一種預(yù)制裝配式再生塊體混凝土圈梁的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

周林仁，王仁凱，2，夏濤，徐清艷

（1.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641；2.惠州市城建檔案館，廣東 惠州 516001；3.中建四局深圳總承包公司，廣東 深圳 518017）

0 引言

圈梁是砌體結(jié)構(gòu)和填充墻的重要抗震措施，能顯著提高墻的整體性和穩(wěn)定性，增大結(jié)構(gòu)剛度，抑制墻體開裂，抵抗外部變形或較大振動(dòng)荷載作用對房屋和墻體的不利影響。

目前，現(xiàn)場進(jìn)行砌筑階段施工時(shí)，現(xiàn)澆圈梁存在諸多問題：（1）現(xiàn)澆圈梁的人工成本較高；（2）現(xiàn)澆圈梁的傳統(tǒng)做法復(fù)雜，澆筑后養(yǎng)護(hù)時(shí)間過長，且現(xiàn)澆圈梁表面容易出現(xiàn)質(zhì)量缺陷；（3）施工工期較長，現(xiàn)澆圈梁需要經(jīng)過綁鋼筋、支模板及澆筑混凝土養(yǎng)護(hù)的工序，需3～5d。以上不足使得傳統(tǒng)現(xiàn)澆圈梁構(gòu)造柱難以達(dá)到國家提倡的建筑工業(yè)化和節(jié)能減排的要求。

為了解決傳統(tǒng)現(xiàn)澆構(gòu)造柱的諸多問題，國內(nèi)學(xué)者提出多種裝配式構(gòu)造柱和圈梁。

冷小民[1]提出砌塊拼裝式圈梁，采用U型砌塊作為永久性模板，在中空部分放置鋼筋籠和澆筑混凝土。該圈梁能實(shí)現(xiàn)免支模，但需現(xiàn)場綁扎鋼筋和澆筑混凝土。張春濤等[2]針對高原地區(qū)砌體建筑，提出一種方鋼管砂卵石組合圈梁構(gòu)造柱，將間斷級配的砂卵石填充至鋼管內(nèi)并焊接密封，再將構(gòu)造柱及圈梁焊接后形成圈梁構(gòu)造柱結(jié)構(gòu)。張弛[3]研究了方鋼管圈梁，節(jié)點(diǎn)處采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土連接。鐘柏春和張春濤等[4-5]采用預(yù)制圈梁塊部分外漏箍筋，綁扎縱向鋼筋，磚砌筑圈梁模板或澆筑混凝土。宣衛(wèi)紅等[6]提出預(yù)制構(gòu)造柱和圈梁加固既有砌體結(jié)構(gòu)，預(yù)制圈梁預(yù)墻體植筋螺栓連接，節(jié)點(diǎn)采用預(yù)留鋼筋現(xiàn)場支模澆筑。

上述預(yù)制裝配式圈梁一定程度上優(yōu)化了施工工藝、提高了施工效率和質(zhì)量，但也存在需支模、后澆筑混凝土量較大，用鋼量大，經(jīng)濟(jì)效益不明顯等問題，且多為“半預(yù)制”型式，連接構(gòu)造復(fù)雜，施工不便。為了解決或緩解上述問題，結(jié)合裝配式構(gòu)件提升施工質(zhì)量、減少人工成本[7]，及再生塊體混凝土節(jié)省建材、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，本文提出了預(yù)制裝配式再生塊體混凝土圈梁技術(shù)。采用該技術(shù)生產(chǎn)圈梁，可基本實(shí)現(xiàn)預(yù)制，摻入不低于25%的廢棄混凝土，可以大大減少城市建筑垃圾的堆放壓力，降低建筑垃圾對環(huán)境的破壞，符合建筑領(lǐng)域向節(jié)能環(huán)保、標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展方向[8]。

