籠模鋼筋混凝土柱抗震性能試驗研究

劉付鈞,肖永生,樊健生,黃忠海,宋凌寒

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

0 引言

籠模構件為鋼筋籠與周邊預制混凝土薄板模殼連接成一體的中空構件,籠模構件在施工現場安裝后,一次性澆筑籠模構件中空腔體內的混凝土,形成完整的籠模鋼筋混凝土構件?；\模構件可在工廠預先加工制作,具有加工精度高、構件重量輕、制作效率高、可大批量生產等優點?；\模構件在施工現場安裝效率高,安裝完成后籠模構件自身可承擔施工荷載,大幅減少現場施工支撐和模板及鋼筋綁扎工作量,現場施工勞動力可減少約50%,施工速度可達到3～4 d/層,總施工工期可縮短約50%[1]。

籠模鋼筋混凝土構件與傳統鋼筋混凝土構件的主要區別是:梁、柱和剪力墻構件的箍筋采用成型格網箍筋;籠模預制件的模殼混凝土在工廠澆筑,與現場澆筑的中空腔體內的混凝土存在二次結合面;構件縱筋采用100%搭接方式連接。

已有國內外學者對采用成型格網箍筋的鋼筋混凝土柱[2-9]、梁[10-11]和剪力墻[12-14]構件的受力及抗震性能進行了充分研究,成型格網箍筋(焊接鋼筋網,WRG)在國外已有大范圍應用[15]。MAU等[3]較早地對WRG約束鋼筋混凝土柱進行軸壓試驗,試驗結果顯示混凝土在WRG約束作用下強度提高在1.1～1.5之間。KUSUMA等[5-6]于2011年進一步對9格和4格WRG約束鋼筋混凝土柱進行了軸壓試驗研究,結果表明WRG對核心混凝土的強度和延性均有較大提高。劉付鈞等[1]系統地對采用成型格網箍筋的鋼筋混凝土梁、柱和剪力墻構件進行了試驗研究,包括構件單調加載和往復加載作用下的受力性能。文獻[8-9]論證了焊接鋼筋網對鋼筋混凝土柱的內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度得到充分利用?？傮w而言,已有研究主要針對在傳統鋼筋混凝土構件中配置成型格網箍筋(焊接鋼筋網)的受力性能,而對于籠模鋼筋混凝土構件的力學性能研究較少。本文針對采用成型格網箍筋的籠模鋼筋混凝土柱的抗震性能進行試驗研究,并與傳統鋼筋混凝土柱進行對比,研究內容包括:①籠模構件的模殼混凝土和中空腔體內的混凝土分2次澆筑對籠模鋼筋混凝土柱受力性能的影響;②籠模構件的模殼采用不同強度混凝土對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%搭接對構件受力性能的影響;④結合試驗結果,提出適用于籠模鋼筋混凝土柱的承載力公式及構造要求。

1 試驗概況

1.1 試件設計和制作

柱籠模構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Table 1 Major parameters of specimens

1.2 材料性能試驗

試件采用同批商品混凝土和鋼筋制作。按照GB 50011—2010《混凝土結構設計規范》[17](簡稱規范)的要求制作了混凝土立方體試塊,進行了單軸受壓試驗,得到立方體抗壓強度,并通過規范[17]給出的公式,計算得到混凝土的軸心抗壓強度?；炷敛男詳祿绫?所示,鋼筋材性數據如表3所示。

表2 混凝土材料力學性能Table 2 Mechanical properties of concrete

表3 鋼筋材料力學性能Table 3 Mechanical properties of rebar

1.3 加載制度和量測方案

試驗采用加載能力為2000 t的裝置進行加載,加載裝置示意如圖4所示。試驗過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),同時通過2個水平 MTS伺服作動器施加水平往復荷載。

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為柱的軸壓比設計值; 試件Z1和Z3設計軸壓比為0.8,試件Z2和Z4設計軸壓比為0.9;1.3為荷載分項系數;fc、Ac分別為混凝土軸心抗壓強度設計值和混凝土截面面積,fc按表2試驗結果確定。

根據GB/T 50152—2012《混凝土結構試驗方法標準》[18]及JGJ/T 101—2015《建筑抗震試驗規程》[19],水平往復荷載采用力、位移控制方式分階段施加。通過預加載確定試件彈性極限約為1/400位移角,因此試件位移角達到1/400前采用力控制加載,每級荷載50 kN,每級循環1次;位移角達到1/400后采用位移控制分級加載,每級位移角增量為1/400,每級循環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個位移計,并在地梁上布置位移計用于量測地梁的轉角位移和水平位移。同時,在試件底部1/4高度內邊緣縱筋上沿高度布置數個應變片,用于檢測塑性鉸區域內縱筋應變分布,從而評估縱筋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?？v筋上;此外,沿柱高方向選取3個高度處成型格網箍筋布置應變片以獲取其應變數據,如圖7所示,圖中H、M和L分別表示高位、中位和低位。

