墙体拉筋与主筋间隙对结构抗震性能的影响研究

文/罗正根、王伟 国核工程有限公司 上海 265100

某工程厂房采用美国混凝土协会标准规范ACI349-2001《核安全规程钢筋混凝土结构》进行结构抗震设计，其中屏蔽厂房设计为环形墙体，墙体内径19.96m，墙体标准厚度914mm，总高度约52.3m，该墙体内外两侧各布置两层水平与两层竖向钢筋，墙体两侧钢筋通过拉筋拉结竖向主筋形成钢筋笼子。ACI349-2001规范第21章节提到拉筋应“engage”（译为勾住或箍住）纵向钢筋，然而实际工程中，拉筋要完全与主筋贴紧不切实际。因此，本文设计了一套剪切试验用以研究分析拉筋间隙对墙体截面平面外抗剪性能的影响。

1、试验说明

剪切试验的目的为通过测试足尺厂房墙体结构单元抗剪性能，评估间隙对厂房墙体平面外抗剪性能的影响，由于厂房的结构设计考虑更为保守的单向作用，因此设计梁构件剪切试验。

剪切试验试件代表的厂房墙体的示意图见图（1）。为了测试试件的剪切性能，减少其它拉、压、弯曲等应力因素的干扰，采用四点加载纯剪切加载方法。试件高度等于实际厂房墙体厚度。试件中部有效工作区域的厚度为450mm，其截面配筋等同墙体的一个配筋单元试件两端的非工作区截面厚度加大，并增加了配筋，目的为在试验中剪切破坏发生在试件的有效工作区域。试件工作区的配筋代表实际墙体钢筋布置，非工作区设置了额外的箍筋进行加强，同时还设置了防剥落钢筋网片与腰筋。

为了研究拉筋与主筋间隙对抗剪性能的影响，在试件工作区的3根拉筋两端均设置了相同的间隙，3个拉筋弯钩交替布置。共对0in、1in和2in等3种间隙进行了试验，每个间隙值进行3个试验，共计9个试验，试件编号CJLX-Y。

试验采用单调加载， 试验中采用分配梁获得两个加载点的1：2的比例加载力关系，试验加载装置如图2所示。试验使用室2000t加载机进行，试验采用静力分级加载方式，每个加载步为200kN，每级加载后，荷载保持一段时间，以便观测和绘制混凝土裂缝发展情况。

图2 抗剪切试验加载装置示意图

在工作区内的每个拉筋布置三个钢筋应变计，以记录试验过程中拉筋的受力变形情况；在工作区混凝土表面布置9个应变花，以测量混凝土的平面内应变；同时测量试验梁工作区下表面布置3个位移测点记录竖向位移以及施工力传感器记录千斤顶施加的荷载。

2、试验结果

所有9个剪切试验显示出了相同的试验现象与破坏过程：剪切裂缝形成与张开，拉筋断裂，荷载迅速下降。以间隙为1in的CJL1-1试件为例，说明试验现象与破坏过程。CJL1-1试件在荷载作用下，剪切试验试件首先在加载点及支座相对的受弯区出现弯曲裂缝，当荷载继续增加时，试件工作区出现一条斜的剪切裂缝。随着荷载的增加，剪切裂缝会扩展并变宽，并有可能出现第二条剪切裂缝。当达到峰值荷载时，伴随着拉筋断裂的声音，剪切裂缝迅速张开，荷载迅速下降，结构失效。

试验后对间隙为2in的CJL2-3试件进行破碎以观察内部拉筋的情况，可以看出位于工作区中间的拉筋中部断裂，该拉筋的断裂导致了试件的失效。

拉筋的应变记录显示，剪切裂缝出现之前拉筋中的应变很小，当荷载达到某一值时，剪切裂缝出现，剪切裂缝的出现反映在拉筋荷载-应变曲线中，曲线上剪切裂缝附近的所有拉筋应变测点测量值同时开始快速持续增长。拉筋应变在达到峰值荷载前即超过其设计屈服强度对应的应变（拉筋的设计屈服强度为400MPa，对应的应变为2000微应变）。因此试件最终的破坏原因为工作区中间拉筋过度变形发生断裂，导致混凝土剪切斜裂缝失去约束迅速变宽，丧失承载力。

从3个不同间隙试件中拉筋的应变值可以看出在1in和2in间隙下拉筋在靠近端部的位置上的应变值均达2000微应变，从而均发展出了设计需要的拉应力。值得注意的是，拉筋在荷载达到峰值荷载之前就已经达到了设计的屈服应力。从试件中可以看出直至试件失效，拉筋与主筋间的间隙不变，说明拉筋弯钩有着良好的锚固能力，这解释了在间隙存在的情况下拉筋中各处都能发挥出拉筋的屈服拉应力。

结论：

试验结果显示，在一定间隙范围存在的情况下，拉筋中各处均能发展出设计需要的拉应力，从而完全发挥出其抗剪作用，因此不会影响厂房墙体的平面外抗剪性能。实际施工时，拉筋的间隙会因为混凝土保护层厚度与质量验收规范受到定值约束，2英寸的实验设计值是贴近了真实情况，本文的实验结果可为类似工程提供施工指导。