超高層建筑預制鋼筋混凝土組合梁抗彎性能研究

柴 燕

(江漢大學 數字建造與爆破工程學院,湖北 武漢 430012)

針對超高層建筑預制鋼筋混凝土組合梁的抗彎問題,已經得到了一些較好研究成果。如選取3組12根等高度的水泥復合材料梁柱,通過對比實驗獲取梁柱承載力、鋼筋撓度以及裂縫開裂變形寬度等指標測試結果,以此驗證梁柱抗彎性能[3]。設計了3根混凝土鋼結構組合梁試件,并對其破壞形態、荷載曲線以及位移分布展開分析[4]。根據混凝土、鋼筋等材料在疲勞加載過程中疲勞退化程度以及殘余變形發展規律,建立材料的有限元模型;再以建立的模型為基礎對混凝土鋼結構組合梁完成穩固性分析與測試[5]。上述方法在現階段研究中具有一定應用優勢,但由于未通過三分點加載原理制定詳細的試驗方案,導致研究不夠全面。

為此,研究著重制定了預制鋼筋混凝土組合梁抗彎性能測試過程的加載方式,以驗證在多種情況下鋼筋混凝土組合梁的抗彎性能,增強研究的全面性。

1 抗彎性能測試方法設計

混凝土材料使用高性能C35型號ECC細石混凝土,實測抗壓強度控制在48.0 MPa,抗拉強度為23.5 MPa。ECC主要由普通硅酸鹽水泥、石英砂、粉煤灰以及PVA纖維攪拌而成。高性能C35型號ECC細石混凝土被認為是未來建筑材料的發展方向之一。ECC力學性能如表1所示。

表1 ECC混凝土參數力學性能

HRB335二級鋼筋材料綁扎至混凝土后置入模板分層澆筑,再倒入ECC振搗至密實[6],澆筑混凝土振搗密室完成梁柱試件的制作。組合梁尺寸為3 m×0.3 m×6 m,單鋼筋長度為6 m,直徑為8 mm,單混凝土板的尺寸與組合梁尺寸相同。為提高實驗數據的可信度,設置3組實驗,每組試件分為單混凝土板、單鋼筋和鋼筋混凝土組合梁3種形式;梁柱試件分組如表2所示。

表2 試件分組結果

2 組合梁壓力加載方式設計

實驗中采用三分點靜力加載方式,并依次記錄各個設備的觀察數據,獲取試件在測試過程中的各項數據指標形態。加載示意圖如圖1所示。

圖1 三分點靜力加載示意圖

測試過程中,在位移量測試件支座、加載點以及跨中等位置等間距布設若干千分表,通過千分表的讀數結果,獲取各個組別梁柱試件截面荷載作用下應變值[7-8];與此同時,在BFRP筋跨[9]中位置設置2個應變片測量組合梁柱受拉作用下的應變值;使用千斤頂對試件實施擠壓,通過傳感器測量梁柱荷載狀態以及裂縫在荷載作用下的發展規律。

3 測試結果分析

3.1 受彎承載力、延性及位移測試數據

對3組試件的測試數據求取平均值,所得各個階段的試件跨中彎矩對應位移、延性系數,結果如表3所示。

表3 梁柱試件受彎承載力、位移、延性系數匯總表

由表3可知,3組試件梁柱的開裂彎矩以及位移值測試結果相差較大。但混凝土板和單鋼筋試件測試出的各項梁柱受彎承載數值參數均低于組合梁柱測試結果,并且對比表3數據可看出,混凝土板材中添加的鋼筋數量越多,試件的受彎承載力越高,抗彎撓度越小。

3.2 抗彎極限承載力分析

獲取鋼筋-混凝土組合前后預制鋼筋混凝土組合梁抗彎加測試過程中試件承載力極限狀態觀測圖,如圖2所示;獲取研究組合梁抗彎承載力極限狀態數據,結果如圖3所示。

圖2 試件承載力極限狀態觀測圖

圖3 組合梁抗彎承載力極限狀態分布

由圖3可知,組合梁試件的抗彎承載力與綜合配筋指數存在相關,隨著配筋指數的增加,試件梁柱測試出的抗彎承載力以線性趨勢上漲。

3.3 承壓加載下梁柱試件位移

基于上述表3數據,分析試件在荷載作用下的三分點跨中位移曲線,獲取試件在加載過程中的彎矩變形性能,結果如圖4所示。

(a)BA組試件抗彎變形性能測試結果

由圖4可知,隨著試件上荷載力的不斷增加,測試出的梁柱的跨中位移值呈現不斷增加趨勢。測試組別中,單混凝土板和單鋼筋試件的形變量明顯高于加固試件梁。

3.4 承壓加載下梁柱試件裂縫形變

荷載狀態下各組試件在抗彎矩裂縫形變曲線如圖5所示。

(a)BA組試件

由圖5可知,隨著加載壓力的增大,組合梁試件的裂縫寬度值小于單混凝土板和單鋼筋。根據3組結果綜合分析可知,隨著組合梁ECC高度替換率的不斷增加,裂縫曲線在后期斜率明顯增大,由此可證明使用ECC替換試件梁柱能夠有效的抵擋試件受拉運動下的試件抗裂性能[10-12],延遲試件梁柱的裂縫寬度增長。

3.5 承壓加載下梁柱試件受壓應變值測試

測試出的試件跨中彎矩抗彎應變結果如圖6所示。

(a)BA組試件

由圖6可知,相同彎矩承載力下,BA組的單混凝土板試件以及BB組的單鋼筋試件受壓應測試結果高于組合梁柱的彎矩抗彎應變結果,并且會隨著承載力的增加而不斷升高。而且,組合梁試件在相同彎矩承載力作用下,縱筋拉應變要明顯小于其余兩組試件的測試結果。由此可證明,預制鋼筋混凝土組合梁能夠使梁柱具備更優的承壓性能,有效抵抗梁柱試件的變形。

4 結語

(1)超高層建筑預制鋼筋混凝土組合梁承載力顯著優于單混凝土板與單鋼筋;

(2)混凝土板材中加入的鋼筋數量越多,組合梁柱抗彎性能越優;

(3)外在壓力逐漸增加時,混凝土鋼筋組合梁的裂縫的寬度和長度增長速度均較低;

(4)組合梁能夠承擔梁柱自身BFRP縱筋的拉力,從而縮減組合梁在荷載作用下的拉應變值,有效抵抗梁柱的變形。