钢筋混凝土柱托换节点试验研究

王 琼，徐福泉，王 ?，王 力

（1．中国建筑标准设计研究院有限公司，北京 100048；2．中国建筑科学研究院，北京 100013）

0 引言

结构托换是指通过对原有结构的改造，使原有结构的传力途径发生变化，将原有结构所承担的荷载转移到新加结构中，因此托换技术在建筑物迁移工程中应用较为广泛。建筑物迁移是指在保持建筑整体性和可用性不变的前提下，将其从原址移到新址，在建筑物迁移工程中托换体系包括上轨道梁、滚轴和下轨道梁。其中上轨道梁即托换梁，将上部结构中墙、柱上的荷载传给滚轴，再由滚轴传给下轨道梁。节点构造以双梁托换形式为主，通过新旧混凝土间的结合力将柱上的荷载传到托换梁上（见图 1）。

图1 柱的双梁托换

1 试验设计

1.1 试件设计与制作

整个试件分2次浇筑，首先浇筑钢筋混凝土柱，待养护时间超过28d后，浇筑钢筋混凝土包柱梁。其中柱混凝土为 C35，包柱梁混凝土为 C40。混凝土中掺有粉煤灰和减水剂，包柱梁中的混凝土还掺有10%的微膨胀剂。构件的实际混凝土强度以立方体试块的抗压强度实测值为准。所有试件中的纵筋采用HRB335，箍筋采用 HPB235。试件一共4组，每组2个，共8个，如表1所示。每组的第1个试件梁内钢筋不布置应变片；第2个试件梁内钢筋布置应变片。

表1 试件编号及描述

柱截面尺寸设计为 200mm×200mm，高700mm。柱四周采用相同截面包柱梁，托换梁和连系梁截面尺寸150mm×200mm，如图2所示。混凝土柱凿毛处理及植筋如图3，4所示。

图2 托换节点结构

第5组试件中柱与包柱梁接触表面做凿毛处理，并配有化学植筋，如图5所示。柱两边采用相同截面托换梁，不设连系梁，植筋如图6所示。

图3 第2、3组试件凿毛

图4 第4组试件植筋

图5 第5组试件配筋

图6 第5组试件植筋

1.2 测点布置

为全面了解试件承受压力时柱、托换梁中钢筋的应变情况及位移变化情况，钢筋应变片布置在柱纵筋、梁纵筋、植筋及螺栓上；混凝土应变片布置在柱的4个侧面，用于加载时对中；位移计布置在梁上表面和柱底，如图7所示。

图7 应变片布置与编号

1）试件布置托换梁和连系梁的纵筋应变片。每根钢筋跨中布置1个测点，一共16个测点，用于观察包柱梁内纵筋应变的变化情况。

2）第4组试件布置化学植筋的应变片。每根化学植筋植入柱后，在植筋与柱接触的部位布置测点，应变片布置在植筋的上表面，一共8个测点，用于观察植筋应变的变化情况。

1.3 试验方案

试验时首先进行3次预加载到100kN，以检查各通道是否正常工作。加载采用5000kN液压试验机，以其作用在柱上的压力模拟框架柱的轴力，并采用分级加载方法对柱施加荷载，每级荷载25kN，持荷2min。当加载达到极限时，开始持荷，待新旧混凝土界面滑移位移达10mm时，停止加载。通过YE2539高速静态应变仪量测钢筋应变，利用YHD－30型位移传感器测量托换梁、连系梁的挠度和界面的滑移位移。

2 破坏特征

2.1 第1组试件

试件1－1和1－2采用两边支撑，界面未凿毛处理。在试件持续加载至325kN时，连系梁上出现第1条裂缝，裂缝位置在连系梁跨中的竖直方向；随着荷载增加，裂缝缓慢开展，直至承载力到达极限，裂缝并未发展到顶部（见图8，9）。托换梁出现裂缝的时间晚于连系梁，第一条裂缝也出现在跨中的竖直方向，随后裂缝快速发展（见图10，11）。临近破坏时，柱与包柱梁上表面接触的地方出现轻微起皮。破坏时，连系梁上最大的裂缝宽度为0．25mm，梁内无论上部还是下部，大部分纵筋未屈服；托换梁上最大裂缝宽度不到0．1mm，托换梁钢筋应变变化没有连系梁明显，远未达到屈服应变。当新旧混凝土出现明显滑移时，承载力迅速下降，破坏过程持续较短，延性较差。

图8 试件1－1连系梁破坏状态（倒置）

图9 试件1－2连系梁破坏状态（倒置）

图10 试件1－1托换梁破坏状态（倒置）

图11 试件1－2托换梁破坏状态（倒置）

2.2 第2组试件

试件2－1和试件2－2采用两边支撑，界面采用凿毛处理。在试件持续加载至300kN时，连系梁上出现第1条裂缝，裂缝位置在连系梁跨中的竖直方向，之后支座处出现斜裂缝；随着荷载的增加裂缝缓慢开展。托换梁出现裂缝的时间晚于连系梁，第1条裂缝也出现在跨中的竖直方向，随后裂缝快速发展，稍后连系梁上的裂缝贯穿整个托换梁截面，或从托换梁上表面新发展出1条裂缝。临近破坏时，柱与包柱梁下表面接触的地方已经脱离、裂开，柱的保护层与包柱梁上表面接触的地方出现明显的脱落现象，柱有明显的下冲迹象。破坏时，梁上最大的裂缝宽度超过0．3mm，连系梁下部纵筋受拉屈服，上部纵筋应变比较离散，可能受压也可能受拉，但不屈服；托换梁下部纵筋受拉屈服，上部纵筋受拉不屈服。破坏状态为新旧混凝土界面滑移破坏，当新旧混凝土出现明显滑移时，承载力的下降速度较为缓慢。

