王光新 （中國(guó)建筑第二工程局有限公司華東分公司，上海 200135）

0 前言

預(yù)制TRC外殼-核心現(xiàn)澆角鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)中，預(yù)制外殼和角鋼混凝土在加載受力時(shí)可協(xié)同工作，改善了結(jié)構(gòu)的整體性能，具有施工速度快，抗裂性好，承載力強(qiáng)，耐久性高，節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)[1]。隨著我國(guó)預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，這種新型組合結(jié)構(gòu)將會(huì)在高層、超高層建筑及橋梁等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。

預(yù)制外殼亦稱作永久性模板，由于選用不同材料制成，其性能也各不相同[2]。預(yù)制外殼可以在廠里加工生產(chǎn)，其質(zhì)量可以得到保證。在工程運(yùn)用中，可簡(jiǎn)化施工流程，提高施工效率，并已在實(shí)際案例中取得不錯(cuò)的表現(xiàn)[3]。對(duì)其復(fù)合板力學(xué)性能的研究表明，與普通混凝土相比，其抗彎強(qiáng)度和韌性均大幅提升，證明該復(fù)合材料可運(yùn)用于建筑領(lǐng)域。2010年，荀勇和支正東等學(xué)者提出采用TRC薄板加固RC梁的方法，通過(guò)對(duì)試件裂縫開(kāi)展情況，最終破壞形式及荷載-撓度曲線等分析，結(jié)果表明，用TRC薄板來(lái)加固，能有效提高RC梁的抗彎性能[4]。

TRC薄板在結(jié)構(gòu)澆筑時(shí)可承受施工荷載，待其凝固成型后，組成一個(gè)整體，協(xié)同工作，共同受力，提升了結(jié)構(gòu)的抗裂性、耐久性和承載力等。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)將預(yù)制TRC外殼與角鋼混凝土組合成新型結(jié)構(gòu)的研究較少。因此，本文對(duì)該型預(yù)制TRC外殼-核心現(xiàn)澆角鋼混凝土短柱進(jìn)行了軸壓研究，旨在為該類型柱在實(shí)際設(shè)計(jì)中提供一定的參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)短柱共設(shè)計(jì)了6組，每組2個(gè)，總計(jì)12個(gè)短柱試件。考慮到工程應(yīng)用及試驗(yàn)的可行性，短柱試件的主要參數(shù)包括試件名稱、試件高度、截面尺寸、骨架類型、箍筋間距等，具體如表1所示。

試件參數(shù) 表1

整澆短柱試件采用傳統(tǒng)的澆筑方法，疊澆短柱試件采用4塊相互獨(dú)立的預(yù)制薄板，將骨架垂直放入其中，并通過(guò)使用上下左右8根直徑為6mm的對(duì)拉螺栓進(jìn)行固定薄板，用磷酸鎂水泥抹在薄板的拼縫處。為了防止在澆筑過(guò)程中漏漿，同時(shí)向其內(nèi)部澆筑混凝土，待其凝固后刷白劃線，見(jiàn)圖1、圖2所示。

圖1 整澆短柱試件

圖2 疊合短柱試件

1.2 試件制作及材料性能試驗(yàn)

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)預(yù)制TRC薄板強(qiáng)度等級(jí)為C45，板厚為15mm，核心混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30；鋼筋均選用型號(hào)為HPB300熱軋光圓鋼筋，分別采用Φ12的主筋和Φ6的箍筋通過(guò)扎絲綁扎成鋼筋籠；角鋼∠20×3，綴板的寬度為9.5mm，厚度為3mm，鋼板均采用Q235，用焊條將角鋼和綴板焊接在一起組成鋼構(gòu)架。并對(duì)其進(jìn)行材性試驗(yàn)，測(cè)得結(jié)果見(jiàn)表2、表3、表4、表5所示。

