笼模钢筋混凝土柱抗震性能试验研究

刘付钧,肖永生,樊健生,黄忠海,宋凌寒

(1. 广州大学 工程抗震研究中心,广东 广州 510006; 2. 广州容联建筑科技有限公司,广东 广州 510170;3. 清华大学 土木工程系,北京 100084)

0 引言

笼模构件为钢筋笼与周边预制混凝土薄板模壳连接成一体的中空构件,笼模构件在施工现场安装后,一次性浇筑笼模构件中空腔体内的混凝土,形成完整的笼模钢筋混凝土构件。笼模构件可在工厂预先加工制作,具有加工精度高、构件重量轻、制作效率高、可大批量生产等优点。笼模构件在施工现场安装效率高,安装完成后笼模构件自身可承担施工荷载,大幅减少现场施工支撑和模板及钢筋绑扎工作量,现场施工劳动力可减少约50%,施工速度可达到3～4 d/层,总施工工期可缩短约50%[1]。

笼模钢筋混凝土构件与传统钢筋混凝土构件的主要区别是:梁、柱和剪力墙构件的箍筋采用成型格网箍筋;笼模预制件的模壳混凝土在工厂浇筑,与现场浇筑的中空腔体内的混凝土存在二次结合面;构件纵筋采用100%搭接方式连接。

已有国内外学者对采用成型格网箍筋的钢筋混凝土柱[2-9]、梁[10-11]和剪力墙[12-14]构件的受力及抗震性能进行了充分研究,成型格网箍筋(焊接钢筋网,WRG)在国外已有大范围应用[15]。MAU等[3]较早地对WRG约束钢筋混凝土柱进行轴压试验,试验结果显示混凝土在WRG约束作用下强度提高在1.1～1.5之间。KUSUMA等[5-6]于2011年进一步对9格和4格WRG约束钢筋混凝土柱进行了轴压试验研究,结果表明WRG对核心混凝土的强度和延性均有较大提高。刘付钧等[1]系统地对采用成型格网箍筋的钢筋混凝土梁、柱和剪力墙构件进行了试验研究,包括构件单调加载和往复加载作用下的受力性能。文献[8-9]论证了焊接钢筋网对钢筋混凝土柱的内部纵筋及混凝土均具有良好的约束作用,可以保证纵筋和混凝土的材料强度得到充分利用。总体而言,已有研究主要针对在传统钢筋混凝土构件中配置成型格网箍筋(焊接钢筋网)的受力性能,而对于笼模钢筋混凝土构件的力学性能研究较少。本文针对采用成型格网箍筋的笼模钢筋混凝土柱的抗震性能进行试验研究,并与传统钢筋混凝土柱进行对比,研究内容包括:①笼模构件的模壳混凝土和中空腔体内的混凝土分2次浇筑对笼模钢筋混凝土柱受力性能的影响;②笼模构件的模壳采用不同强度混凝土对笼模钢筋混凝土柱受力性能的影响;③笼模钢筋混凝土柱纵筋采用100%搭接对构件受力性能的影响;④结合试验结果,提出适用于笼模钢筋混凝土柱的承载力公式及构造要求。

1 试验概况

1.1 试件设计和制作

柱笼模构造及纵筋搭接示意图如图1～图2所示。

图1 柱笼模Fig. 1 Reinforcement cage and formwork of column

图2 柱搭接示意Fig. 2 Lapping of column reinforcement

图3 试件截面和配筋Fig. 3 Specimen section and reinforcement

表1 试件主要参数Table 1 Major parameters of specimens

1.2 材料性能试验

试件采用同批商品混凝土和钢筋制作。按照GB 50011—2010《混凝土结构设计规范》[17](简称规范)的要求制作了混凝土立方体试块,进行了单轴受压试验,得到立方体抗压强度,并通过规范[17]给出的公式,计算得到混凝土的轴心抗压强度。混凝土材性数据如表2所示,钢筋材性数据如表3所示。

