崔文瀟 劉 琛 陳忠范 尹萬(wàn)云 劉守城

(1東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)(2中國(guó)十七冶集團(tuán)有限公司, 馬鞍山 243000)

拼縫是裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),結(jié)構(gòu)的抗震性能和整體性主要取決于拼縫連接的好壞[1]．目前常見的保證拼縫受力性能的構(gòu)造措施主要包括提高新舊混凝土黏結(jié)強(qiáng)度、改進(jìn)拼縫處鋼筋構(gòu)造和合理設(shè)計(jì)拼縫位置與數(shù)量等．提高新舊混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的主要方法有新混凝土強(qiáng)度等級(jí)比原混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高1級(jí)、增加新舊混凝土結(jié)合面粗糙度、使用界面劑等[2-3]．拼縫處鋼筋的構(gòu)造方式主要有減小搭接鋼筋彎折角度并增大搭接長(zhǎng)度、增加抗裂鋼筋[4-5]、在不同預(yù)制板端部設(shè)置U型鋼筋環(huán)片于接縫中咬合對(duì)接并在環(huán)片中插入圓鋼棒[6]等．關(guān)于拼縫位置設(shè)計(jì),文獻(xiàn)[4]指出拼縫位置應(yīng)避開樓板受力較大處,適當(dāng)增加拼縫數(shù)量可有效提高樓板承載力,應(yīng)加大拼縫寬度保證鋼筋連接長(zhǎng)度．文獻(xiàn)[7]指出雙向疊合板板側(cè)的整體式接縫宜設(shè)在疊合板的次要受力方向,且應(yīng)避開最大彎矩截面．

本課題組提出了一種帶有后澆帶拼縫的新型裝配式空心井字樓蓋[8],可適用于大跨度預(yù)制結(jié)構(gòu)．為了解不同拼縫構(gòu)造對(duì)新型裝配空心井字樓蓋受彎性能的影響,本文對(duì)5個(gè)具有不同拼縫構(gòu)造形式的新型空心井字樓蓋板帶進(jìn)行了豎向靜載試驗(yàn),分析了拼縫數(shù)量、拼縫接觸面粗糙度、拼縫寬度和拼縫位置4個(gè)因素的影響．

1 拼縫試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)構(gòu)件設(shè)計(jì)與施工

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了5組構(gòu)件CIPS,PCS1,PCS2,PCS3,PCS4,基本設(shè)計(jì)參數(shù)見表1．除CIPS為整體澆筑外,其余構(gòu)件采用至少2個(gè)預(yù)制板拼裝而成,各構(gòu)件拼縫位置見圖1．所有構(gòu)件采用與實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸1∶2的比例制作,圖1中均為試驗(yàn)制作尺寸．5組構(gòu)件頂板、底板和肋梁的配筋全部一致,區(qū)別在于有拼縫的預(yù)制構(gòu)件存在外伸的連接鋼筋．圖2為試驗(yàn)構(gòu)件配筋圖．

表1 試驗(yàn)構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)

預(yù)制板裝配工序?yàn)?① 固定預(yù)制板;② 支模;③ 綁扎連接底板、頂板鋼筋;④ 焊接連接肋梁鋼筋;⑤ 澆筑拼縫內(nèi)底板混凝土;⑥ 放置發(fā)泡混凝土塊;⑦ 澆筑拼縫內(nèi)頂板混凝土．拼縫界面劑采用水泥砂漿．預(yù)制板側(cè)面存在20 mm寬的混凝土封邊,構(gòu)件和拼縫采用細(xì)石混凝土,設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40．

(a) CIPS

(d) PCS4

(a) A-A

(b) B-B

(c) C-C

預(yù)制構(gòu)件采用商品混凝土,試塊同養(yǎng)護(hù)情況下受壓強(qiáng)度為48 Pa,拼縫處混凝土現(xiàn)場(chǎng)制作,試塊受壓強(qiáng)度為41 Pa．4 mm冷拉板筋屈服強(qiáng)度為306 Pa,肋梁縱筋和箍筋屈服強(qiáng)度為382 Pa．發(fā)泡混凝土塊密度為280 kg/m3,受壓強(qiáng)度為0.6 Pa．預(yù)制構(gòu)件P3接觸面存在20 mm深的齒槽,通過(guò)模板上凹凸物形成．除P1和P3外所有預(yù)制構(gòu)件需連接的側(cè)面為人工鑿毛形成的人工毛糙面,粗糙度介于1～5 mm之間．

