鄧鑫 李帥

(1.武漢市中心工程檢測(cè)有限公司，湖北 武漢 430014；2.武漢科技大學(xué)，湖北 武漢 430070)

工業(yè)化建筑實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展的有效途徑之一，就是發(fā)展預(yù)制裝配式。裝配式結(jié)構(gòu)除了具有不受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響的優(yōu)點(diǎn)，與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比，具有精度高，效率高，綠色環(huán)保，節(jié)省人力等優(yōu)點(diǎn)。疊合梁的研究是裝配式結(jié)構(gòu)的一部分，意義重大。

疊合梁是一種特殊的結(jié)構(gòu)，具有兩階段澆筑的特點(diǎn)，一部分預(yù)制構(gòu)件，一部分現(xiàn)澆。其中預(yù)知部分在工廠中制作，當(dāng)達(dá)到齡期后將其運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)裝配，再在其上澆搗現(xiàn)澆部分，當(dāng)現(xiàn)澆部分結(jié)硬后即形成了混凝土裝配整體式。本文針對(duì)裝配整體式結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷、破壞形態(tài)研究。因?yàn)橛捎陬A(yù)制構(gòu)件間、預(yù)制構(gòu)件與后澆混凝土間的接觸面存在接縫面，現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)存在著顯著的差別,目前現(xiàn)澆混凝土的研究成果不能復(fù)制過(guò)來(lái)，因此本文的研究具有重要意義。

我國(guó)在對(duì)疊合構(gòu)件的研究中[1]，對(duì)8根疊合梁和2根整澆梁進(jìn)行單調(diào)和反復(fù)加載，探究疊合面和斜截面受剪機(jī)理、影響因素和破壞形態(tài)，提出了受剪承載力公式，并首次納入我國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/J 10—1989)，并且沿用志今。文獻(xiàn)[2]的研究表明：采用現(xiàn)澆梁的公式，可以求出鋼筋混凝土疊合梁的正截面抗彎承載力。

楊云俊，薛偉辰[3]對(duì)兩種新型一次受力的混凝土疊合梁進(jìn)行試驗(yàn)，該疊合梁是T形梁，由預(yù)制梁、預(yù)制板及現(xiàn)澆層組成，結(jié)果表明：①和整澆梁相比，疊合梁具有相似的裂縫分布及破壞形態(tài)；②疊合層在受壓區(qū)時(shí)，疊合梁比整澆梁承載力稍低，延性比整澆梁稍好一些；③疊合梁的承載力和延性在疊合層位于受拉區(qū)時(shí)與整澆梁十分接近；④由于極限狀態(tài)下梁內(nèi)部分受拉鋼筋進(jìn)入強(qiáng)化階段，疊合梁與整澆梁的承載力計(jì)算值均只有試驗(yàn)值的0.43～0.62倍；⑤試驗(yàn)實(shí)測(cè)疊合梁新舊混凝土間最大滑移值小于0.13mm，試件設(shè)計(jì)采取的疊合面構(gòu)造措施有效。并在展望中提出一些特殊截面和連接方式的新型混凝土疊合梁的開(kāi)發(fā)，這種疊合梁的受力性能和設(shè)計(jì)方法在低周反復(fù)荷載作用下的研究將成為未來(lái)探索的重點(diǎn)，不同材料的混凝土和鋼筋都是未來(lái)重要的方向。

張毅，江道鐠等[4]試驗(yàn)表明：不管再生骨料取代率是多少，有些再生混凝土T形截面疊合試驗(yàn)梁的受力變形過(guò)程和極限破壞形態(tài)是與普通混凝土試驗(yàn)梁相似的；各部分再生混凝土T形截面疊合試驗(yàn)梁受荷過(guò)程中產(chǎn)生裂縫和發(fā)展變化的規(guī)律在再生骨料取代率增加的情況下基本一致；各部分再生混凝土T形截面疊合試驗(yàn)梁實(shí)測(cè)的開(kāi)裂荷載和極限承載力隨再生骨料取代率的增加而略有降低；部分再生混凝土T形截面疊合試驗(yàn)梁的受彎構(gòu)件承載力計(jì)算仍然適用于現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)的公式；各試驗(yàn)梁的撓度隨荷載變化的規(guī)律基本相似，其速率和幅度隨再生骨料取代率的提高而提高，但極限撓度值不會(huì)發(fā)生太大的變化。隨后，張毅[5]使用標(biāo)號(hào)為C30的再生混凝土對(duì)普通C30的梁進(jìn)行疊合，試驗(yàn)中，混凝土澆筑的翼緣與普通混凝土澆筑的腹板之間的疊合面沒(méi)有發(fā)生錯(cuò)動(dòng)滑移的現(xiàn)象，由于澆筑翼緣的混凝土中再生骨料的取代率不同，體現(xiàn)了再生混凝土疊合梁良好的整體工作性能；再生混凝土疊合梁開(kāi)裂荷載采用GB 50010—2010計(jì)算，雖然符合正常使用要求，但由于計(jì)算結(jié)果過(guò)于保守，需要進(jìn)一步研究確定更為合理的計(jì)算方式。

