核心鋼混凝土柱施工工藝及滯回性能試驗
——以半裝配式核心型鋼混凝土柱為例

張 靜

(江蘇省鹽城技師學(xué)院，江蘇 鹽城 224005)

0 前 言

核心型鋼混凝土結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了型鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，具有承載力高、耗能好的特點(diǎn)，在國內(nèi)外高層和超高層建筑中應(yīng)用日趨廣泛[1-3]。

核心型鋼混凝土柱普遍鋼筋密度較大，并且抗剪栓釘多、箍筋復(fù)雜，給施工現(xiàn)場鋼筋定位綁扎、混凝土澆筑等帶來較多難點(diǎn)[4-5]，比如：由于大量抗剪栓釘?shù)拇嬖?，上下排栓釘間的閉合箍筋每一根都要穿越若干排栓釘，施工困難；穿過腹板的閉合箍筋，按常規(guī)做法無法施工，需要斷開為2個“L”型或“U”型箍筋后再進(jìn)行焊接封閉，現(xiàn)場焊接工作量太大；井字形、八角形、矩形箍筋同時存在，定位、綁扎較困難困難；柱內(nèi)鋼筋及型鋼密集，里面空間狹小，鋼筋定位稍有偏差就會給混凝土澆筑帶來困難。

本文提出一種半裝配式核心型鋼混凝土柱的概念，并給出了具體的施工工藝，可以有效解決目前核心型鋼混凝土柱現(xiàn)場施工過程中的諸多難點(diǎn)，同時可以節(jié)約模板、縮短工期、降低現(xiàn)場施工勞動強(qiáng)度和環(huán)境污染；對該類柱進(jìn)行了低周反復(fù)試驗，考察了其滯回性能。

1 半裝配式核心型鋼混凝土柱的概念及施工工藝

1.1 半裝配式核心型鋼混凝土柱的概念

所謂半裝配式核心型鋼混凝土柱，即將核心型鋼混凝土柱中復(fù)雜的箍筋、主筋連同型鋼在工廠焊接形成柱鋼骨架，同時在工廠預(yù)制增強(qiáng)型混凝土薄板，柱鋼骨架和增強(qiáng)型薄板運(yùn)至施工現(xiàn)場，做好上下柱鋼骨架的連接工作后，在骨架上組裝增強(qiáng)型薄板，形成柱預(yù)制模殼，最后在預(yù)制模殼中澆筑柱核心混凝土，形成柱。增強(qiáng)型混凝土薄板既作為核心混凝土的澆筑模板，在混凝土澆筑完成后又作為柱身的一部分。

1.2 半裝配式核心型鋼混凝土柱的施工工藝

圖1為柱鋼骨架示意圖。

圖1 柱鋼骨架

圖2為增強(qiáng)型混凝土薄板及角件示意圖。

圖2 混凝土薄板及角件

圖3為增強(qiáng)型混凝土薄板組裝示意圖。

圖3 混凝土薄板組裝

圖1中，為方便上、下柱主筋焊接連接，在鋼骨架底部焊有四周型鋼定位鋼板；柱鋼骨架上焊有增強(qiáng)型混凝土薄板的組裝螺栓桿，螺栓桿同時與型鋼及其所在位置的箍筋焊接連接，見圖3；為方便上下柱型鋼和主筋的現(xiàn)場焊接，柱鋼骨架上下端各留兩層活動箍筋，待型鋼與主筋焊接好后再現(xiàn)場焊接連接。

增強(qiáng)型混凝土薄板采用細(xì)骨料混凝土(粗骨料粒徑小于5 mm)和纖維織物網(wǎng)或不銹鋼板網(wǎng)制作，其上帶有可調(diào)節(jié)螺栓孔(螺栓孔為扁圓形，螺栓桿在孔內(nèi)上下左右可作一定幅度的調(diào)節(jié))，如圖2所示。增強(qiáng)型混凝土薄板通過自身的螺栓孔和焊接在鋼骨架上的模板組裝螺栓桿組裝。為了使增強(qiáng)型混凝土薄板模板組裝后能夠更好地承受環(huán)向拉應(yīng)力，在柱四個角部采用角件連接兩相鄰模板，見圖2。角件通過焊在其外面的螺栓桿和模板上的螺栓孔進(jìn)行組裝。角件可由不銹鋼板網(wǎng)制作。另外，柱與梁連接一側(cè)的模板上帶有放置梁模板的“U”形企口，見圖2。

圖3中，增強(qiáng)型混凝土薄板的組裝上，根據(jù)保護(hù)層的厚度要求和薄板的實際厚度，通過薄板內(nèi)側(cè)的定位螺母調(diào)節(jié)箍筋與薄板之間的距離，并定位螺母與薄板外側(cè)的組裝螺母固定薄板。該類型柱的具體施工步驟如下：①在工廠預(yù)制上文所述柱鋼骨架和沿柱高分段的增強(qiáng)型混凝土薄板；②在施工現(xiàn)場吊裝柱鋼骨架并做好定位工作；③焊接連接上下柱的主筋和型鋼；④焊接或綁扎固定鋼骨架下端的兩層活動箍筋；⑤將鋼骨架所有模板組裝螺栓桿上的定位螺母外側(cè)面擰至增強(qiáng)型混凝土薄板內(nèi)側(cè)面所在的設(shè)計位置；⑥沿柱高從柱底往上逐段組裝柱身四面的增強(qiáng)型混凝土薄板，組裝時，逐面將薄板內(nèi)側(cè)面緊貼步驟⑤所述定位螺母的外側(cè)面，然后擰上該面所有組裝螺母并擰緊，每一段四面的薄板組裝完成后，立即組裝該段的角件，然后再進(jìn)入上一段的組裝；⑦采用水泥砂漿或其他填縫材料對相鄰薄板的拼縫進(jìn)行填縫處理；⑧澆筑柱核心混凝土。