混凝土按不同齡期進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試 表2

鋼筋的力學(xué)性能 表3

型鋼的力學(xué)性能 表4

纖維束抗拉試驗(yàn)結(jié)果實(shí)測(cè)值 表5

2 加載方案及數(shù)據(jù)采集

2.1 加載方案

本次短柱軸壓性能試驗(yàn)所采用的儀器為微機(jī)控制電液壓力試驗(yàn)機(jī)（YAW-3000），其最大實(shí)驗(yàn)力為3000kN，測(cè)量范圍是120kN～3000kN，精度為一級(jí)。本次試驗(yàn)采用位移加載，其速率為0.1mm/s，試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)電腦來(lái)采集數(shù)據(jù)，當(dāng)荷載值達(dá)到峰值后開(kāi)始下降時(shí)，視為試件破壞，峰值為極限荷載值，然后繼續(xù)加載一段時(shí)間，最后停止加載。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)裝置如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置圖

2.2 數(shù)據(jù)采集

加載過(guò)程中對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集如下。

①通過(guò)控制壓力機(jī)的電腦來(lái)對(duì)荷載變化曲線及最大荷載值進(jìn)行采集；

②對(duì)短柱試件內(nèi)部的縱筋和箍筋進(jìn)行應(yīng)變采集；

③對(duì)試件表面進(jìn)行應(yīng)變采集；

④通過(guò)位移計(jì)進(jìn)行位移采集；

⑤通過(guò)力傳感器，對(duì)試驗(yàn)機(jī)施加的荷載進(jìn)行定時(shí)采集。

2.3 試件表面應(yīng)變片的粘貼

選用相鄰的兩個(gè)面，并在混凝土表面中部的位置，分別粘貼上橫向應(yīng)變片和縱向應(yīng)變片，正面成T字型，側(cè)面成倒T字型。粘貼前將相應(yīng)位置用砂紙打磨，然后用502膠水將其粘在打磨好的位置，并用塑料薄膜通過(guò)手指輕壓在混凝土應(yīng)變片表面，使其與試件表面緊密接觸。試件上混凝土應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)位置，具體如圖4所示。

圖4 混凝土應(yīng)變片粘貼位置

2.4 鋼筋籠中縱向鋼筋及橫向箍筋的應(yīng)變片粘貼

在縱向鋼筋中部的位置及相近的箍筋上粘貼鋼筋應(yīng)變片，還有在縱向鋼筋的四分之一處粘貼應(yīng)變片。粘貼前，將其打磨并用無(wú)水乙醇擦拭，最后將鋼筋應(yīng)變片粘貼到相應(yīng)位置。7支箍試件的鋼筋應(yīng)變片粘貼，具體位置如圖5（a）所示，9支箍試件的鋼筋應(yīng)變片粘貼，如圖5（b）所示。因其與鋼構(gòu)架上應(yīng)變片位置粘貼相同，故不再重復(fù)介紹。

圖5 鋼筋應(yīng)變片粘貼位置

3 結(jié)果及其分析

試件在加載過(guò)程中，部分試件破壞現(xiàn)象非常相似，據(jù)此可分為3類，選取其破壞現(xiàn)象具有代表性的試驗(yàn)柱進(jìn)行詳細(xì)描述。

現(xiàn)澆鋼筋混凝土短柱。以試件Z-7為例進(jìn)行描述，試驗(yàn)柱在加載過(guò)程中，所施加的荷載值小于587kN時(shí)，試驗(yàn)柱表面尚未出現(xiàn)開(kāi)裂等破壞現(xiàn)象，此時(shí)短柱試件處于彈性階段。當(dāng)試驗(yàn)柱加載到587kN時(shí)，混凝土表面開(kāi)始出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，為裂縫的生成階段。當(dāng)繼續(xù)加載時(shí)，裂紋不斷延伸變寬，同時(shí)出現(xiàn)新的裂紋，此時(shí)為裂縫的發(fā)展擴(kuò)大階段。當(dāng)力加載到極限荷載時(shí)，裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，并出現(xiàn)數(shù)條縱向裂紋，伴隨著混凝土短柱發(fā)生劈裂的聲響，混凝土被壓碎，此時(shí)為裂縫繼續(xù)開(kāi)展階段。對(duì)試驗(yàn)柱繼續(xù)施力時(shí)，短柱承載力急速降低，柱中部向外明顯凸起，呈倒錐形破壞，是典型的短柱軸壓破壞現(xiàn)象。最終破壞，如圖6所示。