李衛(wèi)衛(wèi)，高榮譽(yù)[6]運(yùn)用ANSYS對(duì)疊合梁的撓度進(jìn)行模擬。在擬合出疊合參數(shù)αh、αM和預(yù)制部分及疊合部分混凝土強(qiáng)度對(duì)疊合梁撓度值的關(guān)系式后，得出疊合梁在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中一定要注意預(yù)制部分高度不能過(guò)低，一般取在0.55～0.6，一階段荷載也不能過(guò)大，這兩種情況主要是防止一階段撓度過(guò)大影響后期疊合梁的正常使用，再者就是疊合梁新舊混凝土盡量避免采用同等級(jí)的，因?yàn)椴还苁抢碚撨€是模擬結(jié)果都告訴我們，當(dāng)采用同等級(jí)混凝土?xí)r，疊合梁的撓度都比較大，同時(shí)為了防止疊合梁一階段撓度值過(guò)大，所以盡量要用高強(qiáng)度混凝土在預(yù)制部分進(jìn)行施工。

目前，疊合梁的研究還存在相關(guān)問(wèn)題：①目前大多數(shù)疊合梁研究中是針對(duì)矩形梁的，實(shí)際現(xiàn)澆板與預(yù)制梁之間的協(xié)同工作和損傷破壞機(jī)理尚不清楚；②在實(shí)際試驗(yàn)中，疊合梁與現(xiàn)澆梁存在的差異和現(xiàn)有影響因素的具體表現(xiàn)是什么；③提升配箍率對(duì)常規(guī)材料下的混凝土疊合梁有無(wú)提升空間。本文將對(duì)疊合梁與現(xiàn)澆梁在傳統(tǒng)疊合形式下的協(xié)同工作與破壞機(jī)理進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 構(gòu)件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)按照1∶2的縮尺比例，設(shè)計(jì)3個(gè)構(gòu)件，具體情況見(jiàn)表1。混凝土的配合比設(shè)計(jì)參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為 C30。三個(gè)構(gòu)件的長(zhǎng)度均為2300mm(見(jiàn)圖 1)，其中CB-1和CB-2為傳統(tǒng)混凝土疊合梁，CB-0為現(xiàn)澆對(duì)比構(gòu)件。

表1 試件明細(xì)表

圖1 疊合構(gòu)件尺寸

1.2 構(gòu)件制作

1)首先制作疊合梁預(yù)制部分，后在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)14d[7]，將預(yù)制梁接觸面進(jìn)行鑿毛處理，提高粘結(jié)強(qiáng)度，疊合時(shí)將疊合面清洗干凈，待清除水漬后，再綁扎板內(nèi)鋼筋，支承模板，最后澆筑混凝土，養(yǎng)護(hù)28d。

2)現(xiàn)澆部分直接綁扎梁板內(nèi)鋼筋后統(tǒng)一澆筑，同樣養(yǎng)護(hù)28d。表2和表3分別為鋼筋及混凝土的實(shí)測(cè)力學(xué)指標(biāo)。

表2 鋼筋實(shí)測(cè)力學(xué)指標(biāo)

表3 混凝土實(shí)測(cè)力學(xué)指標(biāo)

1.3 加載方案

本實(shí)驗(yàn)采用長(zhǎng)駐壓力機(jī)(YAM-2000F)為加載儀器，采用兩端簡(jiǎn)支的方式。儀器加載時(shí)，調(diào)試儀器使其與分配梁接觸后，保壓值設(shè)置20KN，每5KN為一級(jí)，依次加載，自動(dòng)記錄位移、力和變形的情況。使用BZ2205C靜態(tài)應(yīng)變儀，以2s為時(shí)間間隔連續(xù)采集記錄應(yīng)變值。每級(jí)加載過(guò)程中采用裂縫寬度觀測(cè)儀對(duì)裂縫進(jìn)行捕捉測(cè)量。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與分析

2.1 破壞形態(tài)

