馮慶興， 徐錚弢， 徐宏廣， 林皇誠， 龔順風(fēng)

(1 浙江科技學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院， 杭州 310023； 2 浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所， 杭州 310058)

0 引言

隨著對傳統(tǒng)建筑業(yè)提出產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和升級要求，裝配式結(jié)構(gòu)體系重新受到工程師的重視。但在裝配式結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)鏈完全建立之前，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系存在建造成本、運輸、節(jié)點連接等一系列問題[1]，所以混凝土疊合結(jié)構(gòu)這種兼有現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)和裝配式混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)點的結(jié)構(gòu)形式就成為了過渡時期較好的選擇，它具有整體剛度較好、施工速度快、與裝配式結(jié)構(gòu)相比抗震性能優(yōu)越、節(jié)約材料、綜合經(jīng)濟(jì)效益較好等優(yōu)勢[2]。在國內(nèi)外裝配式建筑的應(yīng)用中發(fā)展出了多種混凝土疊合梁板結(jié)構(gòu)形式[3]。而在國內(nèi)自對疊合梁及疊合面的研究開始以來，對完整的疊合梁抗剪性能[4-6]和各種界面粘結(jié)的疊合面的抗剪性能[7-10]做了較多的研究。但對于疊合構(gòu)件在生產(chǎn)制造階段、裝配施工階段、使用維護(hù)階段出現(xiàn)真實的質(zhì)量問題，尤其是存在于疊合面的缺陷導(dǎo)致的質(zhì)量問題對疊合梁剛度、極限承載能力和延性等關(guān)鍵性能的影響研究還不足。本文以在疊合面上特定位置放置泡沫板的方式設(shè)定質(zhì)量缺陷，有針對性地設(shè)計了疊合梁抗剪性能試驗，以研究疊合梁在疊合面存在既有缺陷時抗剪性能的削弱程度。

1 試驗概況

試驗重點研究帶缺陷鋼筋混凝土矩形截面疊合梁的抗剪性能，以疊合梁試件達(dá)到《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50152—2012)[11](簡稱GB/T 50152—2012)規(guī)定的承載能力極限狀態(tài)標(biāo)志作為終止加載條件。疊合梁抗剪試件共3根，其中編號中帶D為設(shè)置缺陷的疊合梁，以填充與梁等寬的20mm厚泡沫板的方式設(shè)定缺陷。試件幾何尺寸和配筋規(guī)格如圖1和表1所示，梁疊合面上缺陷做法如圖2所示，其中b為梁截面寬度，h1為預(yù)制梁截面高度，h為疊合梁截面高度，L為梁長度，L0為支座間凈跨跨度，受拉縱向鋼筋配筋率ρ均為1.73%，箍筋配筋率ρsv均為0.14%。疊合梁試件的制作采用現(xiàn)有國內(nèi)通用工藝流程和技術(shù)要求由裝配式構(gòu)件廠專門制作。

疊合梁試件尺寸和配筋規(guī)格 表1

圖1 疊合梁試件配筋示意圖

圖2 疊合梁試件質(zhì)量缺陷設(shè)置位置

根據(jù)常鵬等[12]對疊合梁斜截面承載力進(jìn)行數(shù)值模擬的研究可知，在αM=M1/Mu1(即第1階段荷載作用下跨中彎矩與預(yù)制截面極限承載彎矩之比)小于0.5時，有疊合梁與整澆梁抗剪承載力的比值V/V0隨αh=h01/h0(即預(yù)制截面高度與疊合截面高度之比)增大而增大的趨勢，故本研究考慮施工中梁底支模(即αM視作0)的情況，設(shè)定2種不同長度的缺陷，其中試件PCB-RS130-D研究在h1/h較大且缺陷較小時的抗剪性能，試件PCB-RS180-D研究在h1/h較小且缺陷較大時的抗剪性能。

