籠模鋼筋混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究

劉付鈞,肖永生,樊健生,黃忠海,宋凌寒

(1. 廣州大學(xué) 工程抗震研究中心,廣東 廣州 510006; 2. 廣州容聯(lián)建筑科技有限公司,廣東 廣州 510170;3. 清華大學(xué) 土木工程系,北京 100084)

0 引言

籠模構(gòu)件為鋼筋籠與周邊預(yù)制混凝土薄板模殼連接成一體的中空構(gòu)件,籠模構(gòu)件在施工現(xiàn)場(chǎng)安裝后,一次性澆筑籠模構(gòu)件中空腔體內(nèi)的混凝土,形成完整的籠模鋼筋混凝土構(gòu)件。籠模構(gòu)件可在工廠預(yù)先加工制作,具有加工精度高、構(gòu)件重量輕、制作效率高、可大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。籠模構(gòu)件在施工現(xiàn)場(chǎng)安裝效率高,安裝完成后籠模構(gòu)件自身可承擔(dān)施工荷載,大幅減少現(xiàn)場(chǎng)施工支撐和模板及鋼筋綁扎工作量,現(xiàn)場(chǎng)施工勞動(dòng)力可減少約50%,施工速度可達(dá)到3～4 d/層,總施工工期可縮短約50%[1]。

籠模鋼筋混凝土構(gòu)件與傳統(tǒng)鋼筋混凝土構(gòu)件的主要區(qū)別是:梁、柱和剪力墻構(gòu)件的箍筋采用成型格網(wǎng)箍筋;籠模預(yù)制件的模殼混凝土在工廠澆筑,與現(xiàn)場(chǎng)澆筑的中空腔體內(nèi)的混凝土存在二次結(jié)合面;構(gòu)件縱筋采用100%搭接方式連接。

已有國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)采用成型格網(wǎng)箍筋的鋼筋混凝土柱[2-9]、梁[10-11]和剪力墻[12-14]構(gòu)件的受力及抗震性能進(jìn)行了充分研究,成型格網(wǎng)箍筋(焊接鋼筋網(wǎng),WRG)在國(guó)外已有大范圍應(yīng)用[15]。MAU等[3]較早地對(duì)WRG約束鋼筋混凝土柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果顯示混凝土在WRG約束作用下強(qiáng)度提高在1.1～1.5之間。KUSUMA等[5-6]于2011年進(jìn)一步對(duì)9格和4格WRG約束鋼筋混凝土柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)研究,結(jié)果表明WRG對(duì)核心混凝土的強(qiáng)度和延性均有較大提高。劉付鈞等[1]系統(tǒng)地對(duì)采用成型格網(wǎng)箍筋的鋼筋混凝土梁、柱和剪力墻構(gòu)件進(jìn)行了試驗(yàn)研究,包括構(gòu)件單調(diào)加載和往復(fù)加載作用下的受力性能。文獻(xiàn)[8-9]論證了焊接鋼筋網(wǎng)對(duì)鋼筋混凝土柱的內(nèi)部縱筋及混凝土均具有良好的約束作用,可以保證縱筋和混凝土的材料強(qiáng)度得到充分利用。總體而言,已有研究主要針對(duì)在傳統(tǒng)鋼筋混凝土構(gòu)件中配置成型格網(wǎng)箍筋(焊接鋼筋網(wǎng))的受力性能,而對(duì)于籠模鋼筋混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能研究較少。本文針對(duì)采用成型格網(wǎng)箍筋的籠模鋼筋混凝土柱的抗震性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,并與傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱進(jìn)行對(duì)比,研究?jī)?nèi)容包括:①籠模構(gòu)件的模殼混凝土和中空腔體內(nèi)的混凝土分2次澆筑對(duì)籠模鋼筋混凝土柱受力性能的影響;②籠模構(gòu)件的模殼采用不同強(qiáng)度混凝土對(duì)籠模鋼筋混凝土柱受力性能的影響;③籠模鋼筋混凝土柱縱筋采用100%搭接對(duì)構(gòu)件受力性能的影響;④結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果,提出適用于籠模鋼筋混凝土柱的承載力公式及構(gòu)造要求。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)和制作