1.2 加載裝置及測(cè)點(diǎn)位置

構(gòu)件采用液壓千斤頂通過(guò)分配梁加載,加載點(diǎn)位于構(gòu)件跨度方向三分點(diǎn)位置,加載示意見圖3．整個(gè)加載過(guò)程分為預(yù)加載、正式加載和卸載3個(gè)步驟,其中預(yù)加載分為2級(jí),每級(jí)加載1 kN,正式加載時(shí)每級(jí)加載2 kN,開裂后每級(jí)加載1 kN．每級(jí)荷載加載完畢后持荷,并對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件開裂情況進(jìn)行觀察．板底布置位移計(jì)以觀察實(shí)驗(yàn)構(gòu)件的撓度變化．在拼縫和鄰近位置均布置了混凝土應(yīng)變片(見圖4)． 鋼筋應(yīng)變片布置示意圖見圖5．圖中C1～C23為混凝土應(yīng)變片;S1～S35為鋼筋應(yīng)變片．定時(shí)采集數(shù)據(jù),時(shí)間間隔為5 s．

圖3 加載示意圖(單位:mm)

(a) PCS1底板

(b) PCS1頂板

(c) PCS2底板

(d) PCS2頂板

(a) 頂板

(b) 底板

1.3 試驗(yàn)現(xiàn)象與裂縫發(fā)展

相關(guān)規(guī)范[9]規(guī)定,出現(xiàn)以下任一現(xiàn)象即達(dá)到極限承載力狀態(tài):彎曲撓度達(dá)到跨度的1/50；受拉主筋處裂縫寬度達(dá)到1.5 mm;鋼筋屈服或應(yīng)變達(dá)到0.01；構(gòu)件受拉主筋斷裂；彎曲受壓區(qū)混凝土受壓開裂、破碎．

構(gòu)件CIPS屬于受彎破壞．當(dāng)加載至10 kN后在板底跨中位置觀察到第1條裂縫．隨著加載的繼續(xù)進(jìn)行,裂縫增多,最寬裂縫所在截面(控制截面)位于跨中附近．加載至24.8 kN時(shí)底板板筋斷裂,該位置處的裂縫寬度達(dá)到近1.5 mm,意味著構(gòu)件破壞．繼續(xù)加載則發(fā)現(xiàn)撓度增加,而荷載開始下降．

構(gòu)件PCS1,PCS2和PCS4的試驗(yàn)現(xiàn)象相似,均屬于受彎破壞．在荷載加至6 kN時(shí),拼縫接觸面出現(xiàn)通長(zhǎng)的初始裂縫．隨著加載的繼續(xù)進(jìn)行,初始裂縫不斷發(fā)展并沿板側(cè)向上延伸．加載值大于10 kN時(shí),位于加載區(qū)內(nèi)的預(yù)制板底出現(xiàn)新的橫向裂縫．試驗(yàn)后期,底板鋼筋屈服并隨著荷載加大而斷裂,結(jié)束試驗(yàn)．對(duì)比發(fā)現(xiàn)構(gòu)件PCS2的拼縫接觸面處裂縫寬度最小,構(gòu)件PCS4最大．

構(gòu)件PCS3的2條后澆帶拼縫位于加載點(diǎn)外．荷載加載至8 kN時(shí),裂縫同時(shí)出現(xiàn)在兩側(cè)拼縫接觸面上．加載至13 kN時(shí),跨中位置出現(xiàn)一條不通長(zhǎng)的細(xì)微裂縫．加載至16 kN時(shí),拼縫處細(xì)微裂縫發(fā)展為通長(zhǎng)裂縫．板底鋼筋斷裂后,跨中裂縫寬度超過(guò)1.5 mm時(shí)結(jié)束加載．試驗(yàn)結(jié)束時(shí)板底裂縫分布均勻,其余構(gòu)件的裂縫則主要集中于跨中附近．

總體而言,所有試驗(yàn)構(gòu)件均為受彎破壞,至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)底板部分板筋斷裂，說(shuō)明其錨固可靠且發(fā)揮了較大作用．板底裂縫幾乎全部為橫向裂縫,除通長(zhǎng)裂縫外其余橫向裂縫位于板中間位置,即縱向肋梁底部裂縫間距約為10 cm,底板裂縫間距約為15 cm．根據(jù)文獻(xiàn)[10],平均裂縫間距l(xiāng)m的計(jì)算公式為