圖5 位移計布置Fig. 5 Arrangement of displacement meters

圖6 縱筋應變片布置Fig. 6 Arrangement of longitudinal reinforcement strain gauges

圖7 成型格網應變片布置Fig. 7 Arrangement of strain gauges for prefabricated welded grid stirrups

2 試驗現象及結果分析

2.1 破壞過程及形態

試件的破壞過程可以分為以下3個階段:

1)彈性及彎曲裂縫出現階段。隨著荷載的增加,各試件底角部位均出現細小的彎曲裂縫,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時位移角達到0.25%;試件Z2在加載至300 kN時位移角達到0.25%,之后轉入位移加載。

2)彎曲裂縫發展階段。繼續加載,各試件根部出現更多的橫向彎曲裂縫,荷載-位移曲線出現轉折,試件剛度有所減小。隨著荷載繼續增加,根部橫向裂縫逐漸發展為數條主要裂縫,繼續加載則試件角部出現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。繼續加載,根部混凝土出現更多剝落,鋼筋發出屈曲響聲,承載力明顯下降。試件Z1加載至位移角2.50%時,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,承載力下降至峰值的85%。試件最終的破壞形態如圖8所示。由圖可知,4個試件最終破壞均集中于根部,呈現出彎曲變形為主的壓彎破壞形態。

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

試件的裂縫發展情況如圖9所示。由圖可知,4個試件的裂縫分布基本一致,均在底部大約1/3內產生塑性鉸及發展橫向彎曲裂縫,由于混凝土壓潰和縱筋屈服喪失承載力。對比Z1與Z3、及Z2與Z4,可以看出,裂縫形態和分布均相近,說明籠模鋼筋混凝土柱相對傳統鋼筋混凝土柱的受力機理沒有明顯改變;對比Z3與Z4,可以看出,Z4裂縫分布更加接近底部,說明提高混凝土的強度會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 承載力和延性對比

試件實驗過程的主要力學指標如表4所示,其中屈服點通過“等能量法”作圖確定[20]。試件的滯回曲線如圖10所示?？梢钥闯?各試件的滯回曲線基本對稱,且有捏攏現象,這反映了試驗中裂縫的閉合過程,符合柱構件彎剪破壞的典型滯回曲線特點。試件骨架曲線對比如圖11所示,均呈現出明顯的三折線形式,分為彈性段、強化段與剛度退化階段。在混凝土開裂以前,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,各試件進入塑性階段,表現出較好的塑性變形能力,而當試件到達峰值承載力后,剛度和承載力明顯退化?？傮w來看,2種體系柱在加載過程中都出現變形隨外力線性增大-增速放緩-趨于穩定-下降/剛度退化的特征。各試件耗能曲線對比如圖12所示。

表4 試驗過程力學指標Table 4 Mechanical properties of specimens in experiments

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

圖11 試件骨架曲線對比Fig. 11 Skeleton curves of specimens

圖12 試件耗能曲線對比Fig. 12 Comparison of energy consumption curves of specimens

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

2.3 縱筋搭接分析

區別于傳統鋼筋混凝土柱,籠模鋼筋混凝土柱的縱筋采用100%搭接。為驗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(地梁伸出部分縱筋和上部柱縱筋搭接)布設應變片,測得的縱筋應變結果如圖13所示。由圖可知,對于縱筋通長的試件Z1, 其縱筋應變沿高度變化較小; 而對于縱筋100%搭接的試件Z3,其縱筋應變在搭接段沿高度有更明顯的變化,由于搭接段截面積相當于連續縱筋截面積的2倍,應力水平低于連續縱筋,而承擔的總荷載相近,說明100%搭接情況下縱筋能夠可靠傳力。

2.4 箍筋應變值分析

為了檢測籠模鋼筋混凝土柱采用的成型格網箍筋的受力性能,試驗在成型格網箍筋預埋了應變片,測得的應變數據如圖14所示。由圖可知,籠模鋼筋混凝土柱試件的箍筋應變值相對較大,表明箍筋承擔了更多內力。各試件在塑性鉸范圍內的箍筋網片都能達到屈服,應變數據未出現跳躍,表明在試件達到極限承載力之前其箍筋焊點能夠保持完整性。因此,可以認為成型格網箍筋在往復荷載下也能可靠傳力。