2.3 第3组试件

试件3－1持续加载到1250kN时，柱被压坏，此时连系梁跨中最大裂缝宽度已达0．3mm，但此时梁柱界面未出现明显滑移。为避免以后的试件柱先于界面滑移破坏，因此对第3组和第4组试件的其余柱进行了外包钢加固处理，提高柱的轴心受压承载力。

试件3－2在持续加载至400kN时，连系梁上出现第1条裂缝，裂缝位置在连系梁跨中的竖直方向，之后支座处出现斜裂缝；随着荷载的增加裂缝缓慢开展。托换梁出现裂缝的时间晚于连系梁，第1条裂缝也出现在跨中的竖直方向，随后裂缝快速发展，稍后连系梁上的裂缝贯穿整个托换梁截面。临近破坏时，柱与包柱梁下表面接触的地方已经脱离、裂开，柱的保护层与包柱梁上表面接触的地方出现明显的脱落现象，柱有明显的下冲迹象。破坏时，梁上最大的裂缝宽度超过0．3mm；连系梁下部纵筋受拉屈服，上部纵筋应变比较离散，可能受压也可能受拉，但不屈服；托换梁下部纵筋受拉多数未屈服，上部纵筋受拉不屈服。破坏状态为新旧混凝土界面滑移破坏，当新旧混凝土出现明显滑移时，承载力的下降速度较为缓慢。

2.4 第4组试件

试件4－1、4－2破坏状态与试件3－1、3－2类似，当包柱梁弯曲破坏、新旧混凝土出现明显滑移时，承载力的下降速度非常缓慢。破坏时托换梁中植筋已屈服或是接近屈服，连系梁中植筋不屈服。

2.5 第5组试件

试件5－1、5－2为无连系梁托换，整个加载过程托换梁上植筋位置只有细微裂缝。荷载加到350kN时，梁柱混凝土界面开始出现裂缝；荷载加到650kN时，梁柱混凝土界面断裂脱离，开始出现滑移。当新旧混凝土界面出现明显滑移时，承载力还能继续上升，呈现很好的延性；承载力下降的时候，滑移位移已接近10mm，并且柱内的化学植筋处有劈裂现象。

图12 试件4－2托换梁植筋的轴力－应变关系

图13 试件4－2连系梁植筋的轴力－应变关系

3 试验结果分析

3.1 界面凿毛对承载力的影响

从第1组试件发生滑移破坏时，包柱梁内大部分纵筋没有屈服，托换梁开裂不明显；而第2组试件发生滑移破坏时，包柱梁内下部纵筋已经屈服，托换梁开裂明显。凿毛处理后，托换节点的承载力可以提升约50%，可见凿毛处理后，新旧混凝土界面的咬合力大大提高。由于托换节点采用包柱梁的形式，因此在新旧混凝土界面发生滑移的时候，咬合的混凝土会发生错动，这就会使四周的包柱梁向外胀。当不采用凿毛处理的时候，外胀的力会比较小；反之外胀的力会比较大。

3.2 有连系梁节点植筋的影响

在试件4－1、4－2中，托换梁为支承边，致使其竖向位移被支座限制；又因为植筋的位置在界面的上部受压区，因此新旧混凝土界面发生滑移的时候，柱相对于托换梁的竖向位移要比横向外胀位移更明显，托换梁内植筋的受弯特征会非常显著。试件4－2中应变片布置在植筋的上表面，植筋上表面的应变先增大后急剧减小，说明植筋后期开始受弯，上表面受压。由于植筋的抗弯能力很小，所以认为植筋对托换梁与柱的界面抗剪贡献很小。试件4－2中连系梁内植筋（见图12）和试件4－3中包柱梁内植筋（见图13）的应变一直增加，直到屈服，其抗剪的贡献可按照“剪摩擦”理论求得。

3.3 无连系梁托换节点的受力分析

如果托换节点没有连系梁，在与托换梁垂直方向的弯矩就必须由化学植筋承受，即此时的化学植筋不仅要发挥“剪摩擦”配筋的作用，还要发挥抗弯纵筋的作用。上部植筋由于受到弯曲的作用，其抗剪作用不能完全发挥。从图14可看出，一半的上部植筋在受弯之前已经达到受拉屈服，因此可认为上部植筋的“剪摩擦”作用发挥了1／2，从图15可看出，下部纵筋全部受拉屈服。

图14 试件5－2上部植筋的轴力－应变关系

4 结语

1）本文对钢筋混凝土柱与包柱梁界面凿毛和不凿毛2种处理方式进行试验研究，结果表明：对于钢筋混凝土柱与托换梁接触面未进行处理试件，其承载力很小，在包柱梁刚刚产生裂缝，梁内纵筋未屈服的时候新旧混凝土界面已经发生滑移破坏，整个破坏过程试件很短，延性很差；在钢筋混凝土柱与包柱梁接触面进行凿毛处理后，从新旧混凝土界面压力、界面黏结力和咬合力多方面提高了承载力和延性。

图15 试件5－2下部植筋的轴力－应变关系

2）对不同配筋率的包柱托换进行试验研究，结果表明：包柱梁内的纵筋是影响托换结构最终承载力的主要因素。当配筋率较低时，纵筋很早就屈服，纵筋强度能够得到充分的发挥；当配筋率较高时，纵筋屈服比较晚。其最终托换承载力随着包柱梁纵筋配筋率的提高而显著增加。

3）由于包柱梁的纵筋以及植筋都能够提供界面挤压力，因此植筋率比较低的时候，植筋效果对承载力的提高并不大。