螺旋箍筋约束叠合剪力墙14 mm竖向钢筋搭接性能试验研究

试验设计了7个钢筋搭接试件.试件编号以L45R8C45-Y,L45R8C45-N为例说明,其中“L45”表示搭接长度为0.45l_a,“R8”表示箍筋配箍率为0.8%,“C45”表示预制侧混凝土立方体强度,“Y”和“N”分别表示搭接钢筋开槽处理和未做开槽处理.根据不同的研究目的,分为A组和B组(表1).A组研究不同配箍率(0,0.8%,2.8%)对钢筋搭接的破坏模式、搭接性能的各类指标的影响,搭接长度为0.45l_a,搭接区采用C45预制混凝土和相同强度的现浇细石混凝土.B组研究该连接方式下搭接筋的粘结应力分布,通过钢筋开槽获取搭接区域钢筋的粘结应力.其中,B组根据不同因素对粘结应力分布影响又分为B-1组与B-2组,B-1组研究配箍率(0, 0.8%, 2.8%, 3.1%)对应力分布影响,B-2组研究混凝土强度(C45,C55)对应力分布影响,B-1和B-2中的L45R28C45-Y和L25R31C45-Y试件研究不同搭接长度(0.45l_a,0.25l_a)对搭接钢筋与混凝土粘结应力分布的影响.

试验基于螺旋箍筋约束浆锚搭接试验得到的搭接强度预测公式^[11],以搭接破坏时钢筋不屈服为设计原则,设计了2组搭接长度(0.25l_a,0.45l_a)和包括无箍筋组在内的4组箍筋配箍率(0, 0.8%, 2.8%, 3.1%),试件参数表见表1.试件详细情况如下:(1)采用2对2搭接钢筋形式,以避免1对1搭接钢筋偏心产生的附加弯矩对钢筋搭接性能的影响;(2)试件模拟叠合剪力墙构造特点,两侧为普通混凝土预制层,中间为细石混凝土现浇层,预制侧混凝土设计强度为C45、C55,现浇侧混凝土采用等同预制侧强度的设计原则;(3)根据剪力墙边缘构件常用的钢筋直径,选取搭接钢筋直径14 mm,钢筋等级为HRB400级;(4)螺旋箍筋覆盖搭接长度,并在搭接区域外设置足够的锚固长度,钢筋等级为HPB300级.

试件施工图如图1所示.设计强度为C45、C55的混凝土实测强度分别为44.2 MPa、54.1 MPa.钢筋的实测力学性能见表2.

表1 试件参数表
Tab.1 Details of specimens

图1 试件施工图
Fig.1 Sketch of specimens

表2 钢筋力学性能
Tab.2 Mechanical properties of steel bars

试验采用同济大学试验室的微机控制作动器进行试验.试件一端两钢筋通过转换钢板分别与作动器、底座铰接连接,以确保上下拉拔方向在同一中心线上.试验采用位移控制的单向单调加载方式.

试验测量内容包括:荷载、钢筋自由端和加载端滑移,最小保护层侧混凝土膨胀应变,开槽钢筋应变.其中,钢筋滑移通过端部设置位移计和应变片测量; 沿搭接长度方向设置4个应变片测量最小保护层侧的混凝土膨胀应变; 根据文献[16-17],通过搭接钢筋开槽等间距内置应变片获取搭接区搭接筋的应变分布.

A组试件破坏过程基本相同,钢筋滑移平均值均超过1 mm,钢筋出现了显著的拔出现象.受力阶段分为弹性阶段、滑移阶段、破坏阶段.各试件的荷载-滑移曲线见图4,滑移为四根钢筋加载段滑移值的平均值.

在弹性阶段,试件的荷载-位移曲线基本近似直线,试件到达峰值荷载的80%左右时,随后进入滑移阶段,此时钢筋未屈服.在滑移阶段,荷载缓慢增加,钢筋与混凝土间出现较大滑移,钢筋被缓慢拔出,试件L45R0C45-N在滑移值达到5.21 mm时预制与现浇混凝土界面发生劈裂破坏,L45R8C45-N、L45R28C45-N的最小保护层侧混凝土表面出现纵向微裂缝见图5(a).在破坏阶段,试件L45R8C45-N钢筋屈服后拔出破坏见图5(b),试件L45R28C45-N钢筋拉断.

