带缺陷钢筋混凝土叠合梁斜截面抗剪性能试验研究*

冯庆兴， 徐铮弢， 徐宏广， 林皇诚， 龚顺风

(1 浙江科技学院土木与建筑工程学院， 杭州 310023； 2 浙江大学结构工程研究所， 杭州 310058)

0 引言

随着对传统建筑业提出产业转型和升级要求，装配式结构体系重新受到工程师的重视。但在装配式结构产业链完全建立之前，装配式混凝土结构体系存在建造成本、运输、节点连接等一系列问题[1]，所以混凝土叠合结构这种兼有现浇混凝土结构和装配式混凝土结构优点的结构形式就成为了过渡时期较好的选择，它具有整体刚度较好、施工速度快、与装配式结构相比抗震性能优越、节约材料、综合经济效益较好等优势[2]。在国内外装配式建筑的应用中发展出了多种混凝土叠合梁板结构形式[3]。而在国内自对叠合梁及叠合面的研究开始以来，对完整的叠合梁抗剪性能[4-6]和各种界面粘结的叠合面的抗剪性能[7-10]做了较多的研究。但对于叠合构件在生产制造阶段、装配施工阶段、使用维护阶段出现真实的质量问题，尤其是存在于叠合面的缺陷导致的质量问题对叠合梁刚度、极限承载能力和延性等关键性能的影响研究还不足。本文以在叠合面上特定位置放置泡沫板的方式设定质量缺陷，有针对性地设计了叠合梁抗剪性能试验，以研究叠合梁在叠合面存在既有缺陷时抗剪性能的削弱程度。

1 试验概况

试验重点研究带缺陷钢筋混凝土矩形截面叠合梁的抗剪性能，以叠合梁试件达到《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152—2012)[11](简称GB/T 50152—2012)规定的承载能力极限状态标志作为终止加载条件。叠合梁抗剪试件共3根，其中编号中带D为设置缺陷的叠合梁，以填充与梁等宽的20mm厚泡沫板的方式设定缺陷。试件几何尺寸和配筋规格如图1和表1所示，梁叠合面上缺陷做法如图2所示，其中b为梁截面宽度，h1为预制梁截面高度，h为叠合梁截面高度，L为梁长度，L0为支座间净跨跨度，受拉纵向钢筋配筋率ρ均为1.73%，箍筋配筋率ρsv均为0.14%。叠合梁试件的制作采用现有国内通用工艺流程和技术要求由装配式构件厂专门制作。

叠合梁试件尺寸和配筋规格 表1

图1 叠合梁试件配筋示意图

图2 叠合梁试件质量缺陷设置位置

根据常鹏等[12]对叠合梁斜截面承载力进行数值模拟的研究可知，在αM=M1/Mu1(即第1阶段荷载作用下跨中弯矩与预制截面极限承载弯矩之比)小于0.5时，有叠合梁与整浇梁抗剪承载力的比值V/V0随αh=h01/h0(即预制截面高度与叠合截面高度之比)增大而增大的趋势，故本研究考虑施工中梁底支模(即αM视作0)的情况，设定2种不同长度的缺陷，其中试件PCB-RS130-D研究在h1/h较大且缺陷较小时的抗剪性能，试件PCB-RS180-D研究在h1/h较小且缺陷较大时的抗剪性能。

所有试件均采用C30混凝土，浇筑试件时，同时制作6个标准立方体试块，同条件养护。在进行叠合梁试验前，将标准立方体试块按《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)[13]的要求使用WYA-2000型数字压力试验机进行立方体试块抗压试验，试验现场照片及结果见图3和表2。

图3 混凝土试块抗压试验

混凝土材料参数 表2

图4 钢筋拉伸试验

2 试验方法

试验加载装置参考规范GB/T 50152—2012相关标准进行设计，剪跨跨度取1.75h0，使用MAS-500/2Q型电液伺服垂向加载作动器对试件进行加载，如图6(a)所示。在正式加载过程中，先按开裂荷载计算值20%的级差由零加载至开裂荷载计算值80%，然后按开裂荷载计算值5%的级差继续加载至开裂，期间时刻观察是否有裂缝出现，在开裂后按极限荷载计算值5%的级差继续加载至出现规范GB/T 50152—2012中规定的极限状态检验标志之一为止，每级持荷时间5min，观测并记录各项读数。在弯剪段斜裂缝宽度达到1.5mm后，不再测量裂缝宽度直至试件破坏。

