组合封闭式箍筋双筋混凝土梁受弯性能试验研究

林峰 张羽 张智 韦恒

(同济大学建筑工程系，上海200092)

1 引言

预制装配整体式混凝土结构是以预制构件为主，经构件吊装、钢筋连接、部分施工现场浇筑而成的混凝土结构。该结构形式结合了预制结构工业化程度高、能耗低、污染小的优点，以及现浇结构整体性好的长处，符合我国目前建设资源节约型、环境友好型社会的要求，是建筑产业工业化、现代化的重要发展方向之一。

近年来，我国大陆从台湾引进一种新型预制装配整体式混凝土结构房屋的建造技术——“润泰体系”。其中的一个关键技术是叠合梁采用组合封闭式箍筋。建造时，首先在工厂预制柱构件和梁板构件的下部，然后运至现场，绑扎梁板上部钢筋，最后整体浇筑梁柱节点和梁板上部。图1显示了现场整体浇注前的梁板照片。图2示意了组合式箍筋梁的施工顺序。预制梁下部采用U形箍肢，运至施工现场后再绑扎上部的J形箍肢，最后浇筑叠合层。这一技术的优点是避免了先将箍筋封闭后再安装梁上部纵筋的不便，施工次序合理，效率提高。

图1 整体浇筑前叠合梁板和梁柱节点Fig．1 Precast beams，slabs and beam-column joints before cast

图2 组合式箍筋叠合梁施工顺序示意Fig．2 Construction sequence of superposed beams using assembled stirrups

然而，组合封闭式箍筋是否满足规范要求，工程师目前对此没有共识。我国《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)［1］第 9．2．9 条规定:当梁中有按计算需要的纵向受压钢筋时，箍筋应做成封闭式。美国ACI规范［2］允许在现浇结构中使用组合封闭式箍筋，并对上部J形箍肢的放置做出了相关规定，但对箍筋间距这一关键参数没有给出说明。《装配式混凝土结构技术规程(报批稿)》［3］允许采用此类箍筋，但相关规定需要进一步的研究结果支撑。从箍筋约束效果方面考虑，有人担心，组合式箍筋的上部J形箍肢对双筋梁中受压纵筋的约束可能弱于常规封闭箍筋。极限荷载下，箍肢和周围混凝土能否有效约束受压纵筋?换言之，受压纵筋是否可能因侧向约束不足而过早失稳，导致梁受弯性能下降?

推广组合封闭式箍筋叠合梁制造技术需要回答以上疑问。经文献检索，没有发现相关研究报道。考虑到组合封闭式箍筋梁的抗剪性能与传统封闭箍筋梁相比没有区别，以及解析或数值方法研究此问题存在困难，故本研究采用试验方法研究采用组合封闭式箍筋的叠合双筋混凝土梁受弯性能。

2 试验计划

试验分两批。第一批试验包括13根一次浇筑梁试件，目的是考察不同箍筋形式梁受力性能差异。为考察足尺和叠合梁受弯性能，进行了第二批6根叠合梁试验。试件截面均为矩形，选取箍筋形式、截面尺寸、受压纵筋和箍筋间距为研究参数。第一批试件信息见表1。箍筋有三种形式，即组合封闭式、传统封闭箍筋和U形箍筋(箍筋上部不配J形箍肢)。试件尺寸有150 mm ×300 mm×2 300 mm和200 mm×400 mm×3 000 mm两种。受压纵筋包括212和214两种。设计了110 mm、120 mm、200 mm和350 mm共4种箍筋间距，前两种和后两种试件预计分别受弯和受剪破坏。

第二批试件信息见表2。箍筋形式均为组合封闭式箍筋。试件D-B1—D-B4的尺寸、配筋分别同第一批试件A-B1—A-B4，但二次浇筑。试件D-B5和D-B6长6 000 mm，接近实际工程尺度。最大受压纵筋322。第二次浇筑前对混凝土叠合面进行凿毛处理，以保证粘结可靠［4］。

