北京工人体育场超长混凝土结构S形弯折钢筋诱导缝设计与试验研究*

邱意坤, 李 伟, 丁大勇, 王 猛, 许 庆,李 欣, 赵 明, 盛 平

(1 北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045；2 中赫工体(北京)商业运营管理有限公司， 北京 100020；3 北京建工集团有限责任公司，北京 100055；4 中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088)

1 工程概况

北京工人体育场改造复建项目位于北京市朝阳区原工人体育场内,地下三层,地上六层,采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构,改造后建筑总面积达到38.5万m2;地下范围东西跨度约438m,南北跨度约496 m,地上体育场结构东西长213 m,南北长280m,结构最大环向周长约796 m。为了解决温度应力问题,原北京工人体育场在设计建造时设置了24条径向伸缩缝[1-2],降低了原体育场结构的整体性,也严重影响了体育场建筑使用功能,并带来了防水等一系列结构耐久性问题。因此,北京工人体育场在复建时,取消了伸缩缝,通过设置后浇带、设计双层看台板、采用预应力技术、设置诱导缝等综合措施来解决体育场超长混凝土结构的开裂问题[3]。

本文介绍了S形弯折钢筋诱导缝构造在北京工人体育场复建项目超长结构中的设计和应用情况,并开展诱导缝构件试验研究,以揭示S形弯折钢筋混凝土诱导缝工作机理。

2 S形弯折钢筋诱导缝设计

2.1 S形弯折钢筋诱导缝构造

诱导缝是一种削弱构件截面的构造做法,通过引导超长结构在诱导缝处开裂,起到释放诱导缝间混凝土温度应力的作用,达到控制结构裂缝的效果[4-5]。图1为北京工人体育场复建时在地下室外墙采用的一种S形弯折钢筋诱导缝构造,设置最大间距为11m,其主要特点是:1)混凝土构件表面开槽;2)构件的分布钢筋在开槽位置弯折;3)开槽位置表面或内部填充防水材料。

图1 S形弯折钢筋诱导缝构造图示

S形弯折钢筋诱导缝构造可同时在地下室外墙、室外女儿墙、楼板以及和楼板相连的梁上设置。图2为S形弯折钢筋诱导缝在北京工人体育场不同位置的构造情况。

对于地下室外墙和室外女儿墙,竖向钢筋按照原有构造施工,将水平分布钢筋在诱导缝开槽位置进行弯折,这样既保证了外墙正常受力,也能达到释放温度应力的效果。类似地,可在楼板设置诱导缝。为保证楼板受力安全,在楼板开槽位置的梁上增设牛腿,板边界条件在设计时按照简支考虑。在6层环梁位置,对梁腹筋采取弯折措施,配合与其相连的楼板诱导缝构造,减小楼板诱导缝的变形约束,达到最大程度释放温度应力效果。

在正常使用阶段,当温度应力超过混凝土抗拉强度后,构件出现裂缝。诱导缝构造通过开槽削减了构件抗拉截面尺寸,能够在温度应力下首先开裂,释放温度应力。其主要的优点是:可在诱导缝内部和开槽位置同时设置防水材料,构成多道防水防线,保障构件耐久性能。此外,水平分布钢筋通过弯折措施实现了构造连续,保证了构件完整性,且无需额外附加钢筋,降低了施工难度,节省了工期和成本。

2.2 S形弯折钢筋设置间距

一般认为,拉应力是控制混凝土开裂的主要因素[6-7]。诱导缝设置的间距应小于裂缝的最大分布距离,才能起到释放温度应力作用。文献[8]给出本文S形弯折钢筋混凝土诱导缝间距计算方法,如式(1)所示。

(1)

式中:H为构件高度;α为混凝土膨胀系数;T为温差;E为弹性模量;Cx为约束系数;εp为混凝土达到开裂应力时对应的应变值。

表1为北京工人体育场结构诱导缝实际布置最大间距和按照(1)式计算的间距。结果显示对于檐口环形梁、地下室外墙以及室外女儿墙,计算间距分别为10.62、20.82m和11.41m。室外女儿墙诱导缝间距与《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[9]中规定的室外女儿墙伸缩缝间距12m较为接近,且更为保守。在实际施工时,控制诱导缝间距小于计算值。如图3所示,以地下1层室外女儿墙为例,墙最大连续长度约120m,诱导缝按照最大间距9m布置,女儿墙的水平钢筋在诱导缝开槽位置弯折45°。