在單調(diào)荷載的作用下，適筋梁的破壞特點(diǎn)均適用于試驗(yàn)所用的3個(gè)構(gòu)件的破壞形態(tài)。首先構(gòu)件梁底的鋼筋先屈服，隨著中和軸的上升進(jìn)入加強(qiáng)階段，構(gòu)件處在大變形時(shí)鋼筋完全滑移，最終板頂?shù)幕炷岭S著承載力下降被壓碎。

CB-0首先在純彎段出現(xiàn)裂縫，其寬度均小于0.01mm，隨后裂縫出現(xiàn)在彎剪段，并隨支承端推移，此時(shí)裂縫均為新增裂縫并未增大，剛度下降之后彎剪部分開(kāi)始出現(xiàn)斜向裂縫，并且擴(kuò)展延伸，在梁底鋼筋達(dá)到屈服之后，裂縫開(kāi)始貫通，且最大裂縫寬度超過(guò)0.15mm，在破壞時(shí)承載力極速下降，梁腹彎剪段有輕微鼓出，伴隨混凝土大塊剝離，板上受力部分出現(xiàn)橫向裂縫，板底開(kāi)裂板頂破碎(見(jiàn)圖2，圖3)，梁底裂縫超過(guò)8mm。

圖2 混凝土鼓出剝離 圖3 混凝土被壓碎

CB-1在彎剪段出現(xiàn)第一條寬度為0.06mm的裂縫之后便迅速向上延伸，并且極易延伸至梁板接觸面，同時(shí)有多條平行45°的裂縫從支座段向受力處延伸，屈服時(shí)最大裂縫寬度達(dá)到1.09mm，屈服后在純彎段由于荷載增加而產(chǎn)生的裂縫有50%以上已經(jīng)從板底向板頂延伸，并與主裂縫貫通，在承載力下降之后，板頂混凝土開(kāi)始剝離，板變形嚴(yán)重兩端開(kāi)始翹曲，后澆接觸面顯現(xiàn)，板底混凝土掉落，破壞形態(tài)屬于剪切破壞中的斜拉破壞(見(jiàn)圖4，圖5)。同其他兩個(gè)構(gòu)件相比，裂縫總條數(shù)最少，并且寬度最大。

圖4 剪切段主裂縫 圖5 接觸面錯(cuò)開(kāi)

CB-2在純彎段首次出現(xiàn)0.04mm寬的裂縫，并且向上延伸，隨后在彎剪段出現(xiàn)裂縫，純彎段的裂縫延伸至板梁接觸面便不再延伸，同時(shí)寬度也不再增加，此時(shí)開(kāi)始逐漸出現(xiàn)新裂縫，裂縫總條數(shù)是遠(yuǎn)多于CB-0與CB-1的。在梁底鋼筋屈服后，裂縫極速增大到0.58mm，此時(shí)剛度降低加快，在達(dá)到峰值荷載下未馬上出現(xiàn)下降，此時(shí)位移卻不斷增大，板底混凝土與鋼筋逐漸從受壓變?yōu)槭芾?，此時(shí)梁底鋼筋已經(jīng)滑移嚴(yán)重，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，裂縫最大寬度達(dá)到6mm，極限位移達(dá)到8cm。翼板與腹板之間并未產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，具有良好的工作性能。

2.2 承載力分析

從骨架曲線(圖6)可以看出，屈服前三個(gè)構(gòu)件的承載力相近，屈服前試驗(yàn)梁處于彈性階段，尤其是CB-2與CB-1骨架曲線基本上是一致的，CB-1與CB-2的屈服荷載分別降低22.4%和21.4%，而極限荷載分別降低了22.1%和21.0%，這是因?yàn)榀B合梁“應(yīng)力超前”現(xiàn)象存在。屈服和極限提前，僅增加箍筋，并不能使屈服荷載和極限荷載提高，對(duì)之前的疊合梁承載力影響因素進(jìn)行了補(bǔ)充研究[6-8]。從圖7、圖8中看出CB-1前期剛度小于CB-2，CB-2增加了前期剛度，但前期剛度仍遠(yuǎn)小于CB-1，并且但是在梁底鋼筋屈服以后表現(xiàn)為剛度迅速下降與CB-1重合，從而進(jìn)入大變形階段，疊合梁與現(xiàn)澆梁的差異性在變形上存在大的差異。CB-2與CB-1在承載方面的不同體現(xiàn)也在延性上面(表4)，提高箍筋能增大極限位移和位移延性系數(shù)，并且最大位移(失效位移)也有所提高，提高箍筋能提高疊合梁的延性是可以預(yù)見(jiàn)的，并且是對(duì)抗震是有利的。CB-2增加箍筋后，盡管剛度仍然比現(xiàn)澆梁CB-0小，但是屈服前的剛度與CB-1相比要大，有利于控制變形。如果能解決“應(yīng)力超前”的問(wèn)題，那么就可以提高強(qiáng)度和抗變形能力。