1 設(shè)計(jì)思路與建造方法

1.1 設(shè)計(jì)思路

圈梁構(gòu)件按構(gòu)造配筋，鋼筋較稀疏，可在鋼筋籠內(nèi)放置較多廢棄混凝土塊體。圈梁墻體抗震的構(gòu)造措施，對其受力性能要求不高，更適合采用預(yù)制裝配式。本文提出的預(yù)制裝配式圈梁包括圈梁節(jié)段和連接槽段，在工廠預(yù)制，圈梁節(jié)段采用再生塊體混凝土，連接槽段采用細(xì)石混凝土。預(yù)制構(gòu)件運(yùn)到現(xiàn)場，先砌筑墻體，在設(shè)計(jì)高度上鋪設(shè)圈梁預(yù)制節(jié)段和槽段，節(jié)段外露鋼筋在槽段內(nèi)搭接，再灌注混凝土，形成整體圈梁，可立即砌筑上部墻體。

1.2 節(jié)段預(yù)制與連接方法

考慮墻體長度和安裝方法，合理確定圈梁預(yù)制節(jié)段的尺寸，構(gòu)造鋼筋預(yù)留搭接，如圖1所示。根據(jù)墻體布置情況，圈梁節(jié)段之間主要包括直線型、L型、T型和十字型連接，還有圈梁預(yù)構(gòu)造柱之間的連接。為了確保連接性能，鋼筋要有足夠的搭接長度，采用預(yù)制槽段作為免拆模板，鋼筋在槽段內(nèi)搭接，然后灌注混凝土。預(yù)制槽段如圖1所示。

圖1 圈梁預(yù)制部件

以截面尺寸240 mm×240 mm，封閉總長度20 m的圈梁為例，圈梁節(jié)段長1000 mm，之間采用長200 mm和厚20 mm的直線U型槽連接方式，可實(shí)現(xiàn)預(yù)制率大于85%。

該預(yù)制裝配式在再生塊體混凝土圈梁的工程施工包括以下幾部分：

（1）預(yù)制件的工程制作。圈梁節(jié)段材料包括縱筋、箍筋、廢棄混凝土塊體和新混凝土。在模具內(nèi)綁扎鋼筋，放置廢棄塊體，然后澆筑普通混凝土，振搗成型。廢棄混凝土塊體尺寸為60～150 mm，可實(shí)現(xiàn)不低于25%的取代率。預(yù)制槽段厚20 mm，采用細(xì)石混凝土，不配置鋼筋。

（2）現(xiàn)場施工。在需要安裝圈梁的墻體頂部鋪設(shè)砂漿找平層，然后進(jìn)行節(jié)段及連接槽段的鋪設(shè)，將節(jié)段縱筋在槽段內(nèi)搭接綁扎。圈梁節(jié)段在墻體上使用預(yù)制槽段連接的形式包括直線連接、L型連接、T型連接以及與構(gòu)造柱的連接，如圖2所示。十字型連接無需模板。

圖2 圈梁預(yù)制段之間的連接

（3）對鋼筋搭接位置灌注混凝土，形成整體圈梁，澆筑混凝土后即可進(jìn)行上部墻體的砌筑。

鋼筋搭接長度≥20d（d為鋼筋直徑）。采用Ф12螺紋鋼，搭接長度為250 mm，構(gòu)造柱上可在連接位置預(yù)埋鋼筋，也可鉆孔植筋與圈梁鋼筋搭接連接。

2 預(yù)制節(jié)段及連接的力學(xué)性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述圈梁節(jié)段及連接形式的可靠性及再生塊體混凝土的適用性，基于ABAQUS有限元軟件對搭接節(jié)段及連接拼縫的力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值仿真分析，在此基礎(chǔ)上開展了4個(gè)圈梁的試制與彎剪試驗(yàn)，并與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆圈梁對照組進(jìn)行對比，驗(yàn)證預(yù)制再生塊體混凝土圈梁的可靠性。

圈梁主要承受拉力，對墻體產(chǎn)生“套箍”效應(yīng)，提高墻體的整體性和穩(wěn)定性。受試驗(yàn)條件限制，不能開展大尺寸鋼筋混凝土構(gòu)件的受力試驗(yàn)，因此本研究采用兩端簡支跨中集中力加載的方式進(jìn)行試件的彎剪試驗(yàn)，重點(diǎn)考察圈梁受拉側(cè)的開裂和鋼筋傳力情況，能體現(xiàn)圈梁及連接方式的抗拉性能。

