鋼筋搭接保溫承重混凝土梁的受彎性能實驗研究

吳桂昌

(漯河經濟技術開發區建設和環境保護局，河南 漯河 462000)

為響應國家對建筑材料的節能發展政策，需要加快設計具備高力學強度以及安全、可靠的建筑材料，考慮到混凝土已經成為當前用量最大的一類建筑材料，因此需要積極推進開發性能更優的混凝土材料[1-5]。在保溫承重混凝土中添加鋼筋配件可以同時改善混凝土的承重性，其密度只有2 000 kg/m3左右，同時能夠達到C40的強度，具備良好的耐火特性，這使其成為一種重要的綠色建筑材料。梁屬于鋼筋混凝土中的延性耗能結構，其實際延性耗能效果受到梁破壞方式的顯著影響，同時截面的結構及其配筋數也和破壞形態之間存在緊密關聯[1-4]。其中，梁截面上壓力作用區域所在的位置及其截面剪壓比度等都會對梁的破壞過程造成顯著影響[5-9]。考慮到現階段還沒有相關文獻報道關于承重保溫混凝土結構在地震條件下的承受能力，因此還需對其進一步開展抗震性方面的力學測試與研究。本文主要研究了不同鋼筋尺寸與截面高度條件下的混凝土保溫承重墻破壞形式，設計了不同的對比測試方案來研究本文混凝土梁與普通混凝土梁之間的結構與力學性能差異，探討了不同因素對混凝土梁參數指標的影響。

1 受彎性能試驗

本文共制備5根受彎梁樣品，包含1根普通混凝土梁(BL1)、4根保溫承重混凝土梁(GBL)，將上述試樣分成3組分別進行測試：第一組是玻化微珠保溫土梁與普通混凝土梁；第二組是由不同截面高度組成的保溫承重混凝土梁；第三組是不同受拉鋼筋尺寸的保溫承重混凝土梁。

測試所用混凝土強度級別是C35，梁的高度依次是265 mm、300 mm、365 mm 與430 mm，跨長與凈跨分別是3.4 m與3.0 m。表1給出了5種試樣梁的結構尺寸，根據圖1對其進行配筋設計，配筋后的總體尺寸為280 mm×280 mm×3 500 mm。

表1 試樣梁的結構尺寸

圖1 配筋示意圖

本文選擇5 000 kN電子伺服長柱壓力測試機對鋼筋混凝土梁進行性能測試，梁采用對稱形式通過分配梁對構件進行兩點加載[10-12]。從圖2中可以看到加載裝置的具體結構，測試時使2個集中載荷之間產生具有相等彎矩的純彎段。先采用10 kN載荷對混凝土梁實施預加載，確保各個儀表能夠正常工作。在測試過程中采用分級加載的形式，在梁開裂前都按照5 kN一級的方式增大載荷，當梁體接近屈服點時將載荷的增大幅度降低為2.5 kN，之后重新采用5 kN一級的方式進行加載，當梁體快到達極限載荷的時候，將載荷增大幅度降低為2.5 kN進行加載直至測試構件失效為止。為了測試梁跨中區域的彎曲程度，按照100 mm標距貼上5片測試應變的電阻片以測定混凝土梁應變。

圖2 受彎梁加載裝置圖

2 結果分析

2.1 破壞形式

保溫承重混凝土梁產生開裂現象之前載荷-撓度曲線是一條直線，截面部位受力情況表現為線彈性特征[11-12]。此時梁截面具有較大的抗彎剛度，而截面曲率與擾度都較小，同時梁結構的內部只產生很小的鋼筋應力。當梁體結構的縱向受拉鋼筋快到達屈服點時，梁體中不會形成新的裂縫，這種情況下位于加載區域旁邊的混凝土將不再處于受力狀態。應力將在混凝土和鋼筋內部重新分配，此時受拉鋼筋將承擔混凝土開裂前的外部拉力。表2給出了試件各階段的特征破壞載荷及特征破壞位移。表中Fc，Fy，Fp分別表示長度、寬度和高度的破壞載荷，δc，δy，δp分別表示長度、寬度和高度的破壞位移。