2 半裝配式核心型鋼混凝土柱滯回性能試驗

2.1 試件設(shè)計與制作

制作了相同尺寸和配筋的一根半裝配式核心型鋼混凝土柱(編號為KZ-A)和一根現(xiàn)澆核心型鋼混凝土柱(編號為XZ-A)，試件尺寸及配鋼見圖4。

圖4 試件尺寸及配鋼

實測鋼材力學(xué)性能見表1。柱核心混凝土的28 d立方體抗壓強(qiáng)度為28.8 MPa。增強(qiáng)型混凝土薄板采用碳/玻纖維織物網(wǎng)(沿柱高方向為碳纖維)和細(xì)骨料混凝土制作，細(xì)骨料混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度為42.3 MPa，織物網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸為10 mm×10 mm，纖維力學(xué)性能參數(shù)見表2，采用環(huán)氧樹脂浸漬處理后單根碳纖維、玻纖維束抗拉強(qiáng)度分別為2 087.1 MPa和753.2 MPa。

表1 鋼筋力學(xué)性能 單位：N·mm-2

表2 織物的主要參數(shù)

增強(qiáng)型混凝土薄板的厚度為15 mm，沿板的橫向帶有寬×高為20 mm×10 mm的肋，間距為20 mm。

2.2 加載方法

本次試驗在鹽城工學(xué)院土木學(xué)院結(jié)構(gòu)實驗室結(jié)構(gòu)綜合加載系統(tǒng)上進(jìn)行。為了模擬實際結(jié)構(gòu)中柱的受力特點(diǎn)，首先在試件頂部施加一設(shè)定的并在整個加載過程中維持不變的豎向力，即模擬實際結(jié)構(gòu)中柱所承受的軸壓力，然后采用位移控制按一定的加載制度分級施加水平荷載，直至試件破壞或荷載下降達(dá)極限荷載的85%以下時停止加載，加載裝置見圖5。試件加載軸壓比為4.0，剪跨比為2.6，位移控制制度見圖6。

圖5 加載裝置

圖6 位移控制制度

2.3 試驗結(jié)果

2.3.1 破壞過程和破壞特征

加載初期，試件XZ-A，當(dāng)水平位移加載到10 mm左右時，在接近柱根部位出現(xiàn)水平向裂縫，裂縫所在的面為與作動器垂直的兩個面。試件KZ-A的開裂位移為14 mm，開裂位置與XZ-A比較接近。

繼續(xù)加載，隨著水平位移和荷載的進(jìn)一步增大，兩個試件上原先出現(xiàn)的裂縫長度明顯不斷發(fā)展，同時有新裂縫相繼出現(xiàn)。在這一階段，試件KZ-A相比試件XZ-A，裂縫發(fā)展明顯緩慢，但數(shù)量相對較多。進(jìn)一步加載，兩個試件平行于作動器的兩個面均相繼出現(xiàn)斜向的交叉裂縫，并隨加載的進(jìn)行不斷延伸，直至加載結(jié)束，見圖7。

(a)XZ-A

試件KZ-A裂縫發(fā)展相對遲緩的原因可能是由于織物網(wǎng)的連橋作用使得柱身應(yīng)力分布均勻。

總之，在加載整個過程中，半裝配式核心型鋼混凝土柱與現(xiàn)澆核心型鋼鋼筋混凝土柱呈現(xiàn)出基本一致的破壞過程，半裝配式核心型鋼混凝土柱試驗過程中沒有出現(xiàn)預(yù)制外殼與核心混凝土之間的界面剝離現(xiàn)象，表現(xiàn)出良好的整體工作性能。

2.3.2 滯回性能分析

RC柱的低周反復(fù)荷載作用下的荷載-位移曲線綜合反映了構(gòu)件承載力、剛度、延性等力學(xué)特征，是構(gòu)件抗震性能的集中體現(xiàn)。

試件XZ-A、KZ-A的荷載-位移滯回曲線如圖8所示。加載初期，兩類柱的荷載-位移曲線均呈線性增長關(guān)系。裂縫出現(xiàn)后，荷載-位移曲線均略顯出非線性特性，但是，就整個滯回曲線而言，可近似看作是線性，這時的滯回環(huán)圍成的面積很小。

(a)XZ-A

隨著水平位移和荷載的進(jìn)一步增大，兩類柱的荷載-位移曲線呈現(xiàn)出明顯的非線性關(guān)系，滯回環(huán)呈反“S”形、滯回環(huán)圍成的面積不斷增大。當(dāng)試件XZ-A、KZ-A水平位移分別增加到21.71 mm和22.54 mm時，水平試驗力分別達(dá)到102.72 kN和105.71 kN，隨后，隨著水平位移的進(jìn)一步增加，兩個試件的水平試驗力均出現(xiàn)下降現(xiàn)象。當(dāng)水平位移分別加載至45.11 mm和45.09 mm時，試件破壞。

從荷載-位移滯回曲線可以看出，兩類柱具有較好的變形能力、耗能能力，且荷載-位移滯回曲線特性基本相同。

3 結(jié) 論

本文提出半裝配式核心型鋼混凝土柱的概念，并給出切實可行的施工工藝。試驗表明，半裝配式核心型鋼混凝土柱具有與現(xiàn)澆核心型鋼鋼筋混凝土柱基本一致的破壞過程，表現(xiàn)出良好的整體工作性能。半裝配式核心型鋼混凝土柱在低周反復(fù)荷載作用下的荷載-位移滯回曲線特性與現(xiàn)澆核心型鋼鋼筋混凝土柱基本相同。

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