装配整体式混凝土结构是以预制构件为主, 结合部分施工现场浇筑的混凝土结构, 兼具预制混凝土结构工业化程度高、节能环保等优点以及现浇混凝土结构整体性好的特点。叠合梁是装配整体式混凝土结构中重要的水平构件。针对其力学性能, 国内外学者已开展了较为系统的试验与理论研究, 并提出了相应的设计计算方法及构造要求等^[1,2,3,4]。在叠合梁中, 采用传统连续封闭箍筋 (见图1a) 可以保证其良好的受力性能, 但也造成了后浇叠合层中纵向钢筋安装困难、叠合梁施工效率低等问题。组合封闭箍筋由下部开口箍筋和上部箍筋帽组成, 将其应用于混凝土叠合梁中可有效简化后浇叠合层中纵向钢筋安装、显著提高叠合梁施工效率^[5,6,7]。

目前, 工程中常见的组合封闭箍筋构造如图1所示^[8,9,10]。林峰等针对配置形式2组合封闭箍筋叠合梁开展了试验研究, 结果表明, 采用形式2组合封闭箍筋叠合梁的受弯和受剪性能与连续封闭式箍筋梁接近^[6,11]。黄小坤等针对配置形式1和形式2组合封闭箍筋的叠合梁开展了受弯、受剪及受扭试验研究, 验证了两种形式组合封闭箍筋均能够保证混凝土叠合梁具有良好的受力性能, 可按照GB50010—2010《混凝土结构设计规范》 (2015年版) 计算其受弯、受剪及受扭承载力。新加坡《Prefabricated Reinforcement Handbook》中对形式3组合封闭箍筋构造给出了详细的构造要求, 但是否适用于抗震地区尚需开展进一步研究。

从系统查阅的文献资料来看, 现有的组合封闭箍筋及其混凝土叠合梁的研究主要集中在静力性能方面, 尤其是受弯、受剪性能方面, 针对组合封闭箍筋叠合梁抗震性能、受扭性能的研究很少。此外, 工程实践经验表明, 现有的组合封闭箍筋构造仍存在以下问题: (1) 形式1和形式2中箍筋帽均有一侧或两侧为135°弯折, 因尺寸容许误差较低而可能导致叠合层纵筋或箍筋帽就位困难; (2) 形式2中开口箍筋两侧均180°弯折, 对叠合层最小厚度要求较高。因此, 本文提出了一种构造简单、施工便捷的新型组合封闭箍筋形式 (形式4) , 并对配置该组合封闭箍筋混凝土叠合梁的抗震性能、受扭性能进行较为系统的研究。

本文提出的新型组合封闭箍筋的构造特点为:开口箍筋两侧135°弯折、箍筋帽两侧90°弯折, 具体构造细节如图1d所示。其中, 下部开口箍筋构造参考JGJ1—2014《装配式混凝土结构技术规程》, 弯折半径≥4d, 弯钩平直段长度≥10d;上部箍筋帽构造参考《Prefabricated Reinforcement Handbook》, 弯折半径与开口箍筋保持一致, 弯钩平直段长度≥8d, 其中d为箍筋直径。

该新型组合封闭箍筋形式应用于混凝土叠合梁时, 施工顺序为: (1) 下部开口箍筋与预制梁底部纵筋绑扎, 浇筑于预制梁内; (2) 梁上部纵筋现场自上而下垂直就位; (3) 上部箍筋帽安装就位; (4) 浇筑叠合层混凝土。此外, 为了提高叠合梁整体性能, 在预制梁表面与现浇混凝土接触部分应进行拉毛等处理。

相较于采用组合封闭箍筋形式1和形式2, 采用该新型组合封闭箍筋的叠合梁可直接实现上部箍筋帽的安装就位, 避免了形式1和形式2中箍筋帽与纵筋存在的施工碰撞, 无须对箍筋帽进行现场弯折, 从而可提高施工效率。相较于采用组合封闭箍筋形式3, 采用该新型组合封闭箍筋的叠合梁对后浇叠合层高度限制较小, 叠合梁设计更为灵活。

设计了2个足尺梁试件 (梁宽250mm、高500mm、长5 300mm) , 包括1根采用新型组合封闭箍筋的混凝土叠合梁 (PCB-S) 及1根采用连续封闭箍筋形式的现浇对比梁 (RCB-S) , 试件施工如图2所示。试件均采用C40混凝土浇筑, 纵筋和箍筋强度等级均为HRB400。

试验的加载方案如图3所示, 上、下分配钢梁与试验梁采用螺杆连接, 在梁跨3等分点处实现两点上下往复加载。加载方法采用JGJ/T101—2015《建筑抗震试验方法规程》^[12]中规定的荷载-位移混合控制法。试验主要量测内容包括: (1) 竖向反复荷载; (2) 跨中截面挠度和支座沉降以及叠合层滑移; (3) 试验梁纵筋及箍筋应变; (4) 裂缝发展情况及裂缝宽度; (5) 跨中截面混凝土应变。

低周反复荷载作用下, 所有试件均发生典型的弯曲破坏, 叠合梁PCB-S与现浇对比梁RCB-S破坏形态基本一致, 如图4所示。具体表现为:跨中局部混凝土被压碎脱落, 相应截面处的纵筋在大变形下受压向外弯曲鼓出, 其中叠合梁梁顶混凝土压碎现象严重区域的箍筋帽松动脱开。

