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免拆卸水泥復(fù)合模板-結(jié)構(gòu)混凝土梁的抗彎性能研究

2011-02-15 11:06陳鵬飛
關(guān)鍵詞:撓度彎矩模板

陳鵬飛

( 中鐵十一局集團有限公司,湖北 武昌 430071)

0 引言

目前,在各類現(xiàn)澆混凝土工程中,廣泛應(yīng)用木膠合板模板、竹膠合板模板、塑料模板和鋼模板等[1-4]。其中木膠合板模板和竹膠合板模板的使用最為普遍,這二種模板具有易于在現(xiàn)場加工等優(yōu)點,但容易被腐蝕,使用壽命不長,資源消耗大。國內(nèi)使用塑料模板在強度和剛度方面比竹( 木) 模板還低,另外,塑料模板的熱脹冷縮系數(shù)大。鋼模板雖然使用壽命長,但很難滿足復(fù)雜混凝土構(gòu)件對模板的要求,且自重較大,使用時占用大量工程機械,施工周期長,施工成本較高。

本課題在建筑結(jié)構(gòu)范圍內(nèi),研制一種新型免拆卸的水泥復(fù)合模板,通過專用設(shè)計的多功能鋼構(gòu)件與YJ 型支撐體系固定,當(dāng)結(jié)構(gòu)混凝土澆筑時起模板作用,同時與結(jié)構(gòu)混凝土形成牢固的咬合連接,待混凝土硬化后,成為結(jié)構(gòu)混凝土永久的保護層,當(dāng)結(jié)構(gòu)混凝土達(dá)到拆模齡期,僅需拆除多功能鋼構(gòu)件,而不需拆除水泥復(fù)合模板,所以使用這種混凝土結(jié)構(gòu)新型免拆卸水泥復(fù)合模板,既節(jié)省了木材和鋼材,又降低了勞動強度,提高了工作效率。該新型免拆卸水泥復(fù)合模板已在多項工程實際中得到應(yīng)用,效果明顯。

新型免拆復(fù)合模板構(gòu)造:新型免拆卸模板的主要材料有玻璃網(wǎng)格布、水泥、砂子、增強劑和水,屬于水泥基復(fù)合材料。圖1 為免拆卸水泥復(fù)合模板梁側(cè)模及底模的構(gòu)造圖。

新型免拆卸模板的支撐:新型免拆卸模板支撐構(gòu)件包括橫楞模、豎楞模、角鋼模、定位板、加強肋、斜撐、拉桿等組成,施工簡便,組裝牢固,拆除安全,且使用周期長,較原鋼模使用周期提高20 倍以上,大大降低工程造價。支模構(gòu)件采用樹脂防銹漆或塑料噴涂技術(shù),按類分顏色,因此組裝、拆卸不易混淆,便于堆放、運輸、儲存。

新型免拆卸模板的物理性能:經(jīng)江西省建筑工程質(zhì)量檢測中心檢驗,免拆卸模板的物理性能如下:抗折強度支距355 mm ≥8.0 MPa;吸水率≤12%;抗凍性強度損失≤20%( 抗凍性試驗-15 ℃凍融25 次) 。

通過一根免拆卸模板-結(jié)構(gòu)混凝土梁與一根普通混凝土梁的受彎試驗結(jié)果的對比分析,研究免拆卸模板-結(jié)構(gòu)混凝土梁的受彎力學(xué)性能及其與普通混凝土梁的異同。

1 試驗

1.1 試驗設(shè)計

圖1 混凝土梁免拆卸水泥復(fù)合模板的構(gòu)造圖(單位:mm)

試驗設(shè)計兩根矩形截面梁試件,一根為免拆卸模板混凝土梁,一根為用以對比的普通混凝土梁,各梁的設(shè)計參數(shù)如下:

(1) 試件尺寸及配筋。2 根試驗梁采用相同的截面形式及配筋,具體截面尺寸如圖2 所示,受拉鋼筋采用HRB335 級鋼筋,箍筋采用HPB235 鋼筋,直徑8 mm; ( 2) 混凝土強度等級,混凝土強度等級均為C30;(3) 保護層厚度,試驗梁保護層厚度為30 mm; (4) L-1 為普通混凝土梁,L-2 為免拆卸水泥復(fù)合模板-結(jié)構(gòu)混凝土梁。

圖2 試驗梁截面尺寸及配筋(單位:mm)

1.2 加載及儀表布置

2 根試驗梁均采用三分點對稱加載方式,中間形成純彎段。集中力作用點到相鄰支座距離為1 300 mm,中間純彎段長1 300 mm,梁支座段各留出150 mm。試驗梁采用液壓千斤頂進行加載,千斤頂產(chǎn)生的荷載通過簡支分配梁分成對稱的兩點作用于試驗梁上。試驗過程中量測跨中不同高度處的混凝土應(yīng)變、下部受拉鋼筋應(yīng)變、跨中撓度等。豎向油壓千斤頂與分配梁之間設(shè)置力傳感器。跨中及兩支座處各設(shè)置一個百分表。正式加載前先預(yù)壓10 kN,使加載系統(tǒng)各部分之間接觸良好并檢查各儀表是否工作正常。試驗嚴(yán)格按照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗標(biāo)準(zhǔn)》進行[5-7]。具體加載方式如圖3 所示。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗過程及承載力分析

