在预制装配整体式混凝土结构施工中, 为方便现场安装梁上部纵向钢筋, 提高施工效率, 常采用组合封闭箍筋。该箍筋由上部J形箍筋短肢和下部U形开口箍组成。图1显示了预制梁在现场二次浇筑的施工过程。预制梁板在施工现场吊装就位后, 放置梁上部纵向钢筋, 绑扎梁上部的J形筋, 最后进行现场混凝土浇筑。图2显示了预制梁构件制作和预制梁板构件在现场的组装。J形筋仅与U形箍在弯折处用细铁丝临时绑在一起, 没有采用焊接或其他加强连接的方式。我国和美国的相关规范^[1,2]中均允许采用该技术。

　　 然而, 组合封闭箍的研究尚不够完善^[1]是一个突出的问题, 当结构分析需要考虑梁的受扭性能时, 比如框架边梁和雨篷梁, 是否可以采用组合封闭箍筋, 以及采用组合封闭箍筋混凝土梁的受扭性能如何, 目前的认识不甚清楚, 认识的不完善阻碍了工程应用。显然, 组合封闭箍筋叠合混凝土梁在箍筋构造和浇筑方式上, 与采用传统箍筋整浇梁不同。以传统矩形双肢箍筋为例, 其箍肢沿周长在角部仅有一处连接, 而组合封闭箍肢沿周长在角部有两处连接, 进一步削弱了箍筋的整体性。J形筋与U形箍在弯钩端部平直段的长度不小于5d (非抗震) 或10d (抗震) , d为箍筋直径。梁受扭箍筋受拉时, 因锚固不充分, 两种形式的箍筋通过混凝土可能不能充分地传递应力。此外, 两次浇筑导致在梁沿长度方向上形成叠合界面。这两点差异是否会引起组合封闭箍筋叠合梁与传统箍筋整浇梁受扭性能的显著差异, 目前未见报道, 相关研究亟待进行。

　　 钢筋混凝土梁受扭分析主要借助空间桁架模型或斜弯模型^[3]。上述两点差异目前均难以在这两个模型中定量客观地考虑。因而, 本文主要采用试验研究辅助分析的方法, 认识组合封闭箍筋叠合混凝土梁的受扭性能。

　　 试验分两批:第一批试验的目的是认识组合封闭箍筋与传统箍筋的混凝土整浇梁的受扭行为;第二批试验比较采用组合封闭箍筋的整浇梁和叠合梁受扭性能。所有试件信息见表1。梁尺寸均为高250 mm、宽150 mm、长1 500 mm。第一批试验包括12个整浇试件, 研究变量为箍筋形式和配筋率。考虑三种箍筋形式, 即组合封闭箍筋、传统箍筋和U形箍筋 (箍筋上部不配J形短肢) , 分别为表中A, B和C系列。其中, U形箍筋的情况对应箍筋弯钩平直段长度不足等原因引起的受扭极限承载力下限。通过纵筋与箍筋的不同配筋数量和强度比, 预计实现适筋梁、超筋梁和部分超筋梁引起的三种破坏形态。第二批试验包括8个组合封闭箍筋梁试件, 考虑浇筑方式和配筋率试验变量。D系列试件一次浇筑即整浇, 而E系列梁采用二次浇筑。20根梁的两端500 mm范围内箍筋间距加密一倍, 见图3, 以保证受扭破坏发生在梁中部的研究区段内。箍筋弯钩平直段长度取10d (d为箍筋直径) , 以满足受扭箍筋构造要求。保护层厚度20 mm。

　　 第一批、第二批的第一次和第二次普通混凝土棱柱体抗压强度分别是30.2, 25.7, 35.0MPa, 弹性模量分别是3.2×10⁵, 3.0×10⁵, 3.2×10⁵MPa。第二批第一次和第二次混凝土的劈裂抗拉强度分别是3.1, 4.1MPa。钢筋的力学性能见表2。第二批试件第二次浇筑前对叠合面进行凿毛和清洁处理。