圖14 試件底部箍筋應變Fig. 14 Strain of stirrups at bottom of specimens

3 試件承載力和變形能力評估

為了評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結果。承載力方面,用試件實測荷載與現行規范公式計算的承載力對比,以驗證已有方法能否合理預測籠模鋼筋混凝土柱的承載力;變形能力方面,則通過試件的位移延性系數及極限位移角2個關鍵指標評估。

3.1 承載力評估

實測承載力與規范[17]預測值對比如表5所示。由圖可知,試件Z1、Z2的結果基本一致,試件Z3、Z4的結果存在一定偏差,但實測值均高于規范[17]預測值,說明采用成型格網箍筋及縱筋100%搭接能夠保證受力的可靠性。由于試件Z4模殼混凝土強度低于后澆內腔混凝土強度,其承載力計算值應比全截面混凝土為C60的試件承載力略低,從偏安全設計的角度考慮,應對規范[17]的相關公式作修正?；谝陨戏治?可以認為籠模鋼筋混凝土柱的承載力與傳統鋼筋混凝土柱基本一致,能夠滿足規范要求。

表5 實測承載力與規范[17]預測值對比Table 5 Comparison between measured shear capacity and predicted values according to code試件編號規范[17]預測值/kN實測承載力/kN相對偏差/%Z14334411.8Z24855308.4Z34334667.1Z44855257.6表6 試件變形指標Table 6 Deformation index of specimens試件編號位移延性系數μ極限位移角θpZ13.341/40Z23.061/45Z33.081/44Z43.131/44

3.2 變形能力評估

在眾多結構性能評價方法中,變形方法是最簡單適用的方法之一,也是目前各國建筑抗震規范中應用最廣的性能評價方法[21]。位移延性系數及極限位移角是反映構件變形能力的2個主要指標,一般認為,在水平地震反復荷載作用下,框架柱的位移延性系數μ≥3和極限位移角θp≥1/50就可滿足延性要求[22]。計算結果如表6所示,由表可知配置成型格網箍筋的傳統鋼筋混凝土柱和籠模鋼筋混凝土柱的位移延性系數及極限位移角均滿足要求,試件具有良好的變形能力。

4 承載力計算公式推導

通過以上分析表明,籠模鋼筋混凝土柱的受力機理與傳統鋼筋混凝土柱無本質區別。由于模殼內側設置的抗剪鍵能夠保證模殼和后澆內腔混凝土共同工作,且試驗中觀察到相同強度的籠模鋼筋混凝土柱試件承載力不低于傳統鋼筋混凝土試件,因此在進行構件正截面承載力計算公式推導時,可以計入模殼的作用。計算時截面應變分布符合平截面假定,受壓區混凝土及受拉區鋼筋采用與傳統鋼筋混凝土柱相同的應力應變關系。如前所述,規范[17]的相應公式整體上符合籠模鋼筋混凝土柱的正截面承載力計算原理,但考慮到模殼混凝土強度與后澆內腔混凝土強度可能不同,公式做相應調整。

如圖15所示,當受壓區高度x大于hf且小于(h-hf)時,根據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;fcf為模殼混凝土軸心抗壓強度設計值;bc為后澆內腔混凝土的截面寬度;tf為截面兩側的模殼厚度;hf為截面受壓側的模殼厚度;M1為受壓區后澆內腔混凝土提供的抵抗彎矩;M2為受壓區模殼混凝土提供的抵抗彎矩;M3為鋼筋提供的抵抗彎矩。

理論承載力與實測承載力對比如表7所示。由表可知,試件Z3的結果吻合較好,試件Z4的結果存在一定誤差,但實測承載力均高于理論承載力。因此,當模殼混凝土強度與后澆內腔混凝土強度相同時,可按本文提出的公式進行正截面受壓承載力計算;當模殼混凝土強度低于后澆內腔混凝土強度時,也可偏于保守地按本文推導的公式計算。

表7 理論承載力與實測承載力對比Table 7 Comparison between theoretical bearing capacity and measured capacity

5 結論

本文針對籠模鋼筋混凝土柱的抗震性能進行了試驗研究,并與傳統鋼筋混凝土柱進行對比,得到以下結論:

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

2)從變形、裂縫分布、破壞形態來看,籠模鋼筋混凝土柱的受力機理與傳統鋼筋混凝土柱沒有明顯差異,可以按傳統鋼筋混凝土柱的計算原理和方法進行設計計算。

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,會使縱筋應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,在實際工程中可用于替代傳統普通箍筋。

5)按本文提出的承載力公式計算結果與試驗結果基本吻合,研究成果可作為工程設計的理論依據。