圖6 Z-7短柱試件破壞

現(xiàn)澆角鋼混凝土短柱。以試件J-7為例進(jìn)行描述，試驗(yàn)柱在加載過(guò)程中，所施加荷載值小于618kN時(shí)，試驗(yàn)柱沒(méi)有出現(xiàn)裂紋。當(dāng)加載到618kN時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，裂紋最早出現(xiàn)在靠近柱角的地方。隨著荷載值的不斷增加，裂縫不斷向下延伸，附近并出現(xiàn)新的裂縫。當(dāng)荷載臨近極限荷載時(shí)，裂縫寬度明顯加大，并發(fā)出混凝土被壓碎的聲音。當(dāng)試驗(yàn)柱達(dá)到極限荷載時(shí)，裂縫加寬，小部分混凝土脫落，與同類型鋼筋混凝土柱相比，角鋼混凝土柱的承載力有明顯提升。繼續(xù)施加荷載，試驗(yàn)柱的承載力開(kāi)始降低，并發(fā)出較大聲響，此刻為了確保試驗(yàn)安全，停止繼續(xù)加載。具體破壞現(xiàn)象如圖7所示。

圖7 J-7短柱試件破壞

預(yù)制TRC外殼核心現(xiàn)澆角鋼混凝土組合短柱。箍筋數(shù)為7預(yù)制TRC外殼核心現(xiàn)澆角鋼混凝土短柱在加載過(guò)程中，首先裂縫出現(xiàn)在永久性模板的拼接處，并沿著縱向，從柱頭向柱底逐漸延伸。隨著荷載持續(xù)增加，逐漸出現(xiàn)有一條貫穿對(duì)拉螺栓位置的斜裂縫，永久性模板中間部位也逐漸出現(xiàn)一條縱向裂縫。當(dāng)荷載加載到試驗(yàn)柱承載力的極限值時(shí)，永久性模板表明出現(xiàn)多條寬度明顯的縱向裂縫，與現(xiàn)澆鋼筋混凝土相比，該試驗(yàn)柱的極限承載力有較大提升。當(dāng)施加荷載繼續(xù)增加，永久性模板中間部位發(fā)生明顯向外凸起的現(xiàn)象。具體試驗(yàn)現(xiàn)象如圖8所示。

圖8 TRC-7土短柱破壞

由表6可知，在箍筋間距相同的條件下，預(yù)制TRC外殼核心現(xiàn)澆角鋼混凝土試驗(yàn)柱與整澆試驗(yàn)柱相比，在開(kāi)裂荷載與極限荷載方面，提升幅度最大。例如，編號(hào)為T(mén)RC-7的試驗(yàn)柱與現(xiàn)澆鋼筋混凝土柱相比，開(kāi)裂荷載提升了15.16%，極限荷載提升了19.45%，結(jié)合圖6～圖8所示。其主要原因是使用預(yù)制TRC外殼疊澆的短柱試件中，永久性模板內(nèi)加入了織物增強(qiáng)纖維新型復(fù)合材料，彌補(bǔ)了混凝土脆性破壞的特點(diǎn)，并提升其抗拉強(qiáng)度，增加永久性模板的抗裂性。同時(shí)，永久性模板為先前預(yù)制構(gòu)件，薄板強(qiáng)度要高于核心混凝土強(qiáng)度，在澆筑時(shí)能很好的形成一個(gè)整體，在軸壓過(guò)程中，薄板作為整體的一部分，參與工作，協(xié)同受力，有效地提升了試件的開(kāi)裂荷載與極限荷載。

根據(jù)表6中第四列數(shù)據(jù)可知，在相同箍筋間距的條件下，使用鋼構(gòu)架澆筑而成短柱試件，不管是現(xiàn)澆角鋼混凝土短柱試件還是預(yù)制TRC外殼核心現(xiàn)澆角鋼混凝土組合短柱試件，其承載能力都比用鋼筋籠整澆而成的鋼筋混凝土短柱試件要好。其開(kāi)裂荷載和極限荷載比同類型整澆的鋼筋混凝土短柱試件有不同幅度的提升。結(jié)果表明，角鋼的剛度及材料的彈性模量等均優(yōu)于鋼筋，并且通過(guò)電焊，將角鋼和鋼板條焊接在一起，其骨架的整體性能也要優(yōu)于鋼筋籠，這些因素對(duì)核心混凝土有較好的約束作用，能有效提升由鋼構(gòu)架澆筑而成的短柱試件的承載力性能。