(1)

式中,cf為系數(shù),取決于構(gòu)件的內(nèi)力狀態(tài),對(duì)受彎構(gòu)件取cf=1;c為保護(hù)層厚度;deq為鋼筋直徑;ρte為混凝土受拉時(shí)的有效截面面積．

裂縫間距為2/3lm～4/3lm,計(jì)算得到的裂縫間距為89～178 mm,這與試驗(yàn)結(jié)果較為一致．除CIPS外所有構(gòu)件直至試驗(yàn)結(jié)束拼縫內(nèi)未發(fā)展新裂縫,裂縫僅出現(xiàn)在拼縫接觸面．但根據(jù)計(jì)算,裂縫間距小于拼縫寬度,究其原因在于,拼縫內(nèi)連接鋼筋之間存在一定的相對(duì)滑移,使得需要更長(zhǎng)距離來(lái)將鋼筋應(yīng)力傳遞給混凝土,故在拼縫內(nèi)未產(chǎn)生新裂縫．

試驗(yàn)構(gòu)件PCS1,PCS2和PCS4的最寬裂縫所在截面(破壞截面)位于拼縫接觸面,構(gòu)件CIPS和PCS3的破壞截面位于跨中,其中構(gòu)件PCS3最初開裂截面出現(xiàn)在拼縫接觸面,由此說(shuō)明拼縫是薄弱環(huán)節(jié)．將接觸面做成2 cm的凹凸齒槽,對(duì)結(jié)構(gòu)開裂和裂縫分布沒有明顯改善．表2列出了所有試驗(yàn)構(gòu)件的開裂荷載Fcr、極限荷載Fu、加載至開裂荷載時(shí)構(gòu)件最大位移fcr和加載至極限荷載時(shí)構(gòu)件最大位移fu．

表2 試驗(yàn)構(gòu)件的開裂荷載與極限荷載

具有拼縫構(gòu)件的開裂荷載明顯低于構(gòu)件CIPS的開裂荷載．究其原因在于,豎向黏結(jié)的澆筑方式使得新混凝土只能澆筑于老混凝土側(cè)面,而接觸面容易出現(xiàn)離析形成的水層,且突出的粗骨料下會(huì)形成孔洞,使得接觸面存在初始裂紋,從而導(dǎo)致黏結(jié)強(qiáng)度下降,并造成拼縫接觸面在較小荷載時(shí)開裂．

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 構(gòu)件撓度和剛度分析

圖6給出了試驗(yàn)構(gòu)件的位移-荷載關(guān)系曲線．由圖可知,試驗(yàn)初期,所有構(gòu)件的剛度接近線性,且具有一定差異．這是由于預(yù)制構(gòu)件多次運(yùn)輸、存放不當(dāng),拼縫處混凝土澆搗不實(shí)且養(yǎng)護(hù)條件差,拼縫混凝土因批次不同且比預(yù)制混凝土強(qiáng)度低等原因造成的,建議控制施工質(zhì)量．板底開裂后,曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),鋼筋屈服后構(gòu)件的位移急劇增大．拼縫接觸面開裂后,不同構(gòu)件的剛度開始出現(xiàn)明顯差異,構(gòu)件CIPS的剛度始終最大,構(gòu)件PCS3的剛度和現(xiàn)澆板差別不大,構(gòu)件PCS1,PCS2和PCS4的剛度差異較?。?/p>

圖6 構(gòu)件跨中撓度-荷載關(guān)系曲線

根據(jù)規(guī)范[11],構(gòu)件的短期剛度為

(2)

式中,Es和Ec分別為鋼筋和混凝土的彈性模量;As和h0分別為截面受拉鋼筋面積和有效受壓高度;ψ為裂縫間縱向普通受拉鋼筋的應(yīng)變不均勻系數(shù);γf為翼緣截面面積與腹板有效截面面積的比值．

三分點(diǎn)加載受彎構(gòu)件跨中撓度公式為

(3)