表2 混凝土材料力学性能Table 2 Mechanical properties of concrete

表3 钢筋材料力学性能Table 3 Mechanical properties of rebar

1.3 加载制度和量测方案

试验采用加载能力为2000 t的装置进行加载,加载装置示意如图4所示。试验过程中保持恒定的竖向轴压力(其中,试件Z1与Z3的竖向轴压力为2383 kN,试件Z2与Z4的竖向轴压力为4583 kN),同时通过2个水平 MTS伺服作动器施加水平往复荷载。

图4 加载装置示意图Fig. 4 Test setup

试件施加的恒定轴压力按式(1)确定:

Nt=nfcAc/1.3

(1)

式中:n为柱的轴压比设计值; 试件Z1和Z3设计轴压比为0.8,试件Z2和Z4设计轴压比为0.9;1.3为荷载分项系数;fc、Ac分别为混凝土轴心抗压强度设计值和混凝土截面面积,fc按表2试验结果确定。

根据GB/T 50152—2012《混凝土结构试验方法标准》[18]及JGJ/T 101—2015《建筑抗震试验规程》[19],水平往复荷载采用力、位移控制方式分阶段施加。通过预加载确定试件弹性极限约为1/400位移角,因此试件位移角达到1/400前采用力控制加载,每级荷载50 kN,每级循环1次;位移角达到1/400后采用位移控制分级加载,每级位移角增量为1/400,每级循环3次,直至试件破坏,即水平荷载值下降到极限荷载值的85%以下。

为量测施加的水平荷载及试件的宏观变形,如图5所示,在加载线中部、试件主体表面以及两端布置数个位移计,并在地梁上布置位移计用于量测地梁的转角位移和水平位移。同时,在试件底部1/4高度内边缘纵筋上沿高度布置数个应变片,用于检测塑性铰区域内纵筋应变分布,从而评估纵筋100%搭接能否可靠传力,如图6所示,ZX-ZJ1～8贴于底部伸出纵筋上,ZX-ZJ9～14贴于柱笼模纵筋上;此外,沿柱高方向选取3个高度处成型格网箍筋布置应变片以获取其应变数据,如图7所示,图中H、M和L分别表示高位、中位和低位。

图5 位移计布置Fig. 5 Arrangement of displacement meters

图6 纵筋应变片布置Fig. 6 Arrangement of longitudinal reinforcement strain gauges

图7 成型格网应变片布置Fig. 7 Arrangement of strain gauges for prefabricated welded grid stirrups

2 试验现象及结果分析

2.1 破坏过程及形态

试件的破坏过程可以分为以下3个阶段:

1)弹性及弯曲裂缝出现阶段。随着荷载的增加,各试件底角部位均出现细小的弯曲裂缝,此阶段荷载-位移曲线基本保持直线。试件Z1、Z3与Z4在加载至250 kN时位移角达到0.25%;试件Z2在加载至300 kN时位移角达到0.25%,之后转入位移加载。

2)弯曲裂缝发展阶段。继续加载,各试件根部出现更多的横向弯曲裂缝,荷载-位移曲线出现转折,试件刚度有所减小。随着荷载继续增加,根部横向裂缝逐渐发展为数条主要裂缝,继续加载则试件角部出现竖向裂缝和混凝土剥落。试件Z1、Z2、Z3与Z4的承载力峰值分别为450、520、490、540 kN左右。

3)破坏阶段。继续加载,根部混凝土出现更多剥落,钢筋发出屈曲响声,承载力明显下降。试件Z1加载至位移角2.50%时,承载力下降至峰值的85%;试件Z2、Z3与Z4加载至位移角2.25%时,承载力下降至峰值的85%。试件最终的破坏形态如图8所示。由图可知,4个试件最终破坏均集中于根部,呈现出弯曲变形为主的压弯破坏形态。

图8 试件破坏形态Fig. 8 Failure mode of specimens

试件的裂缝发展情况如图9所示。由图可知,4个试件的裂缝分布基本一致,均在底部大约1/3内产生塑性铰及发展横向弯曲裂缝,由于混凝土压溃和纵筋屈服丧失承载力。对比Z1与Z3、及Z2与Z4,可以看出,裂缝形态和分布均相近,说明笼模钢筋混凝土柱相对传统钢筋混凝土柱的受力机理没有明显改变;对比Z3与Z4,可以看出,Z4裂缝分布更加接近底部,说明提高混凝土的强度会在一定程度上影响塑性铰的范围。