柱籠模構(gòu)造及縱筋搭接示意圖如圖1～圖2所示。

圖1 柱籠模Fig. 1 Reinforcement cage and formwork of column

圖2 柱搭接示意Fig. 2 Lapping of column reinforcement

圖3 試件截面和配筋Fig. 3 Specimen section and reinforcement

表1 試件主要參數(shù)Table 1 Major parameters of specimens

1.2 材料性能試驗(yàn)

試件采用同批商品混凝土和鋼筋制作。按照GB 50011—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[17](簡(jiǎn)稱規(guī)范)的要求制作了混凝土立方體試塊,進(jìn)行了單軸受壓試驗(yàn),得到立方體抗壓強(qiáng)度,并通過(guò)規(guī)范[17]給出的公式,計(jì)算得到混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度。混凝土材性數(shù)據(jù)如表2所示,鋼筋材性數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 混凝土材料力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of concrete

表3 鋼筋材料力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of rebar

1.3 加載制度和量測(cè)方案

試驗(yàn)采用加載能力為2000 t的裝置進(jìn)行加載,加載裝置示意如圖4所示。試驗(yàn)過(guò)程中保持恒定的豎向軸壓力(其中,試件Z1與Z3的豎向軸壓力為2383 kN,試件Z2與Z4的豎向軸壓力為4583 kN),同時(shí)通過(guò)2個(gè)水平 MTS伺服作動(dòng)器施加水平往復(fù)荷載。

圖4 加載裝置示意圖Fig. 4 Test setup

試件施加的恒定軸壓力按式(1)確定:

Nt=nfcAc/1.3

(1)

式中:n為柱的軸壓比設(shè)計(jì)值; 試件Z1和Z3設(shè)計(jì)軸壓比為0.8,試件Z2和Z4設(shè)計(jì)軸壓比為0.9;1.3為荷載分項(xiàng)系數(shù);fc、Ac分別為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和混凝土截面面積,fc按表2試驗(yàn)結(jié)果確定。

根據(jù)GB/T 50152—2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[18]及JGJ/T 101—2015《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》[19],水平往復(fù)荷載采用力、位移控制方式分階段施加。通過(guò)預(yù)加載確定試件彈性極限約為1/400位移角,因此試件位移角達(dá)到1/400前采用力控制加載,每級(jí)荷載50 kN,每級(jí)循環(huán)1次;位移角達(dá)到1/400后采用位移控制分級(jí)加載,每級(jí)位移角增量為1/400,每級(jí)循環(huán)3次,直至試件破壞,即水平荷載值下降到極限荷載值的85%以下。

為量測(cè)施加的水平荷載及試件的宏觀變形,如圖5所示,在加載線中部、試件主體表面以及兩端布置數(shù)個(gè)位移計(jì),并在地梁上布置位移計(jì)用于量測(cè)地梁的轉(zhuǎn)角位移和水平位移。同時(shí),在試件底部1/4高度內(nèi)邊緣縱筋上沿高度布置數(shù)個(gè)應(yīng)變片,用于檢測(cè)塑性鉸區(qū)域內(nèi)縱筋應(yīng)變分布,從而評(píng)估縱筋100%搭接能否可靠傳力,如圖6所示,ZX-ZJ1～8貼于底部伸出縱筋上,ZX-ZJ9～14貼于柱籠模縱筋上;此外,沿柱高方向選取3個(gè)高度處成型格網(wǎng)箍筋布置應(yīng)變片以獲取其應(yīng)變數(shù)據(jù),如圖7所示,圖中H、M和L分別表示高位、中位和低位。

圖5 位移計(jì)布置Fig. 5 Arrangement of displacement meters

圖6 縱筋應(yīng)變片布置Fig. 6 Arrangement of longitudinal reinforcement strain gauges

圖7 成型格網(wǎng)應(yīng)變片布置Fig. 7 Arrangement of strain gauges for prefabricated welded grid stirrups

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

2.1 破壞過(guò)程及形態(tài)

試件的破壞過(guò)程可以分為以下3個(gè)階段:

1)彈性及彎曲裂縫出現(xiàn)階段。隨著荷載的增加,各試件底角部位均出現(xiàn)細(xì)小的彎曲裂縫,此階段荷載-位移曲線基本保持直線。試件Z1、Z3與Z4在加載至250 kN時(shí)位移角達(dá)到0.25%;試件Z2在加載至300 kN時(shí)位移角達(dá)到0.25%,之后轉(zhuǎn)入位移加載。