式中,F為外力;l為構(gòu)件跨度．

根據(jù)式(2)和(3)進(jìn)行計(jì)算,得到構(gòu)件的位移-荷載關(guān)系曲線見圖6．由圖可知,對(duì)于構(gòu)件PCS1,PCS2,PCS4,加載至16 kN之前,位移的計(jì)算值大于試驗(yàn)值,之后隨著鋼筋屈服,構(gòu)件剛度大幅下降．對(duì)于構(gòu)件CIPS和PCS3,加載至22 kN之前,位移的試驗(yàn)值小于計(jì)算值,隨著鋼筋屈服試驗(yàn)值大幅增加．因此,可采用短期剛度計(jì)算各構(gòu)件在使用階段的撓度,但安全系數(shù)稍有不同．總體而言,設(shè)置在跨中位置的拼縫對(duì)剛度有明顯的削弱,而將拼縫設(shè)置于受力較小位置時(shí)(PCS3),剛度與現(xiàn)澆構(gòu)件相差不大．

2.2 平截面假設(shè)

圖7列出了PCS1跨中拼縫附近截面內(nèi)不同高度混凝土與鋼筋的應(yīng)變數(shù)值．從截面底部到頂部,應(yīng)變點(diǎn)分別為C7,S7,S21,S28,所有應(yīng)變片水平方向距板中心200 mm,位于肋梁外．試驗(yàn)構(gòu)件基本符合平截面假設(shè),隨著荷載的增加,構(gòu)件底部混凝土開裂,中和軸從2 kN時(shí)的114 mm上移至12 kN時(shí)的127 mm處．構(gòu)件空心處的發(fā)泡混凝土塊有助于頂板和底板之間力的傳遞,從而使截面作為整體平面受力變形．根據(jù)C7和S7的應(yīng)變值可看出,底板混凝土進(jìn)入塑性變形后板筋通過(guò)與混凝土的黏結(jié)力起到了約束變形的作用．

圖7 PCS1截面應(yīng)變-截面高度曲線關(guān)系

2.3 受壓翼緣寬度

取構(gòu)件CIPS,PCS1和PCS3的跨中截面頂板混凝土應(yīng)變進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見圖8．由圖可知,板橫截面中心(即縱向肋梁處)應(yīng)變最大,靠近板邊緣處應(yīng)變最小,即在構(gòu)件受力截面上同一高度處沿翼緣方向的應(yīng)變不是均勻分布的．構(gòu)件的有效受壓翼緣寬度為[11]

(a) F=5 kN

(b) F=15 kN

(4)

式中,t為受壓翼緣厚度;c為翼緣寬度;σ(x,y)為翼緣板正應(yīng)力函數(shù),其中x為沿跨度方向的坐標(biāo);y為沿橫截面寬度方向坐標(biāo);σmax為橫截面最大正應(yīng)力．

表3 試驗(yàn)構(gòu)件有效受壓翼緣寬度 mm

2.4 拼縫處受力分析

以構(gòu)件PCS2為例,進(jìn)行拼縫處應(yīng)變分析．混凝土應(yīng)變片C1,C5,C3和C7布置在構(gòu)件底板, C15,C18,C16和C19布置在構(gòu)件頂板,且C1,C3,C15,C16位于拼縫接觸面上．鋼筋應(yīng)變片布置在縱向肋梁底筋上,具體位置見圖5,其中S1位于拼縫內(nèi)．圖9為拼縫接觸面和拼縫內(nèi)混凝土應(yīng)變對(duì)比曲線．由圖可知,拼縫接觸面處的混凝土應(yīng)變值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拼縫內(nèi)的混凝土應(yīng)變值．加載至6 kN后底板拼縫處混凝土(C5,C7)應(yīng)變值急劇增加,說(shuō)明混凝土進(jìn)入塑性變形并開裂．頂板拼縫接觸面的混凝土應(yīng)變?cè)跇?gòu)件開裂后急劇增大,加載至18 kN時(shí)混凝土壓應(yīng)變接近2×10-3．由此可知,在拼縫新舊混凝土接觸面出現(xiàn)應(yīng)變集中現(xiàn)象,是構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)．拼縫內(nèi)混凝土的應(yīng)變值較小,直至加載結(jié)束應(yīng)變值未達(dá)到3×10-4,即拼縫內(nèi)混凝土受力較?。囼?yàn)中也發(fā)現(xiàn)拼縫內(nèi)并未出現(xiàn)裂縫．

(a) 底板

(b) 頂板

圖10給出了拼縫內(nèi)外肋梁縱筋的應(yīng)變數(shù)值對(duì)比曲線．由圖可知,對(duì)于拼縫外鋼筋,越靠近跨中則應(yīng)變值越大．拼縫內(nèi)應(yīng)變片S1的數(shù)值小于同在純彎段的S2,表示拼縫內(nèi)鋼筋應(yīng)變小于鄰近位置拼縫外鋼筋的應(yīng)變值,主要原因是拼縫內(nèi)鋼筋面積加倍．

