带缝和整浇试件的力学性能试验研究

带缝和整浇试件的力学性能试验研究

0施工缝的施工影响2008年，在四川地震中，出现了一些典型的裂缝施工，主要集中在钢筋混凝土支架的端部。很多按照当时现行抗震规范设计的结构也遭遇此类破坏。这表明现浇钢筋混凝土结构中的施工缝存在抗震风险，需要进一步研究。已有一些国内外学者针对施工缝的受力特点进行试验研究。Waters研究了不同接缝做法对施工缝抗拉强度的影响，发现最好是在旧混凝土晾干以后再铺设新的混凝土，铺设之前用钢丝刷刷毛或者喷砂处理旧混凝土表面比不做任何处理稍好。旧混凝土的养护时间长短对施工缝抗拉强度没有影响。根据这篇文章，我国规范所采用的接缝面处理方法，即:继续浇筑上部柱身混凝土前，清除接缝面的水泥薄膜和松动石子以及软弱混凝土层、凿毛并充分加水湿润且不得积水的方法，属于抗拉强度较差的一类处理方法。宋玉普研究了不同的缝面铺设材料对抗拉强度的影响，结果显示改良的粉煤灰砂浆可以显著提高新旧混凝土间的粘结性能，不铺设任何接缝材料的混凝土试块抗拉强度最低。Monks通过试验研究了不同弯剪组合应力下带缝梁的破坏模式。结果发现，在纯弯状态下，即使光滑的施工缝也对梁的最大弯矩值没有影响。在弯剪共同作用下，施工缝处承受的剪力一部分来自构件截面中性轴以上的压应力所产生的摩擦力，另一部分来自纵筋的销栓作用。如果没有摩擦力的贡献，带光滑施工缝的梁只能承受较低的剪切荷载。Isao考察了拉剪组合应力下施工缝的力学特点。结果表明构件的剪切刚度随着拉力增大而降低，同样，受拉刚度随着剪力增大而降低。施工缝处的抗拉和抗剪强度均比整浇混凝土低，其中抗拉强度降低得更加明显。López通过试验和理论分析给出了构件沿施工缝的滑移量与结构在强震下的最大反应之间的关系公式，并给出了最低限值。如果一根钢筋混凝土构件上的施工缝的滑移量不超过给定限值，即认为满足现行抗震规范要求。本课题组为研究施工缝对钢筋混凝土框架柱抗震性能的影响，对整浇柱和带缝柱进行了拟静力试验。通过对比，深入分析施工缝对柱端传力机制和破坏机理的影响，并且从承载力、变形、耗能、纵筋滑移、应力分布及剪切变形分量所占比重等不同角度分析施工缝对柱子抗震性能的影响。上述研究表明施工缝处的抗拉和抗剪能力薄弱，有可能在地震中沿此处发生滑移破坏。本文在分析已有研究结果的基础上，针对我国现行规范规定的施工缝处理方法，通过试验研究了其各项力学性能指标，并对比其与整浇混凝土的区别。建立施工缝数值模型，用于考虑施工缝影响的钢筋混凝土结构的非线性数值分析。结合OpenSees软件平台，应用施工缝数值模型对本文拟静力试验的构件进行了数值计算，研究了钢筋混凝土带缝构件在不同压力和剪力荷载组合下的力学反应。若无特别说明，下文所说施工缝均指这种特定处理方式形成的施工缝，这也是实际结构施工中广泛采用的一种处理方式。1混凝土力学性能试验施工缝由新老混凝土结合面(简称接缝面)和穿过缝面的钢筋组成，其力学特性由两种材料参与完成，如图1所示。由于接缝面和钢筋的协同及相互作用随组成比例、几何条件和加载制度不同而发生变化，很难通过试验详细了解两者的组合力学特性。因此，本文参考钢筋混凝土结构的研究思路，把接缝面和钢筋当作两种材料分开考虑。这样做一方面可以应用比较成熟的测量混凝土抗压、抗拉和抗剪力学性能的试验方法，以及已有的较丰富的关于新老混凝土结合面力学性能的试验资料和钢筋力学性能的试验资料;另一方面把混凝土和钢筋分开考虑也符合目前大多数有限元分析软件的建模思路，为后面建立施工缝模型并在结构的非线性数值分析中应用提供方便。1.1混凝土试块的制作在总结现有试验资料的基础上，补充完成关于接缝面抗拉、抗压和抗剪等力学性能的静力试验，每种类型均同期在同等条件下制作带缝和整浇两组试件，以便进行比较。试块的混凝土强度等级定为C30，配合比见表1，试块浇筑完毕在自然条件下养护28d。用于试验的素混凝土试块的尺寸如图2所示。每种类型完成2组试件的对比试验，结果取平均值。1.2混凝土受拉力学特性试验在重庆大学结构工程实验室完成，所用试验设备为电液伺服式万能试验机，如图3(a)所示。试验机最大试验力为1000kN，变形测量精度为±0.005FS，力测量精度优于±1%。试验中以5.0×10-5/s等应变速度加载，数据采集系统自动记录力与变形数据。