鋼筋搭接保溫承重混凝土梁的受彎性能實(shí)驗(yàn)研究

吳桂昌

(漯河經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)局，河南 漯河 462000)

為響應(yīng)國家對(duì)建筑材料的節(jié)能發(fā)展政策，需要加快設(shè)計(jì)具備高力學(xué)強(qiáng)度以及安全、可靠的建筑材料，考慮到混凝土已經(jīng)成為當(dāng)前用量最大的一類建筑材料，因此需要積極推進(jìn)開發(fā)性能更優(yōu)的混凝土材料[1-5]。在保溫承重混凝土中添加鋼筋配件可以同時(shí)改善混凝土的承重性，其密度只有2 000 kg/m3左右，同時(shí)能夠達(dá)到C40的強(qiáng)度，具備良好的耐火特性，這使其成為一種重要的綠色建筑材料。梁屬于鋼筋混凝土中的延性耗能結(jié)構(gòu)，其實(shí)際延性耗能效果受到梁破壞方式的顯著影響，同時(shí)截面的結(jié)構(gòu)及其配筋數(shù)也和破壞形態(tài)之間存在緊密關(guān)聯(lián)[1-4]。其中，梁截面上壓力作用區(qū)域所在的位置及其截面剪壓比度等都會(huì)對(duì)梁的破壞過程造成顯著影響[5-9]?？紤]到現(xiàn)階段還沒有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道關(guān)于承重保溫混凝土結(jié)構(gòu)在地震條件下的承受能力，因此還需對(duì)其進(jìn)一步開展抗震性方面的力學(xué)測試與研究。本文主要研究了不同鋼筋尺寸與截面高度條件下的混凝土保溫承重墻破壞形式，設(shè)計(jì)了不同的對(duì)比測試方案來研究本文混凝土梁與普通混凝土梁之間的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能差異，探討了不同因素對(duì)混凝土梁參數(shù)指標(biāo)的影響。

1 受彎性能試驗(yàn)

本文共制備5根受彎梁樣品，包含1根普通混凝土梁(BL1)、4根保溫承重混凝土梁(GBL)，將上述試樣分成3組分別進(jìn)行測試：第一組是?；⒅楸赝亮号c普通混凝土梁；第二組是由不同截面高度組成的保溫承重混凝土梁；第三組是不同受拉鋼筋尺寸的保溫承重混凝土梁。

測試所用混凝土強(qiáng)度級(jí)別是C35，梁的高度依次是265 mm、300 mm、365 mm 與430 mm，跨長與凈跨分別是3.4 m與3.0 m。表1給出了5種試樣梁的結(jié)構(gòu)尺寸，根據(jù)圖1對(duì)其進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，配筋后的總體尺寸為280 mm×280 mm×3 500 mm。

表1 試樣梁的結(jié)構(gòu)尺寸

圖1 配筋示意圖

本文選擇5 000 kN電子伺服長柱壓力測試機(jī)對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行性能測試，梁采用對(duì)稱形式通過分配梁對(duì)構(gòu)件進(jìn)行兩點(diǎn)加載[10-12]。從圖2中可以看到加載裝置的具體結(jié)構(gòu)，測試時(shí)使2個(gè)集中載荷之間產(chǎn)生具有相等彎矩的純彎段。先采用10 kN載荷對(duì)混凝土梁實(shí)施預(yù)加載，確保各個(gè)儀表能夠正常工作。在測試過程中采用分級(jí)加載的形式，在梁開裂前都按照5 kN一級(jí)的方式增大載荷，當(dāng)梁體接近屈服點(diǎn)時(shí)將載荷的增大幅度降低為2.5 kN，之后重新采用5 kN一級(jí)的方式進(jìn)行加載，當(dāng)梁體快到達(dá)極限載荷的時(shí)候，將載荷增大幅度降低為2.5 kN進(jìn)行加載直至測試構(gòu)件失效為止。為了測試梁跨中區(qū)域的彎曲程度，按照100 mm標(biāo)距貼上5片測試應(yīng)變的電阻片以測定混凝土梁應(yīng)變。

圖2 受彎梁加載裝置圖

2 結(jié)果分析

2.1 破壞形式

保溫承重混凝土梁產(chǎn)生開裂現(xiàn)象之前載荷-撓度曲線是一條直線，截面部位受力情況表現(xiàn)為線彈性特征[11-12]。此時(shí)梁截面具有較大的抗彎剛度，而截面曲率與擾度都較小，同時(shí)梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)部只產(chǎn)生很小的鋼筋應(yīng)力。當(dāng)梁體結(jié)構(gòu)的縱向受拉鋼筋快到達(dá)屈服點(diǎn)時(shí)，梁體中不會(huì)形成新的裂縫，這種情況下位于加載區(qū)域旁邊的混凝土將不再處于受力狀態(tài)。應(yīng)力將在混凝土和鋼筋內(nèi)部重新分配，此時(shí)受拉鋼筋將承擔(dān)混凝土開裂前的外部拉力。表2給出了試件各階段的特征破壞載荷及特征破壞位移。表中Fc，F(xiàn)y，F(xiàn)p分別表示長度、寬度和高度的破壞載荷，δc，δy，δp分別表示長度、寬度和高度的破壞位移。