　　 采用自行研制的受扭装置加载, 见图4。试件位于两端的弧形支座上, 弧形支座上开有浅槽放置滚珠, 可近似实现试件支座的无摩擦自由转动。加载则通过两个端部的千斤顶及作为反力端的千斤顶顶部钢梁实现。两端千斤顶对角加载, 可在试件沿长度方向实现一对大小相等、方向相反的扭矩。千斤顶的加载力臂长0.31 m。试验中由于试件的扭转变形引起加载力臂长度的变化很小, 予以忽略。在试件的顶面等间距布置四个Accu Star电子倾角仪, 记录构件沿长度方向扭转角分布。倾角仪线性量程为±45°, 分辨率0.001°。此外, 还监测了试验过程中梁内多处纵筋和箍肢应变。加载初期采用分级荷载控制, 接近预估极限扭矩时转换为位移控制。每级荷载停留约10min以待裂缝充分发展。

　　 试件均呈现典型的受扭破坏特征。试件的受扭裂缝首先在长边中点附近出现。随荷载增加, 四个侧面上的裂缝陆续出现并扩展, 且逐步联通, 在试件四个表面形成一定间隔的螺旋形裂缝。配筋较多的试件 (如试件A3~E3) 裂缝相对密而细, 数量较多, 破坏时的主裂缝不明显。而其他试件破坏时主裂缝较明显。部分试件破坏时伴随有拐角脱落现象, 如图5所示。图6给出了试件A1破坏后形态。发生拐角脱落现象的试件见表3。这是一种较常见的受扭破坏形态, 常发生于箍筋间距较大 (如大于100mm) 的试件^[3]。另一方面, 浇筑方式也影响梁受扭破坏形态。4个叠合梁均出现沿叠合界面的水平裂缝, 随受扭极限承载力提高, 水平裂缝长度有增加的趋势, 典型情况亦见图5。这显示叠合界面是受力薄弱部位之一。

　　 试件极限扭矩见表3。可以看出:1) 箍筋形式轻微影响极限扭矩。在第一批试验中, 相比配置传统封闭箍筋的A系列试件, 组合封闭箍筋的B系列试件极限扭矩略有降低, 下降幅度为0~8.3%, 平均下降幅度为3.7%。而U形箍筋试件极限扭矩有明显降低, 平均下降幅度为14.9%。2) 二次浇筑混凝土方式对极限扭矩有利。在第二批组合封闭箍筋试件中, 相比D系列的整浇试件, E系列叠合试件极限扭矩增大幅度为2.6%~13.1%, 平均增大幅度为6.7%。

　　 单位扭转角为四个电子倾角仪中的最外侧的两个所测得的转角之差与其间距的比值。两批试验典型的扭矩-单位扭转角曲线见图7。总体上, 开裂后所有试件的抗扭刚度大幅下降。箍筋形式和浇筑方式对构件的扭转变形性能没有明显的影响。

　　 从三个方面讨论试验结果, 即极限扭矩降低或增大的原因、建议的受扭极限承载力设计值和试验结果的局限性。

　　 与传统箍筋整浇梁相比, 有两个因素使得组合封闭箍筋叠合梁受扭极限承载力减低, 另一个因素使其增大, 具体如下:首先, 组合封闭箍筋沿周长的两处连接构造特点导致梁受扭极限承载力降低。根据空间桁架理论^[4,5], 梁受扭开裂后, 外围一定厚度的混凝土管壁形成一个螺旋形构件, 纵筋、箍筋和混凝土斜压杆组成空间桁架形成抗扭机制, 管壁横截面上形成环形剪力流抵抗外扭矩。混凝土斜压杆的压力在截面角部因转折而产生的外推力由箍筋拉力相平衡。扭矩接近极限值时, 在角部若没有密配的箍筋来承受此外推力, 则拐角处的混凝土就会发生脱落。拐角混凝土脱落发生后, 相比传统箍筋梁, 组合封闭箍筋梁受扭工作情况趋于不利。这是因为, 此时J形箍筋直角弯钩会因其外部的混凝土保护层剥落而不能充分锚固, 削弱组合封闭箍筋拉力和空间桁架工作性能, 从而降低梁的受扭性能。需要注意的是, 拐角破坏是扭矩接近极限扭矩时才发生, 故组合封闭箍筋梁承受的极限受扭不会因此显著降低。

