超高层建筑预制钢筋混凝土组合梁抗弯性能研究

柴 燕

(江汉大学 数字建造与爆破工程学院,湖北 武汉 430012)

针对超高层建筑预制钢筋混凝土组合梁的抗弯问题,已经得到了一些较好研究成果。如选取3组12根等高度的水泥复合材料梁柱,通过对比实验获取梁柱承载力、钢筋挠度以及裂缝开裂变形宽度等指标测试结果,以此验证梁柱抗弯性能[3]。设计了3根混凝土钢结构组合梁试件,并对其破坏形态、荷载曲线以及位移分布展开分析[4]。根据混凝土、钢筋等材料在疲劳加载过程中疲劳退化程度以及残余变形发展规律,建立材料的有限元模型;再以建立的模型为基础对混凝土钢结构组合梁完成稳固性分析与测试[5]。上述方法在现阶段研究中具有一定应用优势,但由于未通过三分点加载原理制定详细的试验方案,导致研究不够全面。

为此,研究着重制定了预制钢筋混凝土组合梁抗弯性能测试过程的加载方式,以验证在多种情况下钢筋混凝土组合梁的抗弯性能,增强研究的全面性。

1 抗弯性能测试方法设计

混凝土材料使用高性能C35型号ECC细石混凝土,实测抗压强度控制在48.0 MPa,抗拉强度为23.5 MPa。ECC主要由普通硅酸盐水泥、石英砂、粉煤灰以及PVA纤维搅拌而成。高性能C35型号ECC细石混凝土被认为是未来建筑材料的发展方向之一。ECC力学性能如表1所示。

表1 ECC混凝土参数力学性能

HRB335二级钢筋材料绑扎至混凝土后置入模板分层浇筑,再倒入ECC振捣至密实[6],浇筑混凝土振捣密室完成梁柱试件的制作。组合梁尺寸为3 m×0.3 m×6 m,单钢筋长度为6 m,直径为8 mm,单混凝土板的尺寸与组合梁尺寸相同。为提高实验数据的可信度,设置3组实验,每组试件分为单混凝土板、单钢筋和钢筋混凝土组合梁3种形式;梁柱试件分组如表2所示。

表2 试件分组结果

2 组合梁压力加载方式设计

实验中采用三分点静力加载方式,并依次记录各个设备的观察数据,获取试件在测试过程中的各项数据指标形态。加载示意图如图1所示。

图1 三分点静力加载示意图

测试过程中,在位移量测试件支座、加载点以及跨中等位置等间距布设若干千分表,通过千分表的读数结果,获取各个组别梁柱试件截面荷载作用下应变值[7-8];与此同时,在BFRP筋跨[9]中位置设置2个应变片测量组合梁柱受拉作用下的应变值;使用千斤顶对试件实施挤压,通过传感器测量梁柱荷载状态以及裂缝在荷载作用下的发展规律。

3 测试结果分析

3.1 受弯承载力、延性及位移测试数据

对3组试件的测试数据求取平均值,所得各个阶段的试件跨中弯矩对应位移、延性系数,结果如表3所示。

表3 梁柱试件受弯承载力、位移、延性系数汇总表

由表3可知,3组试件梁柱的开裂弯矩以及位移值测试结果相差较大。但混凝土板和单钢筋试件测试出的各项梁柱受弯承载数值参数均低于组合梁柱测试结果,并且对比表3数据可看出,混凝土板材中添加的钢筋数量越多,试件的受弯承载力越高,抗弯挠度越小。

3.2 抗弯极限承载力分析

获取钢筋-混凝土组合前后预制钢筋混凝土组合梁抗弯加测试过程中试件承载力极限状态观测图,如图2所示;获取研究组合梁抗弯承载力极限状态数据,结果如图3所示。

图2 试件承载力极限状态观测图

图3 组合梁抗弯承载力极限状态分布

由图3可知,组合梁试件的抗弯承载力与综合配筋指数存在相关,随着配筋指数的增加,试件梁柱测试出的抗弯承载力以线性趋势上涨。

3.3 承压加载下梁柱试件位移

基于上述表3数据,分析试件在荷载作用下的三分点跨中位移曲线,获取试件在加载过程中的弯矩变形性能,结果如图4所示。

(a)BA组试件抗弯变形性能测试结果

由图4可知,随着试件上荷载力的不断增加,测试出的梁柱的跨中位移值呈现不断增加趋势。测试组别中,单混凝土板和单钢筋试件的形变量明显高于加固试件梁。

3.4 承压加载下梁柱试件裂缝形变

荷载状态下各组试件在抗弯矩裂缝形变曲线如图5所示。

(a)BA组试件

由图5可知,随着加载压力的增大,组合梁试件的裂缝宽度值小于单混凝土板和单钢筋。根据3组结果综合分析可知,随着组合梁ECC高度替换率的不断增加,裂缝曲线在后期斜率明显增大,由此可证明使用ECC替换试件梁柱能够有效的抵挡试件受拉运动下的试件抗裂性能[10-12],延迟试件梁柱的裂缝宽度增长。

3.5 承压加载下梁柱试件受压应变值测试

测试出的试件跨中弯矩抗弯应变结果如图6所示。

(a)BA组试件

由图6可知,相同弯矩承载力下,BA组的单混凝土板试件以及BB组的单钢筋试件受压应测试结果高于组合梁柱的弯矩抗弯应变结果,并且会随着承载力的增加而不断升高。而且,组合梁试件在相同弯矩承载力作用下,纵筋拉应变要明显小于其余两组试件的测试结果。由此可证明,预制钢筋混凝土组合梁能够使梁柱具备更优的承压性能,有效抵抗梁柱试件的变形。

4 结语

(1)超高层建筑预制钢筋混凝土组合梁承载力显著优于单混凝土板与单钢筋;

(2)混凝土板材中加入的钢筋数量越多,组合梁柱抗弯性能越优;

(3)外在压力逐渐增加时,混凝土钢筋组合梁的裂缝的宽度和长度增长速度均较低;

(4)组合梁能够承担梁柱自身BFRP纵筋的拉力,从而缩减组合梁在荷载作用下的拉应变值,有效抵抗梁柱的变形。