试验过程中, 叠合梁PCB-S叠合层与预制层间未见到明显水平裂缝, 这表明本文所采取的叠合面抗剪构造措施 (叠合层拉毛处理等) 能够保证叠合梁不同层混凝土之间良好地共同工作。

荷载-变形曲线能较明确地反映结构的强度、变形、耗能等性能。在抗震性能试验中, 试件主要发生挠曲变形, 2个试件的弯矩-跨中挠度骨架曲线如图5所示。可见:

1) 叠合梁PCB-S与现浇对比梁RCB-S的弯矩-跨中挠度骨架曲线相似, 在低周反复荷载下试件经历了弹性、屈服和极限破坏3个阶段;开裂前, 荷载和位移基本呈线性增长;开裂后, 试件刚度降低;屈服后, 随着位移增加, 试件刚度不断下降直至破坏。

2) 叠合梁PCB-S的正反向受弯极限承载力均值相较于现浇对比梁RCB-S高约9.6%。

3) 采用能量法分别确定了2个试件的屈服荷载与位移, 并由此得到叠合梁PCB-S与现浇对比梁RCB-S的正反向位移延性系数均值分别为6.37, 5.97, 相差约6.7%。

设计了2个缩尺梁试件 (梁宽150mm、高150mm、长1 500mm) , 包括1根采用新型组合封闭箍筋形式的混凝土叠合梁 (PCB-T) 及1根采用传统连续封闭箍筋形式的现浇对比梁 (RCB-T) , 试件施工如图6所示。2个梁试件均采用C40混凝土浇筑, 纵筋和箍筋强度等级均为HRB400, 纵筋和箍筋的配筋强度比为1.17。

试验加载装置采用同济大学自主研发的混凝土梁受扭试验装置^[13], 如图7所示。该装置通过梁端支座处对角的2台千斤顶同步施加大小相同的荷载从而实现对混凝土梁的纯扭加载。试验主要测量内容包括: (1) 扭矩 (荷载与力臂的乘积) ; (2) 叠合梁关键截面的扭转角; (3) 叠合梁纵筋应变; (4) 叠合梁箍筋应变; (5) 叠合梁关键截面混凝土应变; (6) 裂缝发展情况。

纯扭作用下, 所有试件 (RCB-T, PCB-T) 均发生典型的适筋梁受扭破坏, 叠合梁 (PCB-T) 与现浇对比梁 (RCB-T) 破坏形态基本一致, 如图8所示。具体表现为:试件的最终破坏以混凝土压碎、纵向钢筋和箍筋屈服为标志;混凝土表面裂缝发展较为充分, 裂缝呈螺旋状分布, 与构件轴线夹角约为45°。试验过程中, 叠合梁 (PCB-T) 叠合层与预制层界面在相邻螺旋裂缝间产生水平裂缝, 但未有明显水平滑移。

在抗扭性能试验中, 试件主要发生扭转变形, 2个试件对应的扭矩-单位扭转角曲线如图9所示。

1) 叠合梁 (PCB-T) 与现浇对比梁 (RCB-T) 的扭矩-单位扭转角曲线相似, 其受力过程经历了弹性、屈服和极限破坏3个特征状态。开裂前, 混凝土梁的受扭刚度均较大, 扭矩与扭转角之间呈线性关系;开裂后, 扭矩-单位扭转角曲线呈现明显的“屈服平台”;此后, 纵筋和箍筋的应变逐渐增大并屈服, 随着混凝土裂缝不断扩展、受压剥落, 混凝土梁承受的扭矩逐渐下降直至破坏。

2) 叠合梁 (PCB-T) 的受扭承载力相较于现浇对比梁 (RCB-T) 高约5.2%。

3) 采用能量法分别确定了2个试件的屈服荷载与位移, 并由此得到叠合梁 (PCB-T) 与现浇对比梁 (RCB-T) 的位移延性系数分别为11.98, 10.92, 相差约9.7%。

本文通过开展2个足尺模型抗震试验和2个缩尺模型抗扭试验, 对一种采用新型组合封闭箍筋叠合梁的受力性能进行了较为系统的研究, 主要结论如下。

1) 低周反复荷载作用下, 叠合梁与现浇对比梁具有相似的破坏形态, 均表现为梁纯弯段局部混凝土压碎并脱落, 对应部位的纵向普通钢筋受压屈服向外弯曲鼓出;其中, 叠合梁梁顶混凝土压碎现象严重区域的箍筋帽松动脱开;纯扭作用下, 叠合梁与现浇对比梁破坏形态同样相似, 最终均形成与混凝土梁轴线呈45°的螺旋裂缝, 并以箍筋和纵筋屈服、混凝土压碎为最终破坏标志。

2) 低周反复荷载作用下, 各试件的骨架曲线接近, 其中叠合梁试件正反向承载力、正反向位移延性系数均值均略高于现浇对比梁试件;纯扭作用下, 各试件的扭矩-单位扭转角关系相似, 其中叠合梁试件的开裂扭矩、受扭承载力、位移延性系数同样略高于现浇对比梁。这表明采用该新型组合封闭箍筋叠合梁具有不低于采用连续封闭箍筋现浇梁的抗震及抗扭承载力与变形能力。

综上所述, 采用本文提出的新型组合封闭箍筋的混凝土叠合梁具有良好的受力性能, 可实现“等同现浇”, 同时, 该构造简单、便于施工, 具有良好的应用前景。