装配式钢筋混凝土叠合梁受力性能试验研究∗

马云龙 何少川 刘廷滨

(1.甘肃省建设投资(控股)集团总公司 兰州730050；2.兰州交通大学 730070)

引言

发展装配式建筑是建造方式的重大变革和推进建筑业供给侧结构性改革的重要举措[1]，有利于节约资源能源、减少施工污染、提升劳动生产效率和质量安全水平[2]。装配式钢筋混凝土结构中的梁、板等弯、剪构件常采用叠合施工的方式，装配部分与现浇部分新旧混凝土收缩不同步，容易在结合面处产生初始应力，严重时会产生收缩裂缝，在受力过程中叠合面位置的剪应力往往较大，进而进一步导致叠合界面位置的破坏[3]。

国内外学者对叠合构件进行了一系列深入研究[4，5]。美国、英国以及前苏联混凝土结构规范对组合结构的计算和构造已有了专门的规定。国外学者主要研究叠合面的抗剪强度、抗剪连接叠合面上下两部分的收缩微差造成的附加内力和变形预制构件对后浇混凝土极限变形的抑制以及抗裂度和挠度的计算方法等问题。我国对于叠合梁的研究开始于20世纪60年代，通过对叠合梁和对比整浇梁的试验研究[6-8]，对普通钢筋混凝土叠合梁的二次受力问题进行了研究，指出了叠合梁在二次受力情况下存在“应力超前现象”，必须加以限制[9，10]；我国编制的《钢筋混凝土结构设计规范》(TJ10-74)中尚未对叠合梁的正截面与斜截面设计方法进行规定，在《混凝土结构设计规范》(GBJ10-89)中正式提出了有关叠合受弯构件设计条文和比较全面的有关叠合结构正截面、斜截面、叠合面强度以及使用阶段验算的计算方法，《混凝土结构设计规范》(GB50152-2012)中基本保持了原规范的内容。

针对叠合梁的受力状态，采用插筋的方法弥补新旧混凝土界面处混凝土粘结强度的损失，是目前工程中常采用的方法，但针对该补强方法对叠合梁受力性能提升的效果，国内外相关的试验和理论研究仍然欠缺，本文通过试验对比分析整体浇筑钢筋混凝土梁与二次浇筑但采用插筋方法补强的叠合梁的受力性能，为同类工程的应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试验设计

混凝土强度等级为C35(Ec＝3.15×104N/mm2，fc＝16.7N/mm2，ft＝1.57N/mm2)，梁纵筋为HRB400 级直径φ14(Es＝2.1×105N/mm2，fy＝360N/mm2)，箍筋为 HPB300 级直径φ6(Es＝2.1×105N/mm2，fy＝270N/mm2)，后植钢筋为HPB300 级直径φ6。整体浇筑钢筋混凝土梁尺寸及配筋设计如图1所示(编号ZJ1)。分层浇筑叠合梁，分层高度比αh＝0.55，尺寸及配筋设计如图2所示(编号 DHd1)，插筋采用 HRB400 级直径φ14 螺纹钢，插筋间距200mm，如图2所示。

图1 整体浇筑钢筋混凝土梁Fig.1 Schematic diagram of the overall pouring beam

图2 分层浇筑钢筋混凝土叠合梁Fig.2 Schematic diagram of the stacked beam

1.2 加载装置及方式

本次试验采用两点集中加载方式，剪跨比λ＝2.0，加载仪器采用 YJ-ⅢD 型结构力学组合试验装置，压力传感器、位移计的数据使用DH3815N 静态数据采集仪同步连续采集，每秒进行一次采样。加载装置如图3所示。

图3 加载装置Fig.3 Loading device

根据试验目的，试验采用千斤顶加载，试验正式开始前进行10kN 的预加载并重复3 次，以消除梁试件与各加载设备之间的非弹性变形，并确定各测量仪器是否正常工作。正式加载采用逐级加载的方式，每级荷载约为5kN，各级荷载间的持荷时间为5min，以方便观察裂缝的开展情况，当加载至预计开裂荷载附近时，减小加载速率与分级以便获得准确的开裂荷载。