图4 荷载-滑移 曲线
Fig.4 Pull-out force vs. slip curves

图5 试件破坏形态
Fig.5 Failure pattern of specimens

从受力过程和破坏形态来看,配箍率不小于0.8%、搭接长度不小于0.45l_a的钢筋搭接形式可确保搭接钢筋在叠合混凝土内的有效传力.

各试件的平均峰值强度和对应滑移值随配箍率的变化规律见图6所示.

根据特征值变化规律图可知:

(1)钢筋屈服时,当配箍率从0增加到0.8%时,屈服强度对应的滑移值(s_y)提升了139.8%,当配箍率从0.8%增加到2.8%时,s_y基本持平;

(2)破坏时,当配箍率从0增加到0.8%时,峰值强度和对应滑移值(s_max)分别提升了27.1%、158.4%,箍筋约束作用效果显著; 当配箍率从0.8%增加到2.8%时,峰值强度和s_max分别提升了2.1%、38.1%,增长率均显著降低;

总体而言,在低配箍率水平下,箍筋对搭接性能特征值的影响较为显著; 当配箍率提升到一定程度时,箍筋的约束作用有限,增幅降低.

图6 特征值变化规律
Fig.6 Characteristic relation variation

根据描述混凝土钢筋粘结机理的厚壁圆筒理论,钢筋周向混凝土的膨胀应变与混凝土钢筋界面法向压力相关.本试验通过外贴应变片,探究不同配箍率对箍筋和混凝土约束作用的影响.大部分试件在荷载达到峰值荷载80%时,滑移增长较快,此时混凝土的膨胀应变也增长较快,因此选择80%峰值荷载和峰值荷载两个阶段分析混凝土膨胀应变沿搭接长度方向的分布特点.但由于部分试件的混凝土应变片在快速增长期提前破坏未能获取完整的应变分布,而未列为本节的分析对象.混凝土表面膨胀应变随搭接位置变化曲线如图7所示,l_s为搭接长度.

根据以上混凝土表面膨胀应变在纵向的分布曲线图可知:

(1)在同一级荷载下,混凝土应变随搭接方向单调变化,加载端混凝土膨胀变形大于自由端混凝土膨胀变形.由此可见,混凝土和箍筋的约束力沿搭接方向的分布也呈现不均匀性,约束力在靠近加载端区域较大;

(2)在同一位置处,混凝土应变随荷载增加都呈单调递增趋势,说明对搭接钢筋的约束力逐渐增强.

(3)相同搭接长度下,80%峰值荷载时,膨胀应变随配箍率的增加而增加,而到峰值荷载时,规律相反.这是由于配箍率越大,箍筋对混凝土膨胀应变的约束作用越强,混凝土膨胀应变发展速度越慢.

图7 混凝土表面膨胀应变分布
Fig.7 Dilation strain distribution on concrete surface

搭接区钢筋应力的变化受钢筋与混凝土的粘结应力分布的影响.明确粘结应力沿搭接长度方向的分布规律是研究钢筋搭接机理及建立粘结本构关系的基础.

搭接钢筋与混凝土的粘结应力通常采用钢筋开槽内置多个应变片获得.具体步骤如下:①以两个应变测点间的钢筋为隔离体、计算隔离体区段的平均粘结应力; ②以相邻两应变片的中点为控制点,根据隔离体区段的平均粘结应力为控制点粘结强度,相邻控制点间粘结应力分布平滑曲线连接.图8为B组各试件不同荷载水平的应力分布,其中,60%峰值荷载为钢筋屈服前,80%和100%峰值荷载为钢筋屈服后.

根据以上试件应力分布图可知:

(1)钢筋屈服前和屈服后,粘结应力分布形式基本相近.

(2)当搭接长度为时,配箍率为0的最大应力峰靠近自由端; 配箍率为2.8%的最大应力峰靠近拉拔端.

(3)当搭接长度为0.45l_a时,分布呈多峰型分布,配箍率0,0.8%两试件最大应力峰峰值分别为20.9 MPa,20.2 MPa,相差3%.配箍率对应力峰峰值强度的影响不显著.

(4)搭接长度为0.25l_a时,分布呈现双峰型分布,混凝土强度C45,C55两试件最大应力峰峰值分别为17.37 MPa,17.5 MPa,相差1%.混凝土强度对应力峰峰值强度的影响不显著.

图8 钢筋粘结应力分布
Fig.8 Bond stress distribution of reinforcement