2.1 圈梁有限元模型受力分析

為分析圈梁節(jié)段、鋼筋搭接及槽段拼縫對圈梁受力性能的影響，針對預(yù)制段直線連接的形式，使用ABAQUS有限元軟件分別建立“圈梁預(yù)制段-U型槽搭接段-圈梁預(yù)制段”的裝配式圈梁模型和整體現(xiàn)澆圈梁模型（XJ），圈梁截面尺寸為180 mm×180 mm，節(jié)段長200 mm，連接槽段長250 mm。預(yù)制圈梁有限元模型見圖3。

圖3 預(yù)制圈梁有限元模型

在圈梁有限元模型的跨中（槽段中部）位置施加豎向荷載，所得荷載-位移曲線如圖4所示。

圖4 圈梁的荷載-位移曲線

由圖4可見，搭接節(jié)段及拼縫對承載力下降影響較小，預(yù)制圈梁的極限承載力較現(xiàn)澆圈梁下降0.4kN，二者的極限位移相差很小，僅0.04mm。

極限荷載作用下圈梁模型的SDEG（scalar stiffness degradation）云圖如圖5所示。SDEG云圖能體現(xiàn)圈梁剛度的退化，能較準(zhǔn)確地反映圈梁裂縫的發(fā)展情況。

圖5 預(yù)制圈梁裂縫發(fā)展云圖

由圖5可知，主要裂縫為加載點(diǎn)至支座的斜裂縫，以及拼縫處裂縫。

極限荷載作用下預(yù)制圈梁模型的鋼筋應(yīng)力見圖6。由圖6可見，搭接節(jié)段處鋼筋應(yīng)力最大，為450MPa，達(dá)到屈服。

圖6 預(yù)制圈梁鋼筋應(yīng)力

2.2 試件制作

試驗(yàn)共制作4根圈梁，其中2根為再生塊體混凝土的預(yù)制圈梁（QL-ZS），1根為普通商品混凝土的預(yù)制圈梁（QL-PT）和1根整體現(xiàn)澆圈梁（QL-XJ）。圈梁試件尺寸與有限元分析模型一致，混凝土保護(hù)層為20mm，縱筋采用Ф10的HRB400熱軋帶肋鋼筋，實(shí)測屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度為440 MPa和611 MPa。新混凝土為C30商品混凝土，其28d標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度為30.6 MPa。廢棄混凝土來源于實(shí)驗(yàn)室其他試件試驗(yàn)后人工破碎，設(shè)計(jì)強(qiáng)度C40，塊體尺寸約150 mm，25%取代率的再生塊體混凝土的組合立方體抗壓強(qiáng)度為37.7 MPa，高于新混凝土強(qiáng)度的原因是廢棄混凝土塊體強(qiáng)度較高。U型槽采用普通水泥砂漿，壁厚為20 mm。圈梁預(yù)制階段澆筑前先對舊混凝土塊體進(jìn)行澆水濕潤，澆筑時(shí)先在模板底部倒入一層約20 mm厚的商品混凝土，隨后一次性放入舊混凝土塊體，再澆筑商品混凝土并用振搗棒充分振搗。

圈梁預(yù)制部件拼裝后（連接段灌注混凝土之前）如圖7所示。U型槽段作為永久性模板，圈梁外露鋼筋在其內(nèi)搭接，然后澆筑新混凝土。連接段內(nèi)不再加入舊混凝土塊體。

圖7 預(yù)制圈梁實(shí)物照片

2.3 加載裝置及測點(diǎn)布置

圈梁試件兩端簡支，在中部位置采用液壓千斤頂分級施加豎向荷載，采用荷載作用下試件的應(yīng)變片、位移計(jì)及力傳感器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。加載裝置及測點(diǎn)布置如圖8所示。

圖8 試件加載裝置及測點(diǎn)布置

（1）撓度及荷載測量：將量程為500 kN的力學(xué)傳感器置于千斤頂加載處，測量每一級所施加的荷載。在圈梁的拼縫兩側(cè)位置布置2個(gè)量程為50 mm的位移傳感器。