加载时若如常规做法在试件上表面放置钢垫块承受集中力，则此范围内受压纵筋将受到钢垫板的约束，与实际受力情况不符。为避免此约束，在梁中两个加载点位置处预埋钢块。钢块呈工字形，其上部钢板露出试件上表面，使得加载可绕过上部受压纵筋而直接作用在梁内部混凝土中，如图3所示。此外，为确保发生预期的受弯破坏，部分试件的所有箍肢附加绑扎竖向钢筋直杆，以提高试件抗剪承载力。箍筋和纵筋分别采用HPB235钢筋和HRB335钢筋。采用商品混凝土，试验得到第一批试件、第二批试件先浇部分、第二批试件后浇部分的混凝土单轴抗压强度分别是31．7 MPa、36．4 MPa 和 47．9 MPa，弹性模量分别是 3．26 × 104MPa、2．99 × 104MPa 和 3．67 ×104MPa［5］。钢筋的屈服强度和弹性模量见表3。混凝土保护层厚度20 mm。

表1 第一批试件信息Table 1 Details of first test group

表2 第二批试件信息Table 2 Details of second test group

图3 试件中预埋的钢块Fig．3 Steel block embedded in specimen

表3 钢筋材料力学性能［6］Table 3 Mechanical properties of reinforcing steel bars［6］

试验在同济大学建筑结构试验室进行。考虑预埋钢块位置，近似三分点分级加载，荷载控制。采用常规的粘贴电阻应变片量测纵筋、U形箍筋两肢和J形箍筋水平段的应变。用位移计测量试件挠度。纵筋应变片、位移计的位置和加载位置示意见图4和表4。

图4 纵筋应变片、位移计及加载点位置Fig．4 Layout of strain gauges，displacement meters and loading points

表4 试件加载位置Table 4 Loading positions

3 试验结果与分析

3．1 破坏形态

除试件A-B5、A-B6和U-B5发生预期的受剪破坏外，其余试件受弯破坏。典型的破坏形态见图5。试验后，凿除试件跨中上部受压破坏区域的混凝土后，观察箍筋对受压纵筋的约束情况，见图6。可见，所有试件受压纵筋在与箍筋交汇处均被正常约束。组合封闭式箍筋的U形和J形箍筋弯钩处没有肉眼可见的脱开，J形箍筋也没有整体移动的迹象。甚至仅配置U形箍筋的试件中，箍筋也可以为纵筋提供有效约束，未发现受压纵筋失稳的现象。

图5 试件典型的破坏形态Fig．5 Typical failure modes of specimens

图6 箍筋可完好约束受压纵筋Fig．6 Compressive longitudinal steel bars perfectly restrained by assembled stirrups

此外，包括传统封闭箍筋在内的部分试件，在两个完好箍肢间受压纵筋朝“外侧及上部”方向弯曲，见图6。这与峰值荷载后进一步位移加载、混凝土体积膨胀等因素有关。将试验与计算结果比较(见第3．5节)也表明，这一现象没有导致试件受弯承载力降低。因而，受压纵筋在箍筋节点间的部分朝“外侧及上部”方向弯曲并未影响“箍筋可有效约束受压纵筋”这一判断。这一现象可以认为是试件受弯或受剪破坏后的“后破坏”现象。

3．2 极限承载力与荷载-挠度曲线

试验得到了试件的极限承载力，分析如下。

(1)组合封闭式箍筋试件A-B1—A-B4与传统封闭箍筋试件T-B1—T-B4仅箍筋形式不同，比较它们的极限承载力见表5。相对误差在0．3%～－7．7%之间，可见，两种箍筋形式试件的受弯极限承载力没有显著差异。

表5 组合封闭式箍筋与传统封闭箍筋试件极限承载力Table 5 Comparison on ultimate bending capacity of specimens with assembled stirups and traditional stirrups