图5 试验测得的钢筋应力-应变曲线

钢筋材料参数 表3

图6 叠合梁抗剪试验加载实物图及示意图

梁上布置BX120-50AA型电阻应变片，钢筋上布置BX120-3AA型电阻应变片，采集装置采用DH3816N型静态应变测试分析系统，位移计采用机械式百分表。梁上应变片及位移计布置及编号见图6(b)，钢筋上应变片见图7。裂缝宽度测读采用裂缝测宽仪，裂缝分布及发展记录采用数码摄像装置。

图7 叠合梁试件钢筋应变片布置示意图

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

(1)

(2)

图8 试验测得的试件荷载-跨中挠度(P-f)曲线

由表4和表5可知，叠合梁试件的开裂剪力和极限抗剪承载力试验值均随着叠合面缺陷区的增大而降低。相对于无缺陷试件PCB-RS130，试件PCB-RS130-D和PCB-RS180-D的开裂剪力分别降低了6.3%，37.5%；极限抗剪承载力分别降低了25.6%和39.5%。3根试件的开裂剪力实测值均小于式(1)的计算值，而缺陷区较大的试件PCB-RS180-D的极限抗剪承载力实测值小于式(2)的计算值。由试验现象分析，在叠合面粘结不理想时，箍筋承受了大部分剪力且失去了与混凝土的协同作用，导致试件的极限抗剪承载力明显被削弱。

开裂剪力试验结果与规范公式计算值对比 表4

极限抗剪承载力试验结果与规范公式计算值对比 表5

从图8可以看出，弯剪段斜裂缝出现前，叠合面有无缺陷对叠合梁试件的刚度影响不大，但叠合面存在的缺陷越大，开裂剪力越小；斜裂缝出现后，弯剪段叠合面缺陷较大的试件PCB-RS180-D刚度明显降低，而无缺陷试件PCB-RS130和缺陷较小的试件PCB-RS130-D刚度下降较小。存在缺陷的2根试件在缺陷区叠合面出现滑移后，跨中挠度迅速增大，随后缺陷区箍筋被拉断，叠合梁出现斜截面破坏，试件PCB-RS180-D破坏前后变形如图9所示。

图9 试件PCB-RS180-D破坏前后变形

3.2 裂缝分布

图10为试件PCB-RS130裂缝分布。试件在荷载加至60kN时，在跨中出现第一条竖向裂缝，同时，在纯弯段出现从底部以45°延伸向加载点的斜裂缝，但自始至终在背面都没有出现相应的对称裂缝且裂缝宽度也较小，故判断此裂缝的出现是梁制作和运输的原因导致的个例，可忽略。在加载至160kN时，在右侧弯剪段内侧出现第一条斜裂缝。在加载至200kN时，在左侧弯剪段内侧出现斜裂缝，同时右侧弯剪段外侧出现斜裂缝；在此之后，纯弯段竖向裂缝缓慢发展，弯剪段左右两侧的外侧斜裂缝均成为了主斜裂缝，在沿叠合面延伸一小段后继续以45°向加载点延伸。在加载至430kN时，弯剪段左侧主斜裂缝宽度达到1.50mm，在主斜裂缝沿叠合面发展的一小段中叠合面出现微小滑移，其余叠合面外观保持良好，没有明显开裂滑移，这说明有良好构造措施的叠合梁叠合面在达到承载能力极限状态时仍能保证大部分叠合面粘结良好。

图10 试件PCB-RS130裂缝分布

图11为试件PCB-RS130-D裂缝分布。试件同样在荷载加至60kN时，在跨中出现第一条竖向裂缝。在加载至150kN时，在左右两侧弯剪段内侧均出现第一条斜裂缝，斜裂缝在出现后均逐渐沿45°向邻近加载点延伸。但由于缺陷的存在，左侧斜裂缝通过叠合面时恰好在缺陷内边缘，故无明显的沿叠合面延伸，而是向粘结更差的缺陷段反向撕裂叠合面一小段后继续以45°向加载点延伸；而右侧第一条斜裂缝在延伸至接近叠合面后发展停滞。在加载至260kN时，在更外侧出现第二条斜裂缝并迅速越过叠合面沿右侧缺陷上表面延伸至内边缘后继续以45°向加载点延伸。在加载至300kN时，左侧弯剪段叠合面缺陷的外边缘一角出现裂缝并迅速以45°向支座延伸，此时梁整体变形较小，左右两侧弯剪段斜裂缝基本呈现“几”字形，最大主斜裂缝宽度约0.84mm，跨中挠度约6mm。在加载至320kN时，左侧叠合面突然撕裂，主斜裂缝宽度急速增加并超过1.50mm，左侧梁顶面拉裂，叠合梁达到承载能力极限。