（2）鋼筋應(yīng)變測量：在圈梁2根縱向受拉鋼筋靠近拼縫的位置各布置2個(gè)應(yīng)變片、在靠近拼縫處的箍筋各布置1個(gè)應(yīng)變片；整體現(xiàn)澆對照組試件也在相應(yīng)位置布置同樣數(shù)量的應(yīng)變片，以監(jiān)測試驗(yàn)過程中鋼筋的應(yīng)變，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析縱筋及箍筋受力情況提供依據(jù)。

2.4 試驗(yàn)破壞形態(tài)

在跨中豎向集中力作用下，預(yù)制裝配式圈梁與整體現(xiàn)澆圈梁的最終破壞形態(tài)如圖9所示。具體的破壞發(fā)展如下：

（1）QL-ZS-1是正截面受彎適筋破壞，加載后圈梁搭接節(jié)段出現(xiàn)豎向裂縫且不斷向上發(fā)展，隨后底部現(xiàn)澆部分與搭接節(jié)段出現(xiàn)裂縫，二者逐漸脫離，最終豎向裂縫充分發(fā)展，支座附近出現(xiàn)斜向裂縫，圈梁底部搭接處出現(xiàn)一條貫通的較寬的裂縫，最終破壞形態(tài)如圖9（a）所示。

（2）QL-ZS-2是正截面受彎適筋破壞，加載后表面未出現(xiàn)明顯裂縫，隨著荷載的不斷增大，圈梁底部的搭接節(jié)段與現(xiàn)澆部分交接處產(chǎn)生裂縫，現(xiàn)澆部分與圈梁節(jié)段交接處產(chǎn)生裂縫且不斷發(fā)展，最終形成貫通的裂縫，破壞形態(tài)如圖9（b）所示。

（3）QL-PT是正截面受彎適筋破壞，加載后沿拼縫位置出現(xiàn)豎向裂縫，其向上延伸一段長度后，斜向發(fā)展一條斜裂縫，隨著荷載的增大，斜裂縫向加載點(diǎn)位置開展，最終現(xiàn)澆混凝土與圈梁節(jié)段交接處脫開，底部形成一條貫穿的裂縫，破壞形態(tài)如圖9（c）所示。

（4）QL-XJ是典型的剪壓破壞，加載后在支座附近出現(xiàn)一些豎向裂縫，且隨著荷載點(diǎn)增大形成一些斜裂縫，而支座處的一條斜裂縫不斷發(fā)展，最終形成一條較寬的貫通臨界斜裂縫，破壞形態(tài)如圖9（d）所示。

圖9 圈梁的破壞形態(tài)

試驗(yàn)中再生塊體混凝土試件的裂縫發(fā)展與ABAQUS有限元分析中的裂縫發(fā)展較為吻合，主要裂縫為加載點(diǎn)至支座的斜裂縫及拼縫處裂縫。

2.5 荷載撓度曲線

4根圈梁試件的荷載-位移曲線見圖10，初始剛度及試驗(yàn)過程中關(guān)鍵點(diǎn)的位移和荷載數(shù)據(jù)見表1。

圖10 圈梁試件的荷載-位移曲線

表1 圈梁試件關(guān)鍵點(diǎn)與初始剛度

綜合圖10、表1可知，（1）分析開裂荷載，普通預(yù)制試件的開裂荷載明顯低于現(xiàn)澆試件，預(yù)制拼接部位是開裂的薄弱部位；對比普通預(yù)制和再生預(yù)制試件，再生試件因具有較高的混凝土強(qiáng)度而獲得較大的開裂荷載，2個(gè)再生預(yù)制試件的開裂荷載相差明顯，QL-ZS-2的開裂荷載與全新混凝土現(xiàn)澆試件同為最大21 kN。因開裂具有較大離散型，該預(yù)制裝配式圈梁的開裂性能需要更多的試驗(yàn)進(jìn)行明晰和驗(yàn)證。（2）對比試件的峰值荷載和初始剛度，QL-ZS-1、QL-ZS-2與QL-PT相比，其峰值荷載提高8.75 kN，提高幅度19.4%；初始剛度提高0.35 kN/mm，提升幅度2.5%。QL-ZS-1、QL-ZS-2與QL-XJ相比，其峰值荷載提高2.75 kN，提高幅度5.4%；初始剛度降低2.55 kN/mm，降低幅度17.8%。QL-ZS-1與QL-ZS-2的峰值荷載略高于QL-XJ與QL-PT，其原因?yàn)樵偕鷫K體混凝土的組合強(qiáng)度高于現(xiàn)澆新混凝土的強(qiáng)度。