(2)U形箍筋试件U-B1、U-B3与传统封闭箍筋试件T-B1、T-B3仅箍筋形式不同，比较它们的极限承载力见表6。相对误差在－4．5% ～1．3%之间，可见，在受压纵筋没有提前失稳的情况下，仅配置U形箍筋与传统封闭箍筋试件的受弯极限承载力也没有显著差异。

表6 U型箍筋与传统封闭箍筋试件极限承载力Table 6 Comparison on ultimate bending capacity of specimens with μ shape stirrups and traditional stirrups

(3)组合封闭式箍筋试件A-B2、A-B5和AB6的破坏由受弯向受剪转化，极限承载力分别是450．7 kN、425．6 kN 和 331．7 kN，逐步降低。

(4)由于组合封闭式箍筋试件D-B1—D-B4与A-B1—A-B4的材料性能不同，承载力难以直接比较。但3．5节表明，它们的试验值与计算值吻合较好。

综上所述，不同的箍筋形式不影响试件的受弯或受剪破坏形态，对受弯极限承载力也没有显著影响。

图7以B3系列(受弯破坏)为例，给出了荷载－挠度曲线。可见，曲线呈典型的三折线延性破坏特点，曲线形状接近，不同箍筋形式对试件变形性能没有显著影响。包括叠合试件在内的其余试件也支持此结果。

图7 典型试件荷载—挠度曲线Fig．7 Loads-deflection curves of typical specimens

3．3 受压纵筋应力

试件设计时，遵循受压钢筋尽可能屈服或接近屈服的原则，同时考虑最大配筋率和钢筋直径的因素。两次试验中测得了受压纵筋的应变并换算为应力，见图8。可见对于受弯破坏的试件，受压钢筋基本可以屈服或接近屈服。对于受剪破坏的3个试件(A-B5、U-B5和A-B6)，实测应力和预期一样，没有达到材料屈服强度。这是因为受剪破坏发生在受弯破坏之前，故受压纵筋应力较小。个别试件受压钢筋应力稍微偏小可能与测量误差有关。

图8 实测钢筋应力与屈服强度的比较Fig．8 Comparison on measured stress with yield strength of compressive steel bars in specimens

3．4 箍筋应变

表7给出了加载至极限荷载时，跨中附近处J形箍筋水平肢应变实测值以及U形箍筋两竖肢应变的实测平均值。总体上，箍筋受拉且应变较小，J形箍筋的应变基本上可以达到U形箍筋的2倍以上。分析认为，箍筋应变与测点布置、箍筋间距、混凝土受压膨胀等较多因素有关，较为复杂。另外，部分地受到混凝土受压膨胀影响，受压纵筋既有向上弯曲扩张的趋势，也有向两侧扩张的趋势。

表7 组合封闭式箍筋试件跨中附近箍筋的应变Table 7 Measured strain of stirrups in the midspan of specimens

3．5 承载力计算

为进一步调查采用组合封闭式箍筋与传统封闭箍筋的试件受弯性能有无区别，我们采用传统的分析方法［7，8］得到组合式箍筋试件抗弯承载力。计算基于试件破坏形态、平截面假定、材料模型［1］和力平衡原理。经验算，叠合梁试件受压区高度均小于叠合层浇筑高度，因此受压区混凝土强度取叠合层混凝土强度。对于配有双层受拉钢筋的试件，计算纵向钢筋合力点到混凝土边缘的距离as时需考虑钢筋的分布。发生受弯破坏试件的承载力示于表8。可见，计算承载力与试验承载力接近，平均误差1．5%。其中，第一批A系列的4个试件计算as时采用了设计混凝土保护层厚度而没有进行实测，可能是导致误差稍大的一个原因。第二批D系列采用了实测混凝土保护层厚度计算，相对误差进一步趋小。可见，可以采用传统封闭箍筋受弯构件承载力的计算方法，预测组合封闭式箍筋构件的相应承载力。