　　 其次, 叠合梁易于出现沿叠合界面的水平裂缝, 可能导致承载力降低。水平裂缝长度随受扭极限承载力提高有增加的趋势。根据弹性扭转理论以及斜弯模型, 沿翘曲截面的扭转表现为一侧面受拉, 并在长边中点处存在斜向的拉应力 (该应力同样导致受扭裂缝总是先在长边中点附近出现) 。由于两次浇筑形成的叠合界面抗拉强度相对较低, 故在此处易出现裂缝, 进而对受扭极限承载力产生不利影响。类似的叠合界面裂缝在梁受弯试验中也能观察到^[6]。为防止或延缓这种裂缝的发生, 可以采用界面剂或增加界面处的拉结钢筋等方法提高界面受力性能^[7]。

　　 最后, 遵循《混凝土结构设计规范》 (GB50010—2010) ^[8] (简称混规) 要求, 叠合梁使用较高强度的混凝土二次浇筑, 这对提高梁受扭极限承载力有利。本研究中后浇混凝土部分占全部混凝土50%, 笔者认为这个因素是第二批试验中组合封闭箍筋叠合梁极限扭矩高于组合封闭整浇梁的主要原因。

　　 表3给出了极限扭矩的试验结果与受扭极限承载力设计值的比值, 介于1.3~2.6之间, 平均值为2.0。其中, 受扭极限承载力设计值的计算采用了混规中的材料强度设计值, 且假设第二次浇筑混凝土与第一次相同, 采用混规方法计算得到。分析认为, 虽然组合封闭箍筋叠合梁的极限扭矩与传统箍筋整浇梁略有差距, 但是在受扭极限承载力设计值层面, 差距进一步减小至可以忽略。因而, 近似认为组合封闭箍筋叠合梁与传统箍筋整浇梁的受扭极限承载力设计值相同, 可采用混规推荐方法计算。

　　 相比实际工程中的受扭构件, 本研究中的试件尺寸偏小, 这导致两点值得注意:一是实际工程梁中的后浇混凝土部分所占比例较小, 难以出现本研究中后浇混凝土占梁全部混凝土50%的情况;二是叠合界面大多位于梁高度方向的上部位置, 较少出现本研究中叠合界面在梁高度方向上的中部附近的情况。第一种情况将导致组合封闭箍筋叠合梁中强度较高, 混凝土部分对梁受扭极限承载力增加的贡献减少。而第二种情况使得叠合界面避开拉应力较大的长边中点位置, 进而沿叠合界面出现水平裂缝的可能性减少, 或者裂缝长度变短。显然, 深入的认识有赖于进一步研究。

　　 组合封闭箍筋叠合梁与传统箍筋整浇梁的差异有两点, 即箍筋沿周长有两个连接点以及沿梁纵向存在水平叠合界面。设计两批试验包括20个试件, 分别研究这两个差异点对梁受扭行为的影响, 认识组合封闭箍筋叠合梁受扭性能。研究表明, 组合封闭箍筋整浇梁的受扭极限承载力比传统箍筋整浇梁平均降低幅度约3.7%, 而组合封闭箍筋叠合梁的受扭极限承载力比组合封闭箍筋整浇梁平均增大幅度约6.7%。总体上, 上述两点差异均导致受扭极限承载力减低, 但二次浇筑时采用强度较高的混凝土则有助于提高受扭极限承载力。

　　 建议在受扭极限承载力设计值层面, 忽略此较小差异, 认为组合封闭箍筋叠合梁与传统箍筋整浇梁具有相同的受扭性能。前者的受扭承载力设计值仍采用我国混规推荐的方法计算。