图9 试件裂缝分布Fig. 9 Crack distribution of specimens

2.2 承载力和延性对比

试件实验过程的主要力学指标如表4所示,其中屈服点通过“等能量法”作图确定[20]。试件的滞回曲线如图10所示。可以看出,各试件的滞回曲线基本对称,且有捏拢现象,这反映了试验中裂缝的闭合过程,符合柱构件弯剪破坏的典型滞回曲线特点。试件骨架曲线对比如图11所示,均呈现出明显的三折线形式,分为弹性段、强化段与刚度退化阶段。在混凝土开裂以前,各试件基本处于线弹性阶段,刚度变化不明显。随着荷载加剧,各试件进入塑性阶段,表现出较好的塑性变形能力,而当试件到达峰值承载力后,刚度和承载力明显退化。总体来看,2种体系柱在加载过程中都出现变形随外力线性增大-增速放缓-趋于稳定-下降/刚度退化的特征。各试件耗能曲线对比如图12所示。

表4 试验过程力学指标Table 4 Mechanical properties of specimens in experiments

图10 试件滞回曲线Fig. 10 Hysteretic curves of specimens

图11 试件骨架曲线对比Fig. 11 Skeleton curves of specimens

图12 试件耗能曲线对比Fig. 12 Comparison of energy consumption curves of specimens

由图可知,笼模钢筋混凝土柱和传统钢筋混凝土柱的承载力和延性差异较小,笼模构件的模壳混凝土和中空腔体内的混凝土分2次浇筑对构件整体受力性能影响较小,可以认为前者在地震荷载作用下能够保持可靠的受力性能;当模壳混凝土强度低于后浇内腔混凝土强度时,笼模钢筋混凝土柱相对于传统钢筋混凝土柱在破坏前承载力和刚度没有削弱,耗能能力有所提高,但后期延性略低。

2.3 纵筋搭接分析

区别于传统钢筋混凝土柱,笼模钢筋混凝土柱的纵筋采用100%搭接。为验证此连接方式能否可靠传力,在试件Z1底部与试件Z3纵筋搭接范围内(地梁伸出部分纵筋和上部柱纵筋搭接)布设应变片,测得的纵筋应变结果如图13所示。由图可知,对于纵筋通长的试件Z1, 其纵筋应变沿高度变化较小; 而对于纵筋100%搭接的试件Z3,其纵筋应变在搭接段沿高度有更明显的变化,由于搭接段截面积相当于连续纵筋截面积的2倍,应力水平低于连续纵筋,而承担的总荷载相近,说明100%搭接情况下纵筋能够可靠传力。

2.4 箍筋应变值分析

为了检测笼模钢筋混凝土柱采用的成型格网箍筋的受力性能,试验在成型格网箍筋预埋了应变片,测得的应变数据如图14所示。由图可知,笼模钢筋混凝土柱试件的箍筋应变值相对较大,表明箍筋承担了更多内力。各试件在塑性铰范围内的箍筋网片都能达到屈服,应变数据未出现跳跃,表明在试件达到极限承载力之前其箍筋焊点能够保持完整性。因此,可以认为成型格网箍筋在往复荷载下也能可靠传力。

图14 试件底部箍筋应变Fig. 14 Strain of stirrups at bottom of specimens

3 试件承载力和变形能力评估

为了评估笼模钢筋混凝土柱的抗震性能,从承载力和变形能力两方面分析试验结果。承载力方面,用试件实测荷载与现行规范公式计算的承载力对比,以验证已有方法能否合理预测笼模钢筋混凝土柱的承载力;变形能力方面,则通过试件的位移延性系数及极限位移角2个关键指标评估。

3.1 承载力评估

实测承载力与规范[17]预测值对比如表5所示。由图可知,试件Z1、Z2的结果基本一致,试件Z3、Z4的结果存在一定偏差,但实测值均高于规范[17]预测值,说明采用成型格网箍筋及纵筋100%搭接能够保证受力的可靠性。由于试件Z4模壳混凝土强度低于后浇内腔混凝土强度,其承载力计算值应比全截面混凝土为C60的试件承载力略低,从偏安全设计的角度考虑,应对规范[17]的相关公式作修正。基于以上分析,可以认为笼模钢筋混凝土柱的承载力与传统钢筋混凝土柱基本一致,能够满足规范要求。