所有試件均采用C30混凝土，澆筑試件時，同時制作6個標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，同條件養(yǎng)護(hù)。在進(jìn)行疊合梁試驗前，將標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊按《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)[13]的要求使用WYA-2000型數(shù)字壓力試驗機(jī)進(jìn)行立方體試塊抗壓試驗，試驗現(xiàn)場照片及結(jié)果見圖3和表2。

圖3 混凝土試塊抗壓試驗

混凝土材料參數(shù) 表2

圖4 鋼筋拉伸試驗

2 試驗方法

試驗加載裝置參考規(guī)范GB/T 50152—2012相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，剪跨跨度取1.75h0，使用MAS-500/2Q型電液伺服垂向加載作動器對試件進(jìn)行加載，如圖6(a)所示。在正式加載過程中，先按開裂荷載計算值20%的級差由零加載至開裂荷載計算值80%，然后按開裂荷載計算值5%的級差繼續(xù)加載至開裂，期間時刻觀察是否有裂縫出現(xiàn)，在開裂后按極限荷載計算值5%的級差繼續(xù)加載至出現(xiàn)規(guī)范GB/T 50152—2012中規(guī)定的極限狀態(tài)檢驗標(biāo)志之一為止，每級持荷時間5min，觀測并記錄各項讀數(shù)。在彎剪段斜裂縫寬度達(dá)到1.5mm后，不再測量裂縫寬度直至試件破壞。

圖5 試驗測得的鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線

鋼筋材料參數(shù) 表3

圖6 疊合梁抗剪試驗加載實物圖及示意圖

梁上布置BX120-50AA型電阻應(yīng)變片，鋼筋上布置BX120-3AA型電阻應(yīng)變片，采集裝置采用DH3816N型靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)，位移計采用機(jī)械式百分表。梁上應(yīng)變片及位移計布置及編號見圖6(b)，鋼筋上應(yīng)變片見圖7。裂縫寬度測讀采用裂縫測寬儀，裂縫分布及發(fā)展記錄采用數(shù)碼攝像裝置。

圖7 疊合梁試件鋼筋應(yīng)變片布置示意圖

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗結(jié)果

(1)

(2)

圖8 試驗測得的試件荷載-跨中撓度(P-f)曲線

由表4和表5可知，疊合梁試件的開裂剪力和極限抗剪承載力試驗值均隨著疊合面缺陷區(qū)的增大而降低。相對于無缺陷試件PCB-RS130，試件PCB-RS130-D和PCB-RS180-D的開裂剪力分別降低了6.3%，37.5%；極限抗剪承載力分別降低了25.6%和39.5%。3根試件的開裂剪力實測值均小于式(1)的計算值，而缺陷區(qū)較大的試件PCB-RS180-D的極限抗剪承載力實測值小于式(2)的計算值。由試驗現(xiàn)象分析，在疊合面粘結(jié)不理想時，箍筋承受了大部分剪力且失去了與混凝土的協(xié)同作用，導(dǎo)致試件的極限抗剪承載力明顯被削弱。

開裂剪力試驗結(jié)果與規(guī)范公式計算值對比 表4

極限抗剪承載力試驗結(jié)果與規(guī)范公式計算值對比 表5

從圖8可以看出，彎剪段斜裂縫出現(xiàn)前，疊合面有無缺陷對疊合梁試件的剛度影響不大，但疊合面存在的缺陷越大，開裂剪力越?。恍绷芽p出現(xiàn)后，彎剪段疊合面缺陷較大的試件PCB-RS180-D剛度明顯降低，而無缺陷試件PCB-RS130和缺陷較小的試件PCB-RS130-D剛度下降較小。存在缺陷的2根試件在缺陷區(qū)疊合面出現(xiàn)滑移后，跨中撓度迅速增大，隨后缺陷區(qū)箍筋被拉斷，疊合梁出現(xiàn)斜截面破壞，試件PCB-RS180-D破壞前后變形如圖9所示。