试验主要测试梁的荷载、挠度、裂缝，其中梁的荷载由压力传感器采集，挠度由百分表采集，裂缝由人工观察，加载过程中裂缝开展情况绘制在梁侧面。

2 试验结果

梁破坏形式较为相似，所有试件腹部斜裂缝均达到1.50mm，且部分构件出现斜裂缝端部混凝土压坏的情况，根据《混凝土结构试验方法标准》(GB50152-2012)，本试验所有构件均达到受剪承载力极限状态，均属于剪压破坏形态。破坏情况见图4，开裂弯矩、极限弯矩见表1。各试件随着荷载的增加，裂缝分布情况见图5，图中裂缝旁的数字对应的此时的荷载值单位为kN。

图4 试件破坏情况Fig.4 Damage form of specimens

表1 试件开裂弯矩、极限弯矩实测数据Tab.1 Cracking moment and ultimate bending moment of the test piece

图5 试件裂缝分布情况Fig.5 Crack distribution of the test piece

3 试验结果分析

3.1 破坏模式

在集中荷载作用下，整浇梁与分层浇筑梁破坏特征基本一致，均属于剪压破坏。加载过程中，所有构件均在纯弯段底部首先出现第一条竖向裂缝，随后又陆续出现多条竖向裂缝，与整浇梁不同的是，叠合梁的多数纯弯段竖向裂缝在发展至分层面后均不再向上延伸，直至加载的荷载较高时，才通过分层面继续向上发展，通过后延伸速度较快，而整浇梁的纯弯段竖向裂缝向上发展的速度比较均匀；随着荷载的增加，各构件在弯剪区底部均出现竖向裂缝，随后裂缝向加载点处延伸，此时出现弯剪斜裂缝，分层浇筑梁的斜裂缝在发展至结合面处时，产生水平裂缝，随后通过结合面继续延伸；荷载继续增大，构件出现从支座底部指向加载点的腹剪斜裂缝，整浇梁的腹剪斜裂缝发展迅速，裂缝宽度迅速增大，使得裂缝左右两端混凝土发生错动而破坏，而分层浇筑梁的腹剪斜裂缝发展至结合面处时，同时产生了水平裂缝。

后插筋叠合梁DHd1 与整体浇筑梁ZJ1 的开裂荷载、极限荷载均相近，可见插筋能够有效地弥补分层浇筑对梁承载能力的影响，叠合梁在采取有效的构造措施后，叠合的施工工艺不会引起结构安全储备的显著降低。

3.2 荷载-挠度曲线

整浇梁与分层浇筑梁的荷载- 挠度曲线见图6，从图中可以看到分层浇筑梁与整浇梁的挠度曲线相似，这在一定程度上反映了叠合梁的破坏整体过程与整浇梁是类似的，一样具有明显的弹性和弹塑性阶段。从图中可以看出，插筋之后的叠合梁达到极限荷载之后比现浇梁具有更好的变形能力，这与插筋增大了梁的配箍率有关。

图6 荷载挠度曲线Fig.6 Load deflection curve

4 结论

对整体浇筑梁与叠合梁进行受剪承载力试验对比研究，通过对试验梁开裂荷载、极限荷载、裂缝发展形式、荷载-挠度曲线等变化规律的分析，得到如下的结论，可为叠合梁的设计施工及补强提供参考。

1.采取插筋构造措施的叠合梁在集中竖向荷载下的破坏形态与整体浇筑梁相似，叠合梁的腹剪斜裂缝发展至新旧混凝土结合面处时产生了水平裂缝；

2.采取插筋构造措施的叠合梁的开裂荷载及极限承载力与整浇梁均十分接近，证明采取插筋的构造措施后，叠合的施工方法不会引起结构安全储备的降低。

3.采取插筋构造措施的叠合梁，由于增大了梁的配箍率，梁的延性较整体浇筑梁有较大提高。