表1 工人体育场诱导缝设置间距

图3 室外女儿墙S形弯折钢筋诱导缝做法示意

为了验证诱导缝实际开裂效果,揭示弯折钢筋诱导缝工作机理,并为工人体育场诱导缝设计提供依据,开展了六组配置S形弯折钢筋诱导缝的钢筋混凝土试件试验研究。

3 试验概况

3.1 试件设计

本次试验设计六组诱导缝钢筋混凝土试件,以轴向拉伸方式模拟构件在降温工况下的受力情况。构件详细尺寸如图4(a)～(c)所示,试件长为2m,高0.5m,宽0.2m,试件在标准养护条件下养护28d,在试件的中部两侧分别设置20mm×20mm的诱导缝,试件开槽位置混凝土保护层厚度10mm,其他位置30mm。应变片位置如图4(d)、(e)所示。为避免弯折钢筋受力后试件产生较大的错动变形,各组试件顶部和底部均设置三根水平钢筋,试件中部的水平分布钢筋分别采用弯折0°、30°和60°三种工况,试件详细尺寸信息见表2。

表2 试件详细信息

图4 S形弯折钢筋诱导缝试件尺寸及应变片位置

3.2 材料性能

通过劈裂试验测量混凝土材料轴心抗拉强度,混凝土试件为标准养护条件下的立方体试件,尺寸为150×150×150。试件混凝土强度等级为C40,实测抗拉强度为3.73MPa。受力钢筋以及箍筋等级为HRB400,埋件钢板材料等级采用Q355B。试验选用受力钢筋的公称直径分别取10mm和8mm,箍筋直径为6mm,箍筋间距200mm。钢筋材性试验参照《钢筋混凝土用钢材试验方法》(GB/T 28900—2012)[10]和《钢筋混凝土用钢 第2部分:热轧带肋钢筋》(GB/T 1499.2—2007)[11]完成,试验用钢筋详细的材料性能参数见表3。

表3 钢筋材料信息

3.3 试验装置及数据测量

本试验在北京科技大学力学实验室进行,采用201型MTS作动器,配备动态数据采集系统。图5为试验加载情况,试件通过销轴与加载设备连接,试件底部设置两个可滑动的千斤顶支座。进行拉伸试验时,首先进行两次预拉加载,调整荷载传递装置使偏心率不大于10%。正式拉伸试验时,加荷速度应取0.08～0.10MPa/s。每次加荷10kN,测读并记录变形值,观察裂缝发展情况并测量裂缝宽度,试件破坏后停止加载,试验结束。

图5 S形弯折钢筋诱导缝试验加载情况

4 试验结果

4.1 试件破坏形态

在正式加载的初始阶段,试件无明显试验现象。随着水平力增加,试件表面未观察到裂缝产生。当水平力达到一定数值时,伴随巨响,六组试件均在诱导缝开槽位置产生首条贯穿裂缝。继续加载,诱导缝位置裂缝宽度不断扩大。随着荷载增大,新的裂缝在诱导缝开槽位置两侧对称产生。试件首条裂缝如图6所示。

图6 S形弯折钢筋诱导缝首条裂缝

试件的开裂荷载及首条裂缝宽度见表4。整体上,六组试件开裂荷载较为接近,开裂荷载不受钢筋弯折角度的影响。假定钢筋与混凝土在开裂前变形协调,计算试件的理论开裂荷载值均小于试验值。此外,随着试件弯折钢筋的角度增大,首条裂缝的宽度呈现增大的趋势。在配筋率相近的情况下,减小分布钢筋间距(即分布钢筋数量增多)有利于减小裂缝宽度。

表4 试件开裂荷载及裂缝宽度

4.2 混凝土荷载-应变曲线

由于构件在实际温度作用下的受力情况很难开展试验研究,本试验是以轴向拉伸近似模拟构件在降温工况下受拉开裂情况,并不关心构件的轴向拉伸极限强度。重点关注诱导缝位置混凝土与弯折钢筋应力应变情况。

图7对比了六组试件诱导缝位置混凝土与诱导缝两侧未开槽混凝土的荷载与应变情况。由图可得,在0～25με应变范围内,诱导缝位置及其两侧混凝土变形随着外荷载增大呈现线性增长现象,且曲线斜率相同。随着外荷载进一步增大,诱导缝开槽位置(图4(a)、(b))混凝土变形呈现快速增长趋势,混凝土荷载-应变曲线斜率开始减小,曲线增长变缓,在50～75με应变范围内,诱导缝开槽位置混凝土荷载-应变曲线曲率变化较大,刚度退化明显。此时,该位置混凝土内部微裂缝开始产生发展并逐渐贯通。开槽位置裂缝发展到一定程度后,混凝土退出工作,荷载-应变曲线逐渐变为水平,诱导缝开槽处的外荷载由钢筋承担。此时,诱导缝两侧位置的混凝土尚处于弹性阶段,荷载-应变曲线斜率无明显变化,诱导缝两侧混凝土仍可承受轴向拉力。