試件平均開(kāi)裂荷載與極限荷載表 表6

通過(guò)圖9（a）、（b）觀察可知，整澆試件其軸向和橫向?qū)?yīng)的荷載—應(yīng)變曲線均近似是一條斜直線，基本呈現(xiàn)對(duì)稱變化，發(fā)生這一現(xiàn)象的主要原因是整澆試件中的混凝土內(nèi)外材質(zhì)一樣，質(zhì)地比較均勻，軸向與橫向變化基本一致。而用預(yù)制TRC外殼疊澆的短柱試件，其對(duì)稱性明顯不如整澆的短柱試件，這是因?yàn)轭A(yù)制薄板與核心混凝土強(qiáng)度、混凝土材質(zhì)不同以及試件的澆筑方式等因素，使短柱試件在加載過(guò)程中受到不同的約束作用所致。

圖9 試件荷載—主筋應(yīng)變圖

根據(jù)圖10可知，在短柱試件加載開(kāi)始階段，各試驗(yàn)柱的荷載—應(yīng)變曲線變化差距不大。但隨著施加荷載值不斷增加，采用永久性模板的疊合澆筑短柱試件與整澆短柱試件相比，其相應(yīng)曲線的離散性逐漸變大，直至試驗(yàn)結(jié)束，各對(duì)比短柱試件曲線的離散程度達(dá)到最大。這主要原因是加載前期，各試件處于彈性變形階段，預(yù)制TRC薄板疊澆的試驗(yàn)柱內(nèi)部核心混凝土發(fā)生單軸壓縮變形，而永久性模板并未正式開(kāi)始工作，但隨著加載值不斷變大，短柱腰間混凝土產(chǎn)生較大變形，永久性模板開(kāi)始工作，對(duì)核心混凝土表面產(chǎn)生一定的約束作用，導(dǎo)致永久性模板疊合澆筑的短柱試件與整澆試件的荷載—應(yīng)變曲線的離散程度較大。

圖10 試件荷載—混凝土應(yīng)變曲線

由圖11可知，通過(guò)試件荷載—時(shí)間變形曲線，在短柱試件達(dá)到極限承載力時(shí)繼續(xù)對(duì)其加載，即試件破壞之后，預(yù)制TRC外殼疊澆的試件與其他試件相比，其承載力下降速度最為緩慢，故其延性最好。主要是由于TRC薄板改善了試件的整體性能，增強(qiáng)試件的延性。

圖11 試件荷載—時(shí)間變化曲線

4 結(jié)論

①預(yù)制TRC薄板，不僅可作為傳統(tǒng)模板來(lái)使用，能承受施工荷載，還能在一定程度上提高短柱試件的承載力，同時(shí)也完善了試件的抗裂性和延性等。

②鋼構(gòu)架澆筑的短柱試件與鋼筋混凝土短柱試件相比，由于角鋼的剛度大，對(duì)核心混凝土約束作用大所以其承載力更優(yōu)。

③隨著綴板間距的減小，逐漸提升了角鋼對(duì)核心混凝土的約束性能，增加試件的承載力。反之，綴板間距變大，其承載力降低。

④利用ABAQUS軟件對(duì)12根短柱試件進(jìn)行有限元模擬分析，得出的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符，說(shuō)明本文的模型建立、材料參數(shù)及加載方式都是合理的。

⑤根據(jù)短柱試件的受力機(jī)理，考慮到套箍作用和間距影響系數(shù)以及預(yù)制薄板對(duì)試件承載力的影響，建立預(yù)制TRC外殼—核心現(xiàn)澆角鋼混凝土軸壓短柱承載力的簡(jiǎn)化計(jì)算公式，為該類型柱在實(shí)際工程運(yùn)用中提供一定的理論依據(jù)。