钢筋焊接网叠合结构抗震性能试验研究（下）
前 言
装配式混凝土建筑在国内应用日渐广泛，国家标准、行业标准及各地方标准中也给出了比较系统和完整的技术要求。但是在应用过程中，仍然发现存在各种共性的技术问题，从理论上或者实践上没有得到很好的解决。中国建筑科学研究院建研科技建筑工业化研究中心是专门从事装配式建筑领域技术研发和设计咨询的团队，近年来结合工程实践对部分热点问题开展了系统的研究。近期将部分研究成果在公众号进行发布，为本行业技术人员提供参考。本期为第12篇，“钢筋焊接网叠合结构抗震性能试验研究（下）”。
简 介：团队针对三一筑工科技有限公司研发的SPCS叠合结构，开展了SPCS叠合剪力墙、SPCS叠合柱和SPCS叠合梁的力学性能试验与抗震性能试验。本篇为下篇，SPCS叠合梁、叠合柱力学及抗震性能试验研究。
1. 研 究 背 景
叠合梁、预制柱的研究与应用有着较长的历史，在新建建筑、桥梁结构以及加固、改建建筑中均有应用。针对叠合梁、预制柱的研究较为充分，包括叠合面剪切滑移、端部抗剪性能，整体力学性能或抗震性能等。
SPCS叠合梁、柱的主要特点是采用钢筋焊接网片替代箍筋，同时构件仅预制模壳，能够减轻预制构件的重量、有利于增强构件整体性。上述构造提升了生产、施工效率，降低了建造成本。
SPCS叠合梁（图1）、SPCS叠合柱（图2）均采用焊接箍筋网片并绑扎纵向钢筋，置于预制模壳中，施工现场后浇混凝土，形成叠合构件、叠合结构。
图1 SPCS叠合梁
图2 SPCS叠合柱
为验证采用焊接箍筋的SPCS叠合梁、SPCS叠合柱的力学性能与抗震性能，开展了SPCS叠合梁受弯、受剪力学性能试验，SPCS叠合柱的轴压、大偏压以及抗震性能试验。
2. SPCS 叠 合 梁 力 学 性 能 试 验
通过开展简支SPCS叠合梁力学性能试验，验证SPCS叠合剪力墙的承载力、刚度、破坏形态，箍筋工作情况、新旧混凝土协同受力情况以及受弯变形是否符合平截面假定等。
2.1 试 件 设 计
共设计制作2组4个试件，分别设计为受弯、受剪破坏。每组2个试件分别进行正向和反向加载。截面设计如图3所示。
SPCS叠合梁总长度4000mm，截面尺寸为300mm×600mm，模壳厚度50mm；混凝土设计强度等级为C30，钢筋牌号HRB400。试件主要参数列于表1中。
图3 SPCS（预制）叠合梁设计
图3 SPCS（预制）叠合梁设计
试件两端置于铰支座上，通过分配梁在梁三分点处逐级施加竖向荷载，加载示意如图4所示。
图4 加载示意
2.2 试 验 现 象
试验过程见动画：
受弯试件B-08-1、B-08-2均发生了正截面弯曲破坏（图5），典型试验现象见图7。两个试件均先后在纯弯段出现竖向裂缝，弯剪段出现斜裂缝，所有裂缝逐级扩展，竖向裂缝不断增宽，主要裂缝还出现了局部分叉，受压区在试件屈服后逐渐压溃、受拉纵筋屈服，最终因试件跨中挠度过大结束试验。两试件均未出现叠合面开裂、破坏，未出现焊接箍筋节点破坏。
图5 典型受弯试件破坏模式
受剪试件B-16-1、试件B-16-2发生了斜截面剪切破坏（图6），典型试验现象见图7。两个试件均先后在纯弯段出现竖向裂缝，弯剪段出现斜裂缝，斜裂缝逐级扩展、增宽，试件B-16-1达到峰值荷载后弯剪段主斜裂缝突然增宽，试件沿斜截面破坏。试件B-16-2由于混凝土强度较高，加载后期竖向裂缝亦不断发展、混凝土受压区压溃，弯剪段箍筋屈服并产生较大位移，最终在纯弯段出现较宽斜裂缝、荷载陡降至40%峰值荷载，试验结束。
图6 典型受剪试件破坏模式
（a）钢筋外露（弯） （b）焊接节点完好（弯）
（c）临界剪切斜裂缝（剪）
图7 典型试验现象
2.3 试 验 结 果
（1）荷载-位移曲线
受弯试件荷载-位移曲线在试件屈服后较平缓，试验结束标志为跨中挠度过大，荷载未发生降低；受剪试件荷载-位移曲线在屈服后突降或在屈服后某一降段发生突降。
图8 SPCS叠合梁荷载-跨中位移曲线