圖9 試件PCB-RS180-D破壞前后變形

3.2 裂縫分布

圖10為試件PCB-RS130裂縫分布。試件在荷載加至60kN時，在跨中出現(xiàn)第一條豎向裂縫，同時，在純彎段出現(xiàn)從底部以45°延伸向加載點的斜裂縫，但自始至終在背面都沒有出現(xiàn)相應(yīng)的對稱裂縫且裂縫寬度也較小，故判斷此裂縫的出現(xiàn)是梁制作和運輸?shù)脑驅(qū)е碌膫€例，可忽略。在加載至160kN時，在右側(cè)彎剪段內(nèi)側(cè)出現(xiàn)第一條斜裂縫。在加載至200kN時，在左側(cè)彎剪段內(nèi)側(cè)出現(xiàn)斜裂縫，同時右側(cè)彎剪段外側(cè)出現(xiàn)斜裂縫；在此之后，純彎段豎向裂縫緩慢發(fā)展，彎剪段左右兩側(cè)的外側(cè)斜裂縫均成為了主斜裂縫，在沿疊合面延伸一小段后繼續(xù)以45°向加載點延伸。在加載至430kN時，彎剪段左側(cè)主斜裂縫寬度達(dá)到1.50mm，在主斜裂縫沿疊合面發(fā)展的一小段中疊合面出現(xiàn)微小滑移，其余疊合面外觀保持良好，沒有明顯開裂滑移，這說明有良好構(gòu)造措施的疊合梁疊合面在達(dá)到承載能力極限狀態(tài)時仍能保證大部分疊合面粘結(jié)良好。

圖10 試件PCB-RS130裂縫分布

圖11為試件PCB-RS130-D裂縫分布。試件同樣在荷載加至60kN時，在跨中出現(xiàn)第一條豎向裂縫。在加載至150kN時，在左右兩側(cè)彎剪段內(nèi)側(cè)均出現(xiàn)第一條斜裂縫，斜裂縫在出現(xiàn)后均逐漸沿45°向鄰近加載點延伸。但由于缺陷的存在，左側(cè)斜裂縫通過疊合面時恰好在缺陷內(nèi)邊緣，故無明顯的沿疊合面延伸，而是向粘結(jié)更差的缺陷段反向撕裂疊合面一小段后繼續(xù)以45°向加載點延伸；而右側(cè)第一條斜裂縫在延伸至接近疊合面后發(fā)展停滯。在加載至260kN時，在更外側(cè)出現(xiàn)第二條斜裂縫并迅速越過疊合面沿右側(cè)缺陷上表面延伸至內(nèi)邊緣后繼續(xù)以45°向加載點延伸。在加載至300kN時，左側(cè)彎剪段疊合面缺陷的外邊緣一角出現(xiàn)裂縫并迅速以45°向支座延伸，此時梁整體變形較小，左右兩側(cè)彎剪段斜裂縫基本呈現(xiàn)“幾”字形，最大主斜裂縫寬度約0.84mm，跨中撓度約6mm。在加載至320kN時，左側(cè)疊合面突然撕裂，主斜裂縫寬度急速增加并超過1.50mm，左側(cè)梁頂面拉裂，疊合梁達(dá)到承載能力極限。

圖11 試件PCB-RS130-D裂縫分布

圖12為試件PCB-RS180-D裂縫分布。試件在荷載加至80kN時，在跨中出現(xiàn)第一條豎向裂縫。但由于疊合面處的缺陷較大，第一條斜裂縫在加載至100kN時，在左側(cè)彎剪段出現(xiàn)并沿約60°向上延伸，同時缺陷外邊緣一角也出現(xiàn)斜裂縫并向下延伸，兩條斜裂縫在加載至120kN時交匯成為主斜裂縫，并在加載至160kN時越過疊合面沿缺陷上邊緣發(fā)展，在完全越過缺陷后以60°向加載點延伸；同時在右側(cè)未出現(xiàn)主斜裂縫的情況下在疊合面缺陷邊角處出現(xiàn)裂縫。在加載至200kN時，左側(cè)第二條斜裂縫在彎剪段內(nèi)側(cè)底部出現(xiàn)并沿45°向上延伸，同時右側(cè)疊合面出現(xiàn)較長的水平裂縫但沒有明顯滑移。在加載至240kN時，疊合梁左右兩側(cè)彎剪段上部均開始拉裂，此時梁整體變形依舊較小，左右兩側(cè)彎剪段斜裂縫基本呈現(xiàn)“幾”字形，最大斜裂縫寬度為1.10mm，跨中撓度7.40mm。在加載至260kN時，左側(cè)主斜裂縫寬度達(dá)到1.50mm，疊合面出現(xiàn)撕裂和滑移，但滑移量較小，主要出現(xiàn)在存在缺陷的區(qū)段。在加載至278kN時，疊合梁左側(cè)彎剪段疊合面突然撕裂、箍筋拉斷，試件破壞。