表2 試件各階段的特征破壞載荷及特征破壞位移

根據表2可知，梁體的中性軸發生了上移，同時截面的抗彎強度下降，并引起載荷-撓度曲線顯著變化。進一步增大載荷后，鋼筋受到的拉應力與梁撓度都會隨之增加，并且裂縫寬度也不斷增加，使受彎梁產生較大的彈性變形。當受拉鋼筋快到達屈服點時，將會產生明顯的應變，同時裂縫也會快速延展，使受彎梁的中性軸出現明顯上移，當加載區的高度降低后混凝土壓應力與壓應變都會迅速升高，使梁產生更顯著塑性變化。當受拉鋼筋到達屈服點時，保溫承重混凝土梁將會產生顯著塑性變形，并且當載荷增加后，混凝土的裂縫將發生快速伸長，同時寬度增大約0.8 mm，從而降低了混凝土受壓部位的高度，產生更大的壓應力，使界面出現塑性轉動，此時鋼筋應力只小幅增大。隨著受彎梁載荷升高至極限值后，在加載區域的混凝土中將會形成水平分布的裂縫，使加載區的混凝土發生破碎形成塊狀結構，同時引起測試梁的破壞。

2.2 鋼筋應變

圖3為對梁進行應力測試得到的載荷與鋼筋應變關系。結果顯示，保溫承重混凝土表現出和普通混凝土相近的變化趨勢。當混凝土發生開裂之前，鋼筋應變增加緩慢。因為加載區的混凝土已經不再繼續承受新增加的載荷作用，此時主要由抗拉

圖3 鋼筋應變規律

鋼筋承受截面處的拉應力，從而使鋼筋應變明顯變大，在曲線上也形成一個顯著的轉折點。當受拉鋼筋發生屈服時，應力處于一個穩定的狀態。

2.3 極限抗彎承載力

圖4是對梁進行載荷-撓度測試得到的曲線。可以將保溫承重混凝土梁由施加載荷到破壞的過程分成3個不同階段：

1)從施加載荷至混凝土開裂階段，整個梁截面都處于工作狀態，整體結構具有最大的剛度，撓度和載荷曲線呈現線性增長的趨勢。

2)從梁開裂至鋼筋發生屈服階段，先在梁的純彎段形成豎向彎曲裂縫，同時梁剛度快速減小，在載荷-撓度曲線上出現顯著的轉折點，之后載荷-撓度曲線繼續增長到鋼筋發生屈服為止。

3)從鋼筋發生屈服至梁發生破壞階段，此時鋼筋出現塑性流變，裂縫的擴展速度明顯變快，撓度快速上升，鋼筋與混凝土壓應變都快速增大，最終混凝土發生破裂。

由圖4(a)可知，GBL1比BL1更晚發生屈服，當梁體屈服時，兩者承載力都緩慢增加，形成了相近的峰值載荷。由圖4(b)可知，梁截面高度和承載力之間表現為線性增長的趨勢。實際測試結果顯示，在較大梁截面條件下，GBL4 和BL1具有相近的承載性能。

圖4 受彎梁載荷-撓度曲線

2.4 延性系數

抗彎構件必須具備良好延性才能充分吸收并分散地震產生的能量，因此可以利用跨中截面位移延性系數對梁的延性進行評價。從圖5可以看到，相比普通混凝土梁，保溫承重混凝土梁具有更優的延性。比較GBL2、GBL3與 GBL4可以發現，當梁尺寸增大后，將導致其延性降低。

圖5 延性系數對比

3 結論

本文設計了不同的對比測試方案來研究保溫承重混凝土梁與普通混凝土梁之間的結構與力學性能差異，得到如下結論：

1)保溫承重混凝土梁(GBL)產生開裂現象之前形成的載荷-撓度曲線是一條直線。隨著受彎梁載荷升高至極限值后，在加載區域的混凝土中將會形成水平分布的裂縫，使加載區的混凝土形成塊狀結構，同時引起測試梁的破壞。

2)當載荷增大后，加載區的高度降低，同時中性軸高度增加，混凝土應變和梁的高度表現為線性變化的趨勢。 當受拉鋼筋發生屈服時，應力處于一個穩定的狀態，保溫承重混凝土梁中性軸高度較小。

3)GBL1比BL1更晚發生屈服，當梁體屈服時，兩者承載力都緩慢增加，形成了相近的峰值載荷，梁截面高度和承載力之間表現為線性增長的趨勢。相比普通混凝土梁，保溫承重混凝土梁具有更優的延性。