表8 组合封闭式箍筋试件的计算和试验极限承载力Table 8 Calculated and tested ultimate bending capacity of the specimens with assembled stirrups

4 讨论

双筋混凝土梁的受压纵筋侧向约束由箍筋和混凝土提供。对于组合封闭式箍筋双筋梁而言，在箍筋与受压纵筋的交汇点处，侧向约束主要由三个因素组成，即U形箍筋两个竖肢端部的弯钩约束、J形箍筋水平肢端部锚固约束和混凝土保护层约束，如图9所示。在交汇点之间，混凝土可提供一定的侧向约束。但这种约束在地震作用下因混凝土保护层可能部分剥落而不可靠，常不予考虑。本研究实例中，在静力荷载作用下组合封闭式箍筋可以对受压纵筋提供有效约束，受压纵筋没有发生失稳失效。

图9 组合封闭式箍筋梁中受压纵筋侧向约束组成Fig．9 Components of lateral restrains for compression steel bars in specimens with assembled stirrups

5 结语

本文系统研究了配置组合封闭式箍筋双筋叠合梁的受弯性能。在本研究范围内，可以到以下结论:

(1)组合封闭式箍筋可以对双筋叠合混凝土梁的受压纵筋提供有效侧向约束，受压纵筋没有在梁破坏之前失稳。

(2)配置组合封闭式箍筋和传统封闭式箍筋双筋梁的受弯性能可认为没有区别，可采用相同的计算方法进行受力性能预测。

进一步将开展地震作用下配置组合封闭式箍筋双筋叠合梁的受弯性能研究，并对组合封闭式箍筋侧向约束进行量化描述。

致谢 本研究得到同济大学光华基金“预制装配整体式混凝土房屋结构体系(润泰技术)关键技术研究”的资助，特此致谢!

［1］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．GB 50010—2010混凝土结构设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2011．Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People’s Republic of China．GB 50010—2010 Code for design of concrete structures［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2011．(in Chinese)

［2］ American Concrete Institute，ACI Committee 318．AC I318—05 Building code requirements for structural concrete and commentary［S］．Farmington Hills，Mich．，2005．

［3］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．JGJ 1—2014装配式混凝土结构技术规程［S］．北京:中国建筑工业出版社，2014．Ministry of Housing Urban-Rural Construction of the People’s Republic of China．JGJ 1—2014 Technical specification for precast concrete structures［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2013．(in Chinese)

［4］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．GB 50666—2011混凝土结构工程施工规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2011．Ministry of Housing Urban-Rural Construction of the People’s Republic of China．GB 50666—2011 Code for construction of concrete structures［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2011．(in Chinese)

［5］ 中华人民共和国建设部．GB/T 50081—2002普通混凝土力学性能试验方法标准［S］．北京:中国建筑工业出版社，2003．Ministry of Construction of the People’s Republic of China．GB/T 500812—2002 Standard for test method of mechanical properties on ordinary concrete［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2003．(in Chinese)

［6］ 中国国家标准化管理委员会．GB/T 228．1—2010金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法［S］．北京:中国标准出版社，2011．China National Standardization Management Committee．GB/T 228．1—2010 Metallic materials-tensile testingpart 1:method of test at room temperature［S］．Beijing:China Standard Press，2011．(in Chinese)

［7］ 顾祥林．混凝土结构基本原理［M］．上海:同济大学出版社，2004．Gu Xianglin．Basic principles for reinforcing concrete structures［M］．Shanghai:Tongji University Press，2004．(in Chinese)

［8］ 肖建庄，高歌，徐亚玲，等．再生混凝土叠合梁受弯力学性能试验研究［J］．结构工程师，2012，28(2):122-126．Xiao Jianzhuang，Gao Ge，Xu Yaling，et al．Test on bending performance of recycled concrete composite beams［J］Structural Engineers，2012，28(2):122-126．(in Chinese)