表5 实测承载力与规范[17]预测值对比Table 5 Comparison between measured shear capacity and predicted values according to code试件编号规范[17]预测值/kN实测承载力/kN相对偏差/%Z14334411.8Z24855308.4Z34334667.1Z44855257.6表6 试件变形指标Table 6 Deformation index of specimens试件编号位移延性系数μ极限位移角θpZ13.341/40Z23.061/45Z33.081/44Z43.131/44

3.2 变形能力评估

在众多结构性能评价方法中,变形方法是最简单适用的方法之一,也是目前各国建筑抗震规范中应用最广的性能评价方法[21]。位移延性系数及极限位移角是反映构件变形能力的2个主要指标,一般认为,在水平地震反复荷载作用下,框架柱的位移延性系数μ≥3和极限位移角θp≥1/50就可满足延性要求[22]。计算结果如表6所示,由表可知配置成型格网箍筋的传统钢筋混凝土柱和笼模钢筋混凝土柱的位移延性系数及极限位移角均满足要求,试件具有良好的变形能力。

4 承载力计算公式推导

通过以上分析表明,笼模钢筋混凝土柱的受力机理与传统钢筋混凝土柱无本质区别。由于模壳内侧设置的抗剪键能够保证模壳和后浇内腔混凝土共同工作,且试验中观察到相同强度的笼模钢筋混凝土柱试件承载力不低于传统钢筋混凝土试件,因此在进行构件正截面承载力计算公式推导时,可以计入模壳的作用。计算时截面应变分布符合平截面假定,受压区混凝土及受拉区钢筋采用与传统钢筋混凝土柱相同的应力应变关系。如前所述,规范[17]的相应公式整体上符合笼模钢筋混凝土柱的正截面承载力计算原理,但考虑到模壳混凝土强度与后浇内腔混凝土强度可能不同,公式做相应调整。

如图15所示,当受压区高度x大于hf且小于(h-hf)时,根据力平衡条件和弯矩平衡条件,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为系数;fcf为模壳混凝土轴心抗压强度设计值;bc为后浇内腔混凝土的截面宽度;tf为截面两侧的模壳厚度;hf为截面受压侧的模壳厚度;M1为受压区后浇内腔混凝土提供的抵抗弯矩;M2为受压区模壳混凝土提供的抵抗弯矩;M3为钢筋提供的抵抗弯矩。

理论承载力与实测承载力对比如表7所示。由表可知,试件Z3的结果吻合较好,试件Z4的结果存在一定误差,但实测承载力均高于理论承载力。因此,当模壳混凝土强度与后浇内腔混凝土强度相同时,可按本文提出的公式进行正截面受压承载力计算;当模壳混凝土强度低于后浇内腔混凝土强度时,也可偏于保守地按本文推导的公式计算。

表7 理论承载力与实测承载力对比Table 7 Comparison between theoretical bearing capacity and measured capacity

5 结论

本文针对笼模钢筋混凝土柱的抗震性能进行了试验研究,并与传统钢筋混凝土柱进行对比,得到以下结论:

1)笼模钢筋混凝土柱的承载能力和延性与传统钢筋混凝土柱基本一致,刚度略有提升。

2)从变形、裂缝分布、破坏形态来看,笼模钢筋混凝土柱的受力机理与传统钢筋混凝土柱没有明显差异,可以按传统钢筋混凝土柱的计算原理和方法进行设计计算。

3)笼模钢筋混凝土柱的纵筋100%搭接做法与纵筋贯通的做法相比,会使纵筋应变沿高度分布的差异增大,但仍然能够可靠传力。

4)成型格网箍筋在地震荷载作用下具有良好的承载力和变形能力,在实际工程中可用于替代传统普通箍筋。

5)按本文提出的承载力公式计算结果与试验结果基本吻合,研究成果可作为工程设计的理论依据。