試驗梁的試驗過程可分為以下三個過程[8]:第一階段為開裂前階段,此時試件處于彈性階段,鋼筋和混凝土的應(yīng)力、曲率等都隨著荷載成比例增大;第二階段為帶裂縫工作階段,跨中彎矩超過開裂彎矩后,最薄弱截面首先出現(xiàn)肉眼可見裂縫,裂縫細(xì)而短,靠近截面下部,與鋼筋的軸線垂直相交,隨著彎矩的增大,已有裂縫緩慢的增寬,并往上延伸,隔一定間距相繼出現(xiàn)新的裂縫,梁呈現(xiàn)出彈塑性特征;第三階段為鋼筋屈服后的階段,梁呈現(xiàn)出明顯的塑性特征。模板與混凝土連結(jié)牢固,未有模板脫落現(xiàn)象。

圖3 試驗梁加載裝置及測點位置(單位:mm)

對比表1 中的試驗結(jié)果,免拆卸模板混凝土梁的開裂荷載(35 kN) 與破壞荷載(164 kN) 均接近于普通混凝土梁的試驗結(jié)果。表1 中M 為承載力設(shè)計值;Mk為使用彎矩;Pk為使用荷載;Pcr為開裂荷載;Pu為破壞荷載。

表1 試驗梁的承載力試驗結(jié)果

2.2 撓度分析

(1) 荷載-撓度關(guān)系曲線。從圖4 可以看出,免拆卸模板-結(jié)構(gòu)混凝土梁與普通混凝土梁的荷載-撓度曲線相似,從開始加載至破壞標(biāo)志,基本經(jīng)歷以下幾個階段:①未裂階段:從試驗加載開始到第一條裂縫出現(xiàn)前,試驗梁全截面工作,基本處于彈性受力階段,表現(xiàn)在荷載-撓度關(guān)系曲線上為跨中撓度隨荷載增加保持線性增長,斜率較大。②帶裂縫工作階段:跨中受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)第一條裂縫后,部分受拉混凝土退出工作,拉力基本上由受拉縱筋承擔(dān),試驗梁剛度突然降低,表現(xiàn)在荷載-撓度關(guān)系曲線出現(xiàn)一個明顯轉(zhuǎn)折點,轉(zhuǎn)折后的曲線斜率明顯減小,此后,荷載-撓度關(guān)系曲線基本保持線性增長。③破壞階段:裂縫寬度及高度增加,截面剛度急劇降低,試驗梁達(dá)到破壞標(biāo)志而宣告破壞。

(2) 使用荷載下?lián)隙认拗涤懻摗T囼灹菏褂秒A段的彎矩值MK與使用荷載PK如表1 所示。由《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定[9-10]:當(dāng)計算跨度小于7 m 時,受彎構(gòu)件的最大撓度不應(yīng)超過其計算跨度的1/200。試驗梁的跨度為3.9 m,所以規(guī)范允許的最大撓度限值為19.5 mm,考慮短期荷載作用下的撓度折減系數(shù)0.6,故撓度限值應(yīng)為11.7 mm。根據(jù)各試驗梁的荷載-撓度曲線可知,在使用荷載情況下,L-1、L-2 的撓度分別為6.58 mm,6.51 mm,二者都小于限值11.7 mm。結(jié)果表明,在使用荷載下,兩根梁均能滿足撓度限值的要求。

2.3 鋼筋應(yīng)變

兩根試驗梁的荷載-跨中鋼筋應(yīng)變?nèi)鐖D5 所示。從圖5 可以看出,鋼筋應(yīng)力在混凝土開裂之前,增長緩慢。開裂之后,受拉區(qū)的混凝土退出工作,截面的拉應(yīng)力由鋼筋全部承擔(dān),鋼筋應(yīng)力的增長明顯加快,在荷載-跨中鋼筋應(yīng)變圖上表現(xiàn)為曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,斜率減小。鋼筋達(dá)到屈服點后,鋼筋應(yīng)力保持屈服強度不變,而應(yīng)變急速增加,直至受壓區(qū)混凝土被壓碎破壞。由于L-2 的開裂荷載略小于L-1 ,在帶裂縫工作階段,相同的荷載下,L-2 的裂縫更多,受拉區(qū)參加工作的混凝土少于L-1,鋼筋應(yīng)變相對大一些。

2.4 裂縫分析

免拆卸模板-結(jié)構(gòu)混凝土梁在荷載作用下,其裂縫發(fā)展過程及裂縫形態(tài)和普通混凝土梁相同。當(dāng)彎矩超過開裂彎矩后,首先在純彎段出現(xiàn)第一條垂直裂縫,隨著荷載的不斷加大,垂直裂縫的數(shù)量不斷增多,裂縫分布較為均勻,寬度不斷增大,裂縫繼續(xù)向上發(fā)展,在支座與加載點之間出現(xiàn)彎剪斜裂縫。臨近破壞時,裂縫寬度迅速發(fā)展,有明顯的破壞征兆。由表2 知,試驗梁的裂縫間距離散性很大,裂縫最大間距/裂縫最小間距達(dá)到2.76,裂縫分布具有一定的隨機性。免拆卸模板-結(jié)構(gòu)混凝土梁的裂縫平均間距略大于普通混凝土梁。

圖4 梁荷載-撓度曲線

圖5 梁荷載-跨中鋼筋應(yīng)變

表2 裂縫間距表

3 結(jié)論

(1) 免拆卸模板-結(jié)構(gòu)混凝土梁的極限承載力及受彎性能與普通混凝土梁相似,免拆卸模板-結(jié)構(gòu)混凝土梁的開裂荷載略小于普通混凝土梁。

(2) 免拆卸模板-結(jié)構(gòu)混凝土梁兩側(cè)及梁底的免拆卸模板在試驗過程中未出現(xiàn)粘結(jié)面分離或剝落等粘結(jié)不良的現(xiàn)象,模板與結(jié)構(gòu)混凝土粘結(jié)牢固。

(3) 使用荷載情況下,研究了免拆卸模板-結(jié)構(gòu)混凝土梁與普通混凝土梁的變形規(guī)律,研究成果可為工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

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