裂荷載、極限荷載均相近，可見插筋能夠有效地彌補(bǔ)分層澆筑對梁承載能力的影響，疊合梁在采取有效的構(gòu)造措施后，疊合的施工工藝不會(huì)引起結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備的顯著降低。

3.2 荷載-撓度曲線

整澆梁與分層澆筑梁的荷載- 撓度曲線見圖6，從圖中可以看到分層澆筑梁與整澆梁的撓度曲線相似，這在一定程度上反映了疊合梁的破壞整體過程與整澆梁是類似的，一樣具有明顯的彈性和彈塑性階段。從圖中可以看出，插筋之后的疊合梁達(dá)到極限荷載之后比現(xiàn)澆梁具有更好的變形能力，這與插筋增大了梁的配箍率有關(guān)。

圖6 荷載撓度曲線Fig.6 Load deflection curve

4 結(jié)論

對整體澆筑梁與疊合梁進(jìn)行受剪承載力試驗(yàn)對比研究，通過對試驗(yàn)梁開裂荷載、極限荷載、裂縫發(fā)展形式、荷載-撓度曲線等變化規(guī)律的分析，得到如下的結(jié)論，可為疊合梁的設(shè)計(jì)施工及補(bǔ)強(qiáng)提供參考。

1.采取插筋構(gòu)造措施的疊合梁在集中豎向荷載下的破壞形態(tài)與整體澆筑梁相似，疊合梁的腹剪斜裂縫發(fā)展至新舊混凝土結(jié)合面處時(shí)產(chǎn)生了水平裂縫；

2.采取插筋構(gòu)造措施的疊合梁的開裂荷載及極限承載力與整澆梁均十分接近，證明采取插筋的構(gòu)造措施后，疊合的施工方法不會(huì)引起結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備的降低。

3.采取插筋構(gòu)造措施的疊合梁，由于增大了梁的配箍率，梁的延性較整體澆筑梁有較大提高。