3种静力试验中带缝试块与整浇试块的力-变形曲线对比见图4。在静力受压试验中，施工缝对试块的压力-位移曲线和抗压强度均几乎没有影响。试验数据显示，整浇试块的最大受压承载力为486kN，试块承压面面积为150mm×150mm，则抗压强度计算为21.6MPa;带缝试块的最大受压承载力为475.3kN，抗压强度为21.2MPa。设计的混凝土强度等级为C30，其轴心抗压强度标准值为22.8MPa，误差最大不超过7%。在静力受拉试验中，整浇试块沿中间稍偏下的截面拉断，破坏面参差不齐。带缝试块沿接缝面拉断，破坏面较整齐，能清晰看见做过处理的接缝处经凿毛而凹凸不平的痕迹。两种试块的破坏均是突然的脆性破坏，破坏之前未发现明显的裂缝出现。试验数据显示整浇试块的最大受拉承载力为16.6kN，试块承拉面面积为100mm×100mm，则抗拉强度为1.66MPa;带缝试块的最大受拉承载力为7.7kN，抗拉强度为0.77MPa。可见，接缝面的抗拉强度约为整浇混凝土抗拉强度的46%。对于整浇混凝土，其抗拉强度约为抗压强度的8%。在静力受剪试验中，整浇和带缝试块均是沿其中一侧受剪面发生直剪破坏，其中带缝试块的破坏带有更加明显的脆性性质，而且伴随着响声。试验结束后观察破坏面，发现整浇试块的受剪破坏面凹凸不平，呈不规则锯齿状，另一个受剪面几乎没有损坏。而带缝试块的破坏面是沿着接缝面整齐剪断，另一个受剪面有一定程度损坏。试验数据显示整浇试块的受剪承载力为176.7kN，两个承剪面面积均为150mm×150mm，抗剪强度为3.9MPa;而带缝试块的受剪承载力为70.3kN，抗剪强度为1.6MPa。可见接缝面的抗剪强度约为整浇混凝土抗剪强度的41%。2施工缝抗拉抗剪性能低由收集到的试验资料以及本文所做关于施工缝接缝面的力学性能试验可知，施工缝确实存在抗拉和抗剪性能低的特点。汶川地震中也出现在钢筋混凝土框架柱端沿施工缝部位钢筋剪断、水平断面错位的直剪破坏震害现象。因此，有必要针对施工缝对钢筋混凝土构件抗震性能的影响展开研究。2.1试验装置及制度选定悬臂柱的试件形式进行拟静力试验。结构原型为位于8度区Ⅱ类场地的某5层钢筋混凝土框架结构，试件为与原型比例1∶2的缩尺模型。试件的尺寸及配筋如图5所示。为了保证试验具有对比性，每组均采用立模浇筑方式同期制作整浇和带缝2个试件。考虑轴压比、剪跨比、配筋率和体积配箍率等参数的变化，共设计4组试件进行试验研究。试验在重庆大学结构工程大型实验室进行，试验的装置如图3(b)所示。竖向荷载通过油压千斤顶施加到柱顶，并保持恒定，水平向荷载由侧向作动器施加，为防止试件发生平面外变形，在柱头沿与水平加载平行方向，用两个固定在钢柱上的桁架限制平面外位移。桁架与试件加载端的两个平面并未紧密接触，并且在接触面涂有润滑剂，防止桁架对试件产生阻力，影响试验结果。加载采用荷载-位移混合控制方法，加载制度如图6所示。构件达到屈服之前采用荷载控制，屈服以后采用位移控制。以控制截面附近纵筋应变达到受拉屈服应变来判断构件屈服，记录下屈服位移Δy，然后以Δy的整数倍分级加载，各级荷载下循环两次，直至柱子的水平承载力下降到最大承载力的80%以下认为其破坏。2.2混凝土施工缝破坏规律拟静力试验中量测柱顶水平力和水平位移、施工缝周围的纵筋和箍筋应变、柱根部塑性铰区的弯曲变形和剪切变形等。关于试验中试件的力-变形滞回曲线及两种试件的对比特征在文献中有详细描述，此处只给出与本文密切相关的部分内容。试验中发现，带缝试件的初始裂缝无一例外均出现在施工缝处，一旦开裂便迅速绕施工缝一周形成贯通裂缝。接着，随着荷载施加，沿柱体其他部位出现稀疏的水平裂缝，但始终只有施工缝处是开展较宽的主裂缝，随着循环加载张开闭合，直至混凝土碎落，最后形成以施工缝为中线的“><”形破坏，塑性铰长度较小。而整浇试件的初始裂缝出现位置具有随机性，裂缝开展及分布较均匀，最后在试件根部形成“”破坏，整个塑性铰区混凝土剥落厚度基本均匀，塑性铰长度较大。两种试件的典型破坏形式如图7所示。试验结果表明施工缝可能造成应力集中，由此把破坏限制在较小的范围内，使施工缝周围成为主要的耗能区。这个结论从记录的施工缝周围的钢筋应变分布图可以得到验证，如图8所示。