（2）荷载、挠度与最大裂缝宽度
SPCS叠合梁开裂荷载、峰值荷载、挠度、最大裂缝宽度实测值与计算值均符合很好，计算值均按照现浇构件进行计算。其中承载力的对比见表2。
表2 荷载对比（kN）
（3）平截面假定
受弯梁正截面承载力计算中，最重要的计算假定为平截面假定，为验证SPCS叠合梁在屈服前跨中截面应变沿截面高度的分布情况，以试件B-08-2为例，给出试件在100kN、200kN、300kN、400kN、500kN共5个荷载级别下，不同截面高度处混凝土应变的变化情况（图9）。应变变化基本呈直线，基本符合平截面假定。
图9 跨中截面各高度处应变关系曲线
3. SPCS叠合柱轴压、大偏压力学性能试验
通过对SPCS叠合柱开展轴压、大偏压试验，研究SPCS叠合柱的力学性能、破坏模式，箍筋工作情况、新旧混凝土协同受力情况以及受弯变形是否符合平截面假定等。
3.1 试 件 设 计
共设计制作2个轴压试件，试件高度1.5m，纵筋配筋率1.64%，体积配箍率分别为0.95%和1.12%，其它尺寸、截面设计见图10，试件编号及主要参数列于表5。
共设计制作3组6个大偏压试件，试件高度2.5m，纵筋配筋率1.51%和2.95%，体积配箍率0.95%和1.49%；偏心距300mm，截面设计见图11，试件编号及主要参数列于表6。
所有试件混凝土设计强度等级为C30，钢筋牌号HRB400。
图10 轴压试件设计 图11 大偏压试件设计
表5 轴压试件参数表
表6 大偏压试件参数表
试件置于长柱压力机上进行试验（图12），大偏压试件两端简支。
图12 加载装置
3.2 试 验 现 象
试验过程见动画：
（1）轴压试件试验现象
两个试件均为在轴向压力作用下产生横向变形，导致混凝土受拉，产生与轴力平行的垂直裂缝，同时纵向钢筋屈服，最后导致破坏。SPCS叠合柱的轴压受压破坏特征与现浇柱轴压破坏特征一致。试验中预制模壳与后浇芯部混凝土未脱离、焊接箍筋未发生破坏。典型试验现象见图13。
图13 典型轴压试件试验现象
（2）大偏压试件试验现象
所有试件在偏心压力作用下，受拉侧钢筋首先屈服，随后受压侧混凝土逐渐出现压溃，受压区混凝土高度逐渐减小最后导致试件破坏，为典型的大偏压破坏。与现浇柱的大偏心受压破坏特征一致。试验中预制模壳与后浇芯部混凝土未脱离、焊接箍筋未发生破坏。典型试验现象见图14。
图14 典型大偏压试件试验现象
3.3 试 验 结 果
（1）轴压试验
试件的荷载-位移曲线如图15所示，试件CA-11体积配箍率增大，其初始刚度略增大、屈服平台略长，但两者曲线整体特征一致。
实测承载力与按照《混凝土结构设计规范》GB 50010中正截面受压的相关公式计算的承载力汇总见表7，偏差较小。
图15 轴压试件荷载-位移曲线
表7 承载力对比
（2）大偏压试验
典型试件的荷载-位移曲线如图16所示，实测承载力与按照《混凝土结构设计规范》GB 50010中正截面受偏压的相关公式计算承载力汇总见表8，偏差较小。
图16 典型大偏压试件荷载-位移曲线
表8 承载力对比
试件CE-29-14-1跨中截面在各级荷载下不同高度处钢筋应变变化规律如图17所示。跨中截面不同高度处钢筋应变基本呈线性变化，表明SPCS叠合柱变形基本符合平截面假定。
图17 试件CE-29-14-1跨中截面钢筋应变分布
4. SPCS 叠 合 柱 抗 震 试 验
通过对SPCS叠合柱开展抗震试验，研究其承载力、刚度、破坏形态以及抗震性能，箍筋工作情况、新旧混凝土协同受力情况以等。
4.1 试 验 试 件 设 计
共设计制作3组6个试件，柱截面尺寸为500mm×500mm，柱高2500mm；纵筋配筋率1.51%和2.95%，体积配箍率0.95%和1.49%。试件编号及主要研究参数列于表9。混凝土设计强度等级为C30，钢筋牌号HRB400。
SPCS叠合柱与地梁设置后浇段连接，后浇段混凝土与柱空腔混凝土一同浇筑，后浇段中竖向钢筋采用“套管式组合接头”连接。试件截面构造如图18，编号及主要研究参数列于表9。