图11 试件PCB-RS130-D裂缝分布

图12为试件PCB-RS180-D裂缝分布。试件在荷载加至80kN时，在跨中出现第一条竖向裂缝。但由于叠合面处的缺陷较大，第一条斜裂缝在加载至100kN时，在左侧弯剪段出现并沿约60°向上延伸，同时缺陷外边缘一角也出现斜裂缝并向下延伸，两条斜裂缝在加载至120kN时交汇成为主斜裂缝，并在加载至160kN时越过叠合面沿缺陷上边缘发展，在完全越过缺陷后以60°向加载点延伸；同时在右侧未出现主斜裂缝的情况下在叠合面缺陷边角处出现裂缝。在加载至200kN时，左侧第二条斜裂缝在弯剪段内侧底部出现并沿45°向上延伸，同时右侧叠合面出现较长的水平裂缝但没有明显滑移。在加载至240kN时，叠合梁左右两侧弯剪段上部均开始拉裂，此时梁整体变形依旧较小，左右两侧弯剪段斜裂缝基本呈现“几”字形，最大斜裂缝宽度为1.10mm，跨中挠度7.40mm。在加载至260kN时，左侧主斜裂缝宽度达到1.50mm，叠合面出现撕裂和滑移，但滑移量较小，主要出现在存在缺陷的区段。在加载至278kN时，叠合梁左侧弯剪段叠合面突然撕裂、箍筋拉断，试件破坏。

图12 试件PCB-RS180-D裂缝分布

3.3 应变发展

图13为试件PCB-RS130截面混凝土应变随荷载的发展变化，另2根试件截面混凝土应变发展无明显区别，故此处不再论述。由图可知：在裂缝出现以前，试件各测点应变都非常小；在斜裂缝出现后，弯剪段部分应变片由于斜裂缝通过而急剧增大，跨中段受拉和受压区混凝土应变增长均较稳定，受裂缝发展的影响较小。

图13 试件PCB-RS130截面混凝土应变发展

图14和图15为2根有缺陷梁钢筋应变随荷载的发展变化。由图可知：弯剪段叠合面存在缺陷导致的叠合面水平开裂会使混凝土过早退出工作而由箍筋承担主要拉应力，最终均由于叠合面处箍筋拉断而破坏；跨中截面纵向钢筋应变增长较为稳定，均未达到屈服应力。

图14 试件PCB-RS130-D截面钢筋应变发展

图15 试件PCB-RS180-D截面钢筋应变发展

4 结论

(1)叠合面粘结构造良好的叠合梁试件表现出了剪压破坏形态，整个加载过程中叠合面没有出现明显的滑移现象，斜裂缝仅沿叠合面水平开展一小段就继续向加载点延伸。

(2)弯剪段叠合面存在缺陷的2根试件均只有1条主斜裂缝，此裂缝延伸至叠合面后沿水平开裂通过整个缺陷区段，之后在缺陷的另一端才出现第2条斜裂缝，最终弯剪段斜裂缝均呈现明显的“几”字形。

(3)弯剪段叠合面存在缺陷对试件的抗剪性能影响较大。与无缺陷叠合梁相比，2根带缺陷试件的开裂剪力分别降低了6.3%和37.5%；极限抗剪承载力分别降低了25.6%和39.5%。

(4)3根叠合梁试件的开裂剪力均小于规范公式计算值；除缺陷较大的试件PCB-RS180-D外，另2根试件的极限抗剪承载力大于规范公式计算值。

(5)在斜裂缝出现之前，带缺陷试件刚度与无缺陷试件差距较小；斜裂缝出现后，叠合面缺陷越大的试件，箍筋越早受力并率先发生屈服，试件刚度显著下降。

(6)在临近破坏时，叠合面存在缺陷的区段会出现1～2mm的滑移，但滑移并不会延伸到整个叠合面，仅延伸至邻近的箍筋截面附近，说明通过叠合面的箍筋对叠合面滑移有明显的抑制作用。