沿施工缝周围-80～320mm(设柱与底梁交界处为0)范围内的钢筋上布置有应变片，施工缝位于20mm处。可见，整浇柱底部钢筋的应变分布相对比较均衡，并不止20mm处一个峰值点。带缝柱则很明显只在20mm处有一个峰值点，而且试验中发现该处的钢筋应变片很早就达到屈服值，同样很早就会溢出(应变超过钢筋应变片的量程或应变片损坏)。这是因为施工缝处最早开裂，该处的应力转而由钢筋承担，从而引起钢筋的应力增大，试验过程中试件始终只有这一条主裂缝直至破坏，钢筋应变在此处形成唯一峰值，其他测点处钢筋的应变均较小，说明施工缝处有明显的应力集中现象。3界面剪切本构模型由上述试验结果可以得出，施工缝对压应力的传递和抗压强度的影响几乎可以忽略不计，主要是对拉应力和剪应力的传递有较大影响，应重点予以考虑。施工缝处混凝土的抗拉强度非常小，可以认为该处拉力全部由穿过缝面的纵向钢筋承担;施工缝的剪力传递机制较复杂，抗剪强度随着压力大小而变化，主要由压力产生的摩擦力和纵筋销栓作用两部分承担。根据施工缝的受力特点，可以建立简化模型，法向与切向的受力用如下公式表示:式中:N和V分别为施工缝所受法向轴力和切向剪力;Ns和Vs分别为由穿过缝面的钢筋承担的轴力和剪力;Nc和Vc分别为由缝面混凝土承担的轴力和剪力。由施工缝处的传力特点可知，接缝面处的受力是由接缝面混凝土和纵向钢筋两部分来承担的，混凝土法向不能承受拉应力，只能传递压力和剪力;纵筋在此处连续，参与拉、压、剪应力的传递。轴力变化对施工缝力学性能的影响至关重要，在建立施工缝模型时必须准确体现这一点。综合考虑施工缝的形成特点和受力特点，本文提出施工缝模型以纤维模型为基础，并在切向赋予由试验中得到的能反映施工缝周围区域平均剪切效应的基于截面的剪切恢复力模型，如图9(a)～(c)所示。法向受力性能由“界面拉压弹簧”描述，切向受力性能由“界面剪切弹簧”描述，如图9(d)所示。“界面拉压弹簧”的属性通过定义纤维截面模型实现，对混凝土纤维和钢筋纤维分别选择符合上述所说的施工缝接缝混凝土力学特点和穿过缝面的钢筋力学特点的材料本构。“界面剪切弹簧”的属性由试验中得到的能反映施工缝周围区域平均剪切效应的基于截面的剪切本构模拟。该施工缝数值模型可以应用在考虑施工缝影响的钢筋混凝土构件或结构的非线性数值分析中，有关施工缝模型的单元刚度矩阵推导和参数取值以及有效性验证详见文献。4带缝柱与整浇柱参数变化对构件抗震性能的影响在拟静力试验中发现施工缝会造成应力集中，由此把破坏区域限制在很小的范围内，对构件的抗震性能形成不利因素，但同时也有可能通过缝面摩擦力消耗地震能量，此时反而会对构件抗震性能有益。具体哪种情况占主导地位则取决于接缝面法向和切向应力的相对大小。也就是说，轴压比n和剪跨比l是影响带缝构件抗震性能的关键参数。本文在试验的基础上通过数值计算进一步分析上述两个参数变化对构件抗震性能的影响。研究对象取自试验中的带缝柱试件，在柱底部加入施工缝模型，如图10所示，计算通过OpenSees软件平台实现，主要考察带缝柱在端部施加低周循环荷载下的水平力与位移滞回曲线。剪跨比设定为常数3.0，轴压比从-0.2变化到0.5时，两种类型构件在低周反复荷载下的力-位移骨架曲线如图11所示。可见，带缝柱在剪跨比一定时，承载力随着轴压比增大而提高，延性随着轴压比降低而增大，如果轴压比从正值变为负值，即轴向力由压变为拉，则构件的刚度急剧降低;整浇柱遵循同样的规律。由图11(a)与(b)对比可以看出，施工缝面的摩擦力可使构件的延性提高，轴压比大时这种现象更为明显。整浇构件在轴压比大时延性较低，会突然发生脆性破坏，而同等条件下的带缝柱，由于缝面提供的抗剪能力而使构件的延性稍好。轴压比设定为常数0.1，剪跨比从1.5变化到4.0，此时带缝和整浇两种类型构件在低周反复荷载下的力-位移骨架曲线如图12所示。可见带缝柱和整浇柱的承载力均随剪跨比减小而增大。整浇柱在剪跨比很小时，由于剪力较大，会出现荷载突然下降，发生脆性破坏。而同等条件下的带缝柱，由于缝面能提供一定的抗剪承载力，则不会出现这种情况。5钢筋混凝土结构施工缝的特性(1)施工缝的抗压强度与母体混凝土一样，施工缝对钢筋混凝土构件的受压性能及抗压强度均没有影响。(2)施工缝的抗拉强度仅约为母体混凝土抗拉强度的一半，几乎可忽略。在钢筋混凝土结构