2)彎曲裂縫發(fā)展階段。繼續(xù)加載,各試件根部出現(xiàn)更多的橫向彎曲裂縫,荷載-位移曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,試件剛度有所減小。隨著荷載繼續(xù)增加,根部橫向裂縫逐漸發(fā)展為數(shù)條主要裂縫,繼續(xù)加載則試件角部出現(xiàn)豎向裂縫和混凝土剝落。試件Z1、Z2、Z3與Z4的承載力峰值分別為450、520、490、540 kN左右。

3)破壞階段。繼續(xù)加載,根部混凝土出現(xiàn)更多剝落,鋼筋發(fā)出屈曲響聲,承載力明顯下降。試件Z1加載至位移角2.50%時(shí),承載力下降至峰值的85%;試件Z2、Z3與Z4加載至位移角2.25%時(shí),承載力下降至峰值的85%。試件最終的破壞形態(tài)如圖8所示。由圖可知,4個(gè)試件最終破壞均集中于根部,呈現(xiàn)出彎曲變形為主的壓彎破壞形態(tài)。

圖8 試件破壞形態(tài)Fig. 8 Failure mode of specimens

試件的裂縫發(fā)展情況如圖9所示。由圖可知,4個(gè)試件的裂縫分布基本一致,均在底部大約1/3內(nèi)產(chǎn)生塑性鉸及發(fā)展橫向彎曲裂縫,由于混凝土壓潰和縱筋屈服喪失承載力。對(duì)比Z1與Z3、及Z2與Z4,可以看出,裂縫形態(tài)和分布均相近,說(shuō)明籠模鋼筋混凝土柱相對(duì)傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱的受力機(jī)理沒(méi)有明顯改變;對(duì)比Z3與Z4,可以看出,Z4裂縫分布更加接近底部,說(shuō)明提高混凝土的強(qiáng)度會(huì)在一定程度上影響塑性鉸的范圍。

圖9 試件裂縫分布Fig. 9 Crack distribution of specimens

2.2 承載力和延性對(duì)比

試件實(shí)驗(yàn)過(guò)程的主要力學(xué)指標(biāo)如表4所示,其中屈服點(diǎn)通過(guò)“等能量法”作圖確定[20]。試件的滯回曲線如圖10所示。可以看出,各試件的滯回曲線基本對(duì)稱,且有捏攏現(xiàn)象,這反映了試驗(yàn)中裂縫的閉合過(guò)程,符合柱構(gòu)件彎剪破壞的典型滯回曲線特點(diǎn)。試件骨架曲線對(duì)比如圖11所示,均呈現(xiàn)出明顯的三折線形式,分為彈性段、強(qiáng)化段與剛度退化階段。在混凝土開(kāi)裂以前,各試件基本處于線彈性階段,剛度變化不明顯。隨著荷載加劇,各試件進(jìn)入塑性階段,表現(xiàn)出較好的塑性變形能力,而當(dāng)試件到達(dá)峰值承載力后,剛度和承載力明顯退化。總體來(lái)看,2種體系柱在加載過(guò)程中都出現(xiàn)變形隨外力線性增大-增速放緩-趨于穩(wěn)定-下降/剛度退化的特征。各試件耗能曲線對(duì)比如圖12所示。

表4 試驗(yàn)過(guò)程力學(xué)指標(biāo)Table 4 Mechanical properties of specimens in experiments

圖10 試件滯回曲線Fig. 10 Hysteretic curves of specimens

圖11 試件骨架曲線對(duì)比Fig. 11 Skeleton curves of specimens

圖12 試件耗能曲線對(duì)比Fig. 12 Comparison of energy consumption curves of specimens

由圖可知,籠模鋼筋混凝土柱和傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱的承載力和延性差異較小,籠模構(gòu)件的模殼混凝土和中空腔體內(nèi)的混凝土分2次澆筑對(duì)構(gòu)件整體受力性能影響較小,可以認(rèn)為前者在地震荷載作用下能夠保持可靠的受力性能;當(dāng)模殼混凝土強(qiáng)度低于后澆內(nèi)腔混凝土強(qiáng)度時(shí),籠模鋼筋混凝土柱相對(duì)于傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱在破壞前承載力和剛度沒(méi)有削弱,耗能能力有所提高,但后期延性略低。