表2 試件各階段的特征破壞載荷及特征破壞位移

根據(jù)表2可知，梁體的中性軸發(fā)生了上移，同時(shí)截面的抗彎強(qiáng)度下降，并引起載荷-撓度曲線顯著變化。進(jìn)一步增大載荷后，鋼筋受到的拉應(yīng)力與梁撓度都會(huì)隨之增加，并且裂縫寬度也不斷增加，使受彎梁產(chǎn)生較大的彈性變形。當(dāng)受拉鋼筋快到達(dá)屈服點(diǎn)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)變，同時(shí)裂縫也會(huì)快速延展，使受彎梁的中性軸出現(xiàn)明顯上移，當(dāng)加載區(qū)的高度降低后混凝土壓應(yīng)力與壓應(yīng)變都會(huì)迅速升高，使梁產(chǎn)生更顯著塑性變化。當(dāng)受拉鋼筋到達(dá)屈服點(diǎn)時(shí)，保溫承重混凝土梁將會(huì)產(chǎn)生顯著塑性變形，并且當(dāng)載荷增加后，混凝土的裂縫將發(fā)生快速伸長，同時(shí)寬度增大約0.8 mm，從而降低了混凝土受壓部位的高度，產(chǎn)生更大的壓應(yīng)力，使界面出現(xiàn)塑性轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)鋼筋應(yīng)力只小幅增大。隨著受彎梁載荷升高至極限值后，在加載區(qū)域的混凝土中將會(huì)形成水平分布的裂縫，使加載區(qū)的混凝土發(fā)生破碎形成塊狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)引起測試梁的破壞。

2.2 鋼筋應(yīng)變

圖3為對(duì)梁進(jìn)行應(yīng)力測試得到的載荷與鋼筋應(yīng)變關(guān)系。結(jié)果顯示，保溫承重混凝土表現(xiàn)出和普通混凝土相近的變化趨勢。當(dāng)混凝土發(fā)生開裂之前，鋼筋應(yīng)變增加緩慢。因?yàn)榧虞d區(qū)的混凝土已經(jīng)不再繼續(xù)承受新增加的載荷作用，此時(shí)主要由抗拉

圖3 鋼筋應(yīng)變規(guī)律

鋼筋承受截面處的拉應(yīng)力，從而使鋼筋應(yīng)變明顯變大，在曲線上也形成一個(gè)顯著的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)受拉鋼筋發(fā)生屈服時(shí)，應(yīng)力處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.3 極限抗彎承載力

圖4是對(duì)梁進(jìn)行載荷-撓度測試得到的曲線?？梢詫⒈爻兄鼗炷亮河墒┘虞d荷到破壞的過程分成3個(gè)不同階段：

1)從施加載荷至混凝土開裂階段，整個(gè)梁截面都處于工作狀態(tài)，整體結(jié)構(gòu)具有最大的剛度，撓度和載荷曲線呈現(xiàn)線性增長的趨勢。

2)從梁開裂至鋼筋發(fā)生屈服階段，先在梁的純彎段形成豎向彎曲裂縫，同時(shí)梁剛度快速減小，在載荷-撓度曲線上出現(xiàn)顯著的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，之后載荷-撓度曲線繼續(xù)增長到鋼筋發(fā)生屈服為止。

3)從鋼筋發(fā)生屈服至梁發(fā)生破壞階段，此時(shí)鋼筋出現(xiàn)塑性流變，裂縫的擴(kuò)展速度明顯變快，撓度快速上升，鋼筋與混凝土壓應(yīng)變都快速增大，最終混凝土發(fā)生破裂。

由圖4(a)可知，GBL1比BL1更晚發(fā)生屈服，當(dāng)梁體屈服時(shí)，兩者承載力都緩慢增加，形成了相近的峰值載荷。由圖4(b)可知，梁截面高度和承載力之間表現(xiàn)為線性增長的趨勢。實(shí)際測試結(jié)果顯示，在較大梁截面條件下，GBL4 和BL1具有相近的承載性能。

圖4 受彎梁載荷-撓度曲線

2.4 延性系數(shù)

抗彎構(gòu)件必須具備良好延性才能充分吸收并分散地震產(chǎn)生的能量，因此可以利用跨中截面位移延性系數(shù)對(duì)梁的延性進(jìn)行評(píng)價(jià)。從圖5可以看到，相比普通混凝土梁，保溫承重混凝土梁具有更優(yōu)的延性。比較GBL2、GBL3與 GBL4可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)梁尺寸增大后，將導(dǎo)致其延性降低。

圖5 延性系數(shù)對(duì)比

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了不同的對(duì)比測試方案來研究保溫承重混凝土梁與普通混凝土梁之間的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能差異，得到如下結(jié)論：

1)保溫承重混凝土梁(GBL)產(chǎn)生開裂現(xiàn)象之前形成的載荷-撓度曲線是一條直線。隨著受彎梁載荷升高至極限值后，在加載區(qū)域的混凝土中將會(huì)形成水平分布的裂縫，使加載區(qū)的混凝土形成塊狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)引起測試梁的破壞。

2)當(dāng)載荷增大后，加載區(qū)的高度降低，同時(shí)中性軸高度增加，混凝土應(yīng)變和梁的高度表現(xiàn)為線性變化的趨勢。 當(dāng)受拉鋼筋發(fā)生屈服時(shí)，應(yīng)力處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，保溫承重混凝土梁中性軸高度較小。

3)GBL1比BL1更晚發(fā)生屈服，當(dāng)梁體屈服時(shí)，兩者承載力都緩慢增加，形成了相近的峰值載荷，梁截面高度和承載力之間表現(xiàn)為線性增長的趨勢。相比普通混凝土梁，保溫承重混凝土梁具有更優(yōu)的延性。