綜上，再生塊體混凝土預(yù)制圈梁和全新混凝土預(yù)制圈梁的受力性能滿足要求，初始剛度和峰值荷載差異不大；與整體現(xiàn)澆圈梁相比，預(yù)制圈梁的極限承載力幾乎不變，僅下降0.3%，初始剛度下降約15.8%。在有限元軟件仿真分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步驗(yàn)證了預(yù)制圈梁節(jié)段和連接方式的可靠性，也驗(yàn)證了再生塊體混凝土用于預(yù)制圈梁是可行的。

2.6 鋼筋應(yīng)變曲線

預(yù)制拼接圈梁試件的應(yīng)變片布置在預(yù)制節(jié)段內(nèi)靠近搭接位置的縱筋處，因搭接節(jié)段內(nèi)要進(jìn)行鋼筋搭接與澆筑，未在彎矩最大的跨中布設(shè)應(yīng)變片；現(xiàn)澆圈梁的應(yīng)變片布置在縱筋的跨中位置。各試件所測的縱向受拉鋼筋應(yīng)變?nèi)鐖D11所示。

圖11 圈梁試件的荷載和鋼筋應(yīng)變曲線

由圖11可知，圈梁的荷載-應(yīng)變關(guān)系可以分為3個(gè)階段：（1）第1階段，混凝土開裂前，構(gòu)造柱基本處于彈性階段，荷載由縱筋與混凝土共同承擔(dān)，拼接構(gòu)造與現(xiàn)澆構(gòu)造柱縱筋的應(yīng)變較小且基本相同；（2）第2階段，混凝土開裂后，受拉區(qū)荷載主要由縱筋承擔(dān)，因裝配式圈梁在連接槽段內(nèi)有鋼筋搭接（2倍的配筋量），因此相同荷載下其應(yīng)變明顯小于現(xiàn)澆圈梁，隨荷載增大，縱筋應(yīng)變增大至2000με左右，鋼筋屈服；（3）第3階段，縱筋達(dá)到屈服后，荷載變化緩慢平穩(wěn)，試件裂縫寬度和豎向變形顯著增大，直至極限破壞。

從試驗(yàn)可知，裝配式圈梁的鋼筋得到了有效的搭接連接，縱向鋼筋能有效傳力，受力合理，最后都達(dá)到屈服失效。

3 結(jié)論

（1）提出一種預(yù)制裝配式再生塊體混凝土圈梁，采用工廠分段預(yù)制，現(xiàn)場拼裝連接。圈梁節(jié)段之間采用“預(yù)制節(jié)段-連接槽段-預(yù)制節(jié)段”的連接方式，可實(shí)現(xiàn)預(yù)制率大于85%。

（2）用25%的廢棄混凝土塊體取代新混凝土用于預(yù)制圈梁，對構(gòu)件的受力性能幾乎沒有影響，節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益明顯。

（3）再生塊體混凝土預(yù)制圈梁和商品混凝土預(yù)制圈梁的承載力和初始剛度相近，與整體現(xiàn)澆圈梁相比，預(yù)制圈梁的極限承載力幾乎不變，僅下降0.3%，初始剛度下降約15.8%。

（4）圈梁預(yù)制節(jié)段采用在槽段內(nèi)鋼筋搭接和現(xiàn)場灌漿的連接方式，鋼筋傳力有效，利用充分，圈梁具有較好的剛度和承載能力。