2.3 縱筋搭接分析

區(qū)別于傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱,籠模鋼筋混凝土柱的縱筋采用100%搭接。為驗(yàn)證此連接方式能否可靠傳力,在試件Z1底部與試件Z3縱筋搭接范圍內(nèi)(地梁伸出部分縱筋和上部柱縱筋搭接)布設(shè)應(yīng)變片,測(cè)得的縱筋應(yīng)變結(jié)果如圖13所示。由圖可知,對(duì)于縱筋通長(zhǎng)的試件Z1, 其縱筋應(yīng)變沿高度變化較小; 而對(duì)于縱筋100%搭接的試件Z3,其縱筋應(yīng)變?cè)诖罱佣窝馗叨扔懈黠@的變化,由于搭接段截面積相當(dāng)于連續(xù)縱筋截面積的2倍,應(yīng)力水平低于連續(xù)縱筋,而承擔(dān)的總荷載相近,說(shuō)明100%搭接情況下縱筋能夠可靠傳力。

2.4 箍筋應(yīng)變值分析

為了檢測(cè)籠模鋼筋混凝土柱采用的成型格網(wǎng)箍筋的受力性能,試驗(yàn)在成型格網(wǎng)箍筋預(yù)埋了應(yīng)變片,測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖14所示。由圖可知,籠模鋼筋混凝土柱試件的箍筋應(yīng)變值相對(duì)較大,表明箍筋承擔(dān)了更多內(nèi)力。各試件在塑性鉸范圍內(nèi)的箍筋網(wǎng)片都能達(dá)到屈服,應(yīng)變數(shù)據(jù)未出現(xiàn)跳躍,表明在試件達(dá)到極限承載力之前其箍筋焊點(diǎn)能夠保持完整性。因此,可以認(rèn)為成型格網(wǎng)箍筋在往復(fù)荷載下也能可靠傳力。

圖14 試件底部箍筋應(yīng)變Fig. 14 Strain of stirrups at bottom of specimens

3 試件承載力和變形能力評(píng)估

為了評(píng)估籠模鋼筋混凝土柱的抗震性能,從承載力和變形能力兩方面分析試驗(yàn)結(jié)果。承載力方面,用試件實(shí)測(cè)荷載與現(xiàn)行規(guī)范公式計(jì)算的承載力對(duì)比,以驗(yàn)證已有方法能否合理預(yù)測(cè)籠模鋼筋混凝土柱的承載力;變形能力方面,則通過(guò)試件的位移延性系數(shù)及極限位移角2個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)評(píng)估。

3.1 承載力評(píng)估

實(shí)測(cè)承載力與規(guī)范[17]預(yù)測(cè)值對(duì)比如表5所示。由圖可知,試件Z1、Z2的結(jié)果基本一致,試件Z3、Z4的結(jié)果存在一定偏差,但實(shí)測(cè)值均高于規(guī)范[17]預(yù)測(cè)值,說(shuō)明采用成型格網(wǎng)箍筋及縱筋100%搭接能夠保證受力的可靠性。由于試件Z4模殼混凝土強(qiáng)度低于后澆內(nèi)腔混凝土強(qiáng)度,其承載力計(jì)算值應(yīng)比全截面混凝土為C60的試件承載力略低,從偏安全設(shè)計(jì)的角度考慮,應(yīng)對(duì)規(guī)范[17]的相關(guān)公式作修正。基于以上分析,可以認(rèn)為籠模鋼筋混凝土柱的承載力與傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱基本一致,能夠滿足規(guī)范要求。

表5 實(shí)測(cè)承載力與規(guī)范[17]預(yù)測(cè)值對(duì)比Table 5 Comparison between measured shear capacity and predicted values according to code試件編號(hào)規(guī)范[17]預(yù)測(cè)值/kN實(shí)測(cè)承載力/kN相對(duì)偏差/%Z14334411.8Z24855308.4Z34334667.1Z44855257.6表6 試件變形指標(biāo)Table 6 Deformation index of specimens試件編號(hào)位移延性系數(shù)μ極限位移角θpZ13.341/40Z23.061/45Z33.081/44Z43.131/44