圖12 試件PCB-RS180-D裂縫分布

3.3 應(yīng)變發(fā)展

圖13為試件PCB-RS130截面混凝土應(yīng)變隨荷載的發(fā)展變化，另2根試件截面混凝土應(yīng)變發(fā)展無明顯區(qū)別，故此處不再論述。由圖可知：在裂縫出現(xiàn)以前，試件各測點應(yīng)變都非常??；在斜裂縫出現(xiàn)后，彎剪段部分應(yīng)變片由于斜裂縫通過而急劇增大，跨中段受拉和受壓區(qū)混凝土應(yīng)變增長均較穩(wěn)定，受裂縫發(fā)展的影響較小。

圖13 試件PCB-RS130截面混凝土應(yīng)變發(fā)展

圖14和圖15為2根有缺陷梁鋼筋應(yīng)變隨荷載的發(fā)展變化。由圖可知：彎剪段疊合面存在缺陷導(dǎo)致的疊合面水平開裂會使混凝土過早退出工作而由箍筋承擔(dān)主要拉應(yīng)力，最終均由于疊合面處箍筋拉斷而破壞；跨中截面縱向鋼筋應(yīng)變增長較為穩(wěn)定，均未達(dá)到屈服應(yīng)力。

圖14 試件PCB-RS130-D截面鋼筋應(yīng)變發(fā)展

圖15 試件PCB-RS180-D截面鋼筋應(yīng)變發(fā)展

4 結(jié)論

(1)疊合面粘結(jié)構(gòu)造良好的疊合梁試件表現(xiàn)出了剪壓破壞形態(tài)，整個加載過程中疊合面沒有出現(xiàn)明顯的滑移現(xiàn)象，斜裂縫僅沿疊合面水平開展一小段就繼續(xù)向加載點延伸。

(2)彎剪段疊合面存在缺陷的2根試件均只有1條主斜裂縫，此裂縫延伸至疊合面后沿水平開裂通過整個缺陷區(qū)段，之后在缺陷的另一端才出現(xiàn)第2條斜裂縫，最終彎剪段斜裂縫均呈現(xiàn)明顯的“幾”字形。

(3)彎剪段疊合面存在缺陷對試件的抗剪性能影響較大。與無缺陷疊合梁相比，2根帶缺陷試件的開裂剪力分別降低了6.3%和37.5%；極限抗剪承載力分別降低了25.6%和39.5%。

(4)3根疊合梁試件的開裂剪力均小于規(guī)范公式計算值；除缺陷較大的試件PCB-RS180-D外，另2根試件的極限抗剪承載力大于規(guī)范公式計算值。

(5)在斜裂縫出現(xiàn)之前，帶缺陷試件剛度與無缺陷試件差距較??；斜裂縫出現(xiàn)后，疊合面缺陷越大的試件，箍筋越早受力并率先發(fā)生屈服，試件剛度顯著下降。

(6)在臨近破壞時，疊合面存在缺陷的區(qū)段會出現(xiàn)1～2mm的滑移，但滑移并不會延伸到整個疊合面，僅延伸至鄰近的箍筋截面附近，說明通過疊合面的箍筋對疊合面滑移有明顯的抑制作用。