圖10 PCS2 底板縱向肋梁縱筋沿跨度位置應(yīng)變

2.5 受彎承載力分析

表4列出了構(gòu)件極限承載力試驗(yàn)值Fu與計(jì)算值Fc的比值．由表可知,拼縫的存在降低了構(gòu)件的受彎承載力．相較于現(xiàn)澆構(gòu)件,位于跨中的拼縫明顯削弱了裝配構(gòu)件的承載力,主要原因是跨中拼縫過(guò)早開裂加劇了變形曲率的發(fā)展,此外施工誤差導(dǎo)致的拼縫混凝土強(qiáng)度低于預(yù)制構(gòu)件也影響了構(gòu)件的承載力．增加拼縫接觸面粗糙度和鋼筋連接長(zhǎng)度對(duì)裝配構(gòu)件承載力的提高較為有限．當(dāng)構(gòu)件采用齒狀凹槽接觸面時(shí)并不能較大程度地提高其承載力,當(dāng)鋼筋連接長(zhǎng)度足夠時(shí)加寬后澆帶拼縫只能略微提高構(gòu)件承載力．與此同時(shí),當(dāng)拼縫位于受力較小位置時(shí),裝配構(gòu)件的承載力和現(xiàn)澆構(gòu)件相差較小,說(shuō)明此時(shí)裝配構(gòu)件的受力性能較好．當(dāng)拼縫數(shù)量增多且不在跨中時(shí),構(gòu)件底部裂縫分布更為均勻,整個(gè)構(gòu)件變形曲率比較連續(xù),底部鋼筋受力均勻,裂縫寬度較小,從而整體上提高了構(gòu)件的承載力和使用性能．

表4 構(gòu)件正截面受彎承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值比值

按實(shí)際配筋對(duì)工字形截面進(jìn)行正截面受彎承載力計(jì)算,其中受壓翼緣寬度按規(guī)范[11]取值,扣除重力后得到的承載力為18.274 kN．由表4可知,現(xiàn)澆構(gòu)件CIPS與拼縫設(shè)置在受力較小處的構(gòu)件PCS3的承載力計(jì)算結(jié)果具有一定的安全儲(chǔ)備．其余構(gòu)件的承載力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差無(wú)幾．因此,將拼縫設(shè)置在受力較小處時(shí),構(gòu)件承載力可采用現(xiàn)澆構(gòu)件承載力公式進(jìn)行計(jì)算,且具有一定的安全儲(chǔ)備．

綜上可知,在實(shí)際工程中,拼縫應(yīng)設(shè)置在受力較小的位置并保證鋼筋連接長(zhǎng)度(拼縫寬度)．當(dāng)工程需要拼縫設(shè)置在跨中(受力較大處)時(shí),應(yīng)采用不小于預(yù)制構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度,并在板縫中配置抗裂鋼筋,適度打磨接觸面或者將預(yù)制構(gòu)件接觸面做成凹凸面．拼縫尺寸較小不易澆搗,應(yīng)盡量采用自密實(shí)高強(qiáng)度混凝土．為避免拼縫接觸面產(chǎn)生初始收縮裂縫,拼縫可使用補(bǔ)償收縮或微膨脹混凝土．此外,對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力與剛度的計(jì)算應(yīng)進(jìn)行折減．

3 結(jié)論

1) 拼縫接觸面為構(gòu)件的最早開裂面．開裂荷載低于現(xiàn)澆構(gòu)件．所有構(gòu)件最終為受彎形式破壞．

2) 預(yù)制構(gòu)件接觸面應(yīng)具有一定粗糙度,拼縫混凝土強(qiáng)度不應(yīng)低于預(yù)制構(gòu)件．拼縫內(nèi)鋼筋連接應(yīng)具有足夠長(zhǎng)度,需滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求．

3) 將拼縫避開最大受力處可有效提高板帶承載力,裂縫分布均勻且寬度減?。?dāng)工程需要拼縫設(shè)在受力較大處時(shí),可增加接觸面粗糙度和鋼筋連接長(zhǎng)度,在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)剛度和承載力進(jìn)行折減．

4) 按照設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)有拼縫的構(gòu)件在使用階段的短期剛度和位移進(jìn)行計(jì)算是可行的．

)

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