3.2 變形能力評(píng)估

在眾多結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)方法中,變形方法是最簡(jiǎn)單適用的方法之一,也是目前各國(guó)建筑抗震規(guī)范中應(yīng)用最廣的性能評(píng)價(jià)方法[21]。位移延性系數(shù)及極限位移角是反映構(gòu)件變形能力的2個(gè)主要指標(biāo),一般認(rèn)為,在水平地震反復(fù)荷載作用下,框架柱的位移延性系數(shù)μ≥3和極限位移角θp≥1/50就可滿足延性要求[22]。計(jì)算結(jié)果如表6所示,由表可知配置成型格網(wǎng)箍筋的傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱和籠模鋼筋混凝土柱的位移延性系數(shù)及極限位移角均滿足要求,試件具有良好的變形能力。

4 承載力計(jì)算公式推導(dǎo)

通過(guò)以上分析表明,籠模鋼筋混凝土柱的受力機(jī)理與傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱無(wú)本質(zhì)區(qū)別。由于模殼內(nèi)側(cè)設(shè)置的抗剪鍵能夠保證模殼和后澆內(nèi)腔混凝土共同工作,且試驗(yàn)中觀察到相同強(qiáng)度的籠模鋼筋混凝土柱試件承載力不低于傳統(tǒng)鋼筋混凝土試件,因此在進(jìn)行構(gòu)件正截面承載力計(jì)算公式推導(dǎo)時(shí),可以計(jì)入模殼的作用。計(jì)算時(shí)截面應(yīng)變分布符合平截面假定,受壓區(qū)混凝土及受拉區(qū)鋼筋采用與傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱相同的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。如前所述,規(guī)范[17]的相應(yīng)公式整體上符合籠模鋼筋混凝土柱的正截面承載力計(jì)算原理,但考慮到模殼混凝土強(qiáng)度與后澆內(nèi)腔混凝土強(qiáng)度可能不同,公式做相應(yīng)調(diào)整。

如圖15所示,當(dāng)受壓區(qū)高度x大于hf且小于(h-hf)時(shí),根據(jù)力平衡條件和彎矩平衡條件,有:

(1)

Ne≤M1+M2+M3

(2)

(3)

ei=e0+ea

(4)

(5)

(6)

M3=f′yA′s(h0-a′s)

(7)

式中:α1f為系數(shù);fcf為模殼混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;bc為后澆內(nèi)腔混凝土的截面寬度;tf為截面兩側(cè)的模殼厚度;hf為截面受壓側(cè)的模殼厚度;M1為受壓區(qū)后澆內(nèi)腔混凝土提供的抵抗彎矩;M2為受壓區(qū)模殼混凝土提供的抵抗彎矩;M3為鋼筋提供的抵抗彎矩。

理論承載力與實(shí)測(cè)承載力對(duì)比如表7所示。由表可知,試件Z3的結(jié)果吻合較好,試件Z4的結(jié)果存在一定誤差,但實(shí)測(cè)承載力均高于理論承載力。因此,當(dāng)模殼混凝土強(qiáng)度與后澆內(nèi)腔混凝土強(qiáng)度相同時(shí),可按本文提出的公式進(jìn)行正截面受壓承載力計(jì)算;當(dāng)模殼混凝土強(qiáng)度低于后澆內(nèi)腔混凝土強(qiáng)度時(shí),也可偏于保守地按本文推導(dǎo)的公式計(jì)算。

表7 理論承載力與實(shí)測(cè)承載力對(duì)比Table 7 Comparison between theoretical bearing capacity and measured capacity

5 結(jié)論

本文針對(duì)籠模鋼筋混凝土柱的抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并與傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱進(jìn)行對(duì)比,得到以下結(jié)論:

1)籠模鋼筋混凝土柱的承載能力和延性與傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱基本一致,剛度略有提升。

2)從變形、裂縫分布、破壞形態(tài)來(lái)看,籠模鋼筋混凝土柱的受力機(jī)理與傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱沒(méi)有明顯差異,可以按傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱的計(jì)算原理和方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

3)籠模鋼筋混凝土柱的縱筋100%搭接做法與縱筋貫通的做法相比,會(huì)使縱筋應(yīng)變沿高度分布的差異增大,但仍然能夠可靠傳力。

4)成型格網(wǎng)箍筋在地震荷載作用下具有良好的承載力和變形能力,在實(shí)際工程中可用于替代傳統(tǒng)普通箍筋。

5)按本文提出的承載力公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,研究成果可作為工程設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。