圖6 骨架曲線

圖7 跨中撓度-荷載曲線

圖8 跨中撓度—?jiǎng)偠韧嘶?/p>

表4 構(gòu)件延性與變形

2.3 裂縫分析

圖9，表5反映了在荷載作用下試驗(yàn)梁最大裂縫的發(fā)展規(guī)律，可以將試驗(yàn)梁的主裂縫寬度分為穩(wěn)定發(fā)展和極速擴(kuò)張階段：裂縫在鋼筋屈服前發(fā)展穩(wěn)定，裂縫在鋼筋屈服后極速擴(kuò)張。同CB-0相比，CB-1和CB-2都提前開(kāi)裂，開(kāi)裂荷載和正常使用階段開(kāi)裂的荷載隨著箍筋的增加分別提高9.1%和8.7%，兩個(gè)階段的荷載仍然接近，屈服后CB-2和CB-0裂縫最大寬度發(fā)展趨同，提高箍筋可以高抗裂性，對(duì)正常使用極限狀態(tài)有利。

圖9 荷載-最大裂縫寬度曲線

表5 承載力特征值

2.4 箍筋應(yīng)變分析

本文從CB-1測(cè)量的數(shù)據(jù)出發(fā)，箍筋的應(yīng)變片分布見(jiàn)圖10及圖11。

圖10 CB-1箍筋應(yīng)變片分布圖

圖11 箍筋上應(yīng)變片分布圖

CB-1的裂縫出現(xiàn)位置為：先純彎段后彎剪段，一旦出現(xiàn)便產(chǎn)生貫穿縱橫裂縫，從圖12可見(jiàn)：CB-1中同一個(gè)箍筋，不同位置的應(yīng)變有區(qū)別，荷載作用較小的前期中部應(yīng)變和下部應(yīng)變接近，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)低于下部應(yīng)變，箍筋底部先于縱筋屈服，隨著箍筋下部屈服，主裂縫急劇擴(kuò)展同箍筋垂直面產(chǎn)生交叉，裂縫在中部箍筋和上部鋼筋依次屈服后分別穿過(guò)屈服箍筋。

圖12 CB-1中1號(hào)箍筋荷載應(yīng)變曲線

從圖13可見(jiàn)：梁內(nèi)箍筋中部應(yīng)變隨縱筋的屈服劇增，CB-2應(yīng)變小于CB-1，即使在縱筋屈服后箍筋中部始終未屈服，使得屈服面中不會(huì)出現(xiàn)斜向的裂縫穿過(guò)，裂縫更傾向豎向發(fā)展。由于箍筋上部不屈服，導(dǎo)致垂直裂縫在到達(dá)梁板交界面后梁板接觸面不產(chǎn)生水平開(kāi)裂。與CB-1相比，CB-2垂直裂縫的條數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者，裂縫的最大寬度得以減小而且分布均勻，從而降低了梁的損傷破壞程度。同CB-0相比，CB-2中同位置的箍筋應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)更快，因而發(fā)生剪切破壞的幾率更大，也說(shuō)明了增大配箍率的方法在疊合梁的設(shè)計(jì)中是必要的。

圖13 1號(hào)箍筋中部應(yīng)變片的荷載應(yīng)變曲線

3 結(jié)語(yǔ)

1)與現(xiàn)澆梁相比，同等配筋率下的疊合梁更容易發(fā)生剪切破壞和承載力與剛度下降，其中屈服荷載降低22.1%，最大荷載降低22.4%，“粘結(jié)性”的不足是疊合面開(kāi)裂的原因。

2)提高疊合梁配箍率雖然不能提高屈服荷載和最大荷載，尤其極大提高延性，使得裂縫分；布更加均勻，從而減小最大裂縫寬度，鋼筋屈服后開(kāi)裂破壞情況同現(xiàn)澆梁，疊合面未開(kāi)裂，具有強(qiáng)“粘結(jié)性”，減少損傷破壞程度，但是前期剛度卻遠(yuǎn)小于現(xiàn)澆梁，并且在梁底鋼筋屈服以后剛度急劇下降，進(jìn)入“大變形”階段，如何提高疊合梁剛度對(duì)于其設(shè)計(jì)使用有重要的影響。