图7 混凝土荷载-应变曲线

对比六组试件试验曲线,钢筋弯折角度对试件开裂荷载以及诱导缝抗拉刚度无明显影响。由于混凝土为脆性材料,抗拉强度低,拉伸变形能力很小,在混凝土诱导缝位置裂缝充分发展时(应变约50με),假设混凝土与钢筋材料变形协调,此时钢筋应力仅10MPa,试件开裂前荷载主要由混凝土承担。因此,诱导缝开裂荷载主要取决于混凝土材料等级及开槽尺寸。

诱导缝开槽位置削减了抗拉的混凝土面积,对比槽两侧,当诱导缝位置混凝土抗拉刚度有明显软化时,槽两侧变形量仅为开槽位置的1/2,槽两侧混凝土仍处于弹性阶段。可见,对诱导缝开槽处理可明显延缓其他位置混凝土拉伸变形的发展。

4.3 钢筋荷载-应变曲线

图8对比了六组试件钢筋弯折段和直线段荷载-应变情况。当诱导缝位置钢筋弯折角度为0°时(即钢筋不弯折),弯折段与直线段荷载-应变曲线变化趋势完全相同。当诱导缝弯折钢筋角度为30°时,弯折段钢筋与直线段钢筋曲线斜率有一定差异,在相同外荷载作用下,弯折段的钢筋变形更小。当诱导缝位置混凝土开裂后,混凝土退出工作,外荷载由钢筋承担,弯折段变形能力较强,产生了较大变形,此时直线段钢筋应力仍在增长。当弯折钢筋角度为60°时,弯折段钢筋荷载-应变曲线斜率更大,混凝土退出工作后,钢筋产生较大的变形。

图8 钢筋荷载-应变曲线

在混凝土退出工作后,主要裂缝在诱导缝位置不断发展,暂缓其他位置裂缝的产生或减小了其他裂缝的宽度。对比钢筋直线段和弯折段变形情况后发现,在混凝土开裂前,弯折钢筋在相同外荷载作用下,分担的应力更少,弯折钢筋位置的混凝土会承担更多的荷载。因此,在开槽位置将钢筋进行弯折处理,诱导缝位置的混凝土和钢筋均为受力薄弱面,更有利于诱导缝发挥功效。

综上,本文提出的S形弯折钢筋诱导缝可在温度应力作用下首先开裂,能够有效释放温度应力,弯折钢筋具有较大的变形能力,主要裂缝在诱导缝位置不断发展,延缓了其他位置温度裂缝的产生。

目前,北京工人体育场地下室外墙等位置诱导缝已经正常工作近一年,经历了一整个升降温周期。通过对现场诱导缝位置混凝土裂缝进行观测,发现部分诱导缝位置出现明显裂缝,诱导缝附近混凝土未见明显裂缝。图9为典型的环梁和地下室外墙诱导缝裂缝情况,现场观测表明S形弯折钢筋诱导缝可以对裂缝出现位置起到一定控制作用。对构件表面的开槽,可使用防水材料填涂,保证构件的耐久性。

图9 现场诱导缝裂缝

5 结论

(1)在轴向拉力作用下,试件在诱导缝位置首先开裂,呈现脆性破坏现象,诱导缝开裂荷载主要由混凝土材料强度决定。

(2)在相同外荷载作用下,随着弯折角度增大,钢筋分担的应力更少,对应其弯折钢筋位置的混凝土会承担更多的外荷载。在开槽位置将钢筋进行弯折处理,更有利于诱导缝发挥功效。

(3)构件裂缝产生及发展分布规律,以及弯折钢筋应力、应变情况符合北京工人体育场超长混凝土结构诱导缝的设计预期。试验结果及现场观测表明,北京工人体育场使用的S形弯折钢筋诱导缝可在温度应力作用下首先开裂,释放了温度应力,同时解决了混凝土收缩问题,暂缓其他位置产生有害裂缝的效果。

(4)S形弯折钢筋诱导缝构造简单、受力可靠、施工方便,在工人体育场超长混凝土结构设计中得到了成功实践,可作为应对超长混凝土结构温度裂缝问题的一种有效手段。