图18 SPCS框架柱（偏压）
表9 试件参数表
本次试验为拟静力试验，施加恒定竖向荷载后施加往复循环水平荷载，加载装置见图19。
图19
4.2 试 验 现 象
试验过程见动画，典型的试验现象见图20。
所有试件试验现象大致相同。
层间位移角1/470~1/250出现初始裂缝，两侧受拉时逐渐出现水平裂缝，与加载方向平行的两侧柱表面在层间位移角1/160左右出现斜裂缝，此后斜裂缝逐步发展形成交叉。受拉侧钢筋逐步屈服、受压侧混凝土压溃，受压区混凝土高度逐渐减小最后导致试件破坏，为典型的弯曲破坏。与现浇柱的弯曲破坏特征一致。
试验过程中没有发生模壳与后浇芯部混凝土脱离、焊接箍筋破坏特情况，底部后浇段混凝土与预制部分结合面开裂、柱根部水平接缝的开裂满足规范要求的正常使用极限状态的规定。
图20 典型试验现象
4.3 试 验 结 果
滞回曲线见图21。开裂荷载之前，滞回曲线呈现线性，滞回环狭窄、细长，卸载后残余变形较小；进入弹塑性阶段后，加卸载刚度逐级降低，卸载时有残余变形，滞回环逐渐饱满且每级荷载两次循环滞回环差异较小，有轻微捏缩现象，但耗能能力（滞回环面积）保持稳定；层间位移角达到1/50~1/40时，承载力达到峰值，极限位移角达到1/30。所有试件滞回曲线特征一致，结构性能稳定。
图21 滞回曲线
试验结果汇总见表10。试件在层间位移角为1/150~1/100之间达到屈服，屈服荷载是峰值荷载的80%左右。同组正负向峰值承载力较为接近，表现稳定，在层间位移角为1/70~1/40左右达到峰值荷载。试件的延性系数较高，多数试件的延性系数在2.5~4.5之间，表现出较好的延性。试件CH-29-14-2的延性系数较小，其原因为试件屈服较晚，对应屈服位移也较大，总体延性仍较好（极限位移角约1/36）。
表10 试验结果汇总
按照《混凝土结构设计规范》GB 50010中受弯构件正截面承载力的相关公式进行计算，计算所得承载力与试验结果对比见表11，除个别试件外，计算值与真实值偏差在±5%以内。
表11 峰值承载力对比
5. 结 论
（1）SPCS叠合梁弯曲、剪切试验表现出的力学特性、破坏模式与普通钢筋混凝土梁一致，SPCS叠合梁在弯曲受力时变形符合平截面假定；
（2）SPCS叠合柱轴压、大偏压试验表现出的力学特性、破坏模式与普通钢筋混凝土柱一致，SPCS叠合柱在大偏压作用下变形符合平截面假定；
（3）SPCS叠合柱抗震试验表出的力学、抗震性能、破坏模式与普通钢筋混凝土柱一致，结合面开裂满足规范要求的正常使用极限状态的规定，接缝与构件承载力可采用现行国家标准进行计算；
SPCS叠合梁、SPCS叠合柱试验中所采用的焊接复合箍筋网片在各受力工况下均未发生破坏。SPCS叠合梁、叠合柱所采用的焊接箍筋能够有效约束核心混凝土和纵向受力钢筋，保证新旧混凝土协同受力。
本
篇
作
者
李 然，工学博士，副研究员，2011年毕业于哈尔滨工业大学。
主要从事装配式混凝土结构的研究工作。负责并参与多项装配式混凝土结构的研发工作，作为骨干研究人员参与“十二五”国家科技支撑计划课题《装配式建筑混凝土框架结构关键技术研究》2011BAJ10B02、《安装施工关键技术研究与规模化应用示范》2011BAJ10B06、《适应岛礁作业的模块化构件的预制与装配技术研究与应用》2014BAB15B03、“十三五”国家重点研发计划课题《装配式混凝土结构关键配套产品开发》2016YFC0701907，以及多项住建部课题、中国建筑科学研究院课题的研发工作。参与国家标准《装配式建筑评价标准》GB/T 51129-2017、行业标准《预制混凝土外挂墙板应用技术标准》JGJ/T458-2018以及多项团体标准的编撰。
关 注 我 们
建筑工业化研究中心由建筑、结构、建材、产品、软件等领域顶级专家及专业技术人员组成，依托中国建筑科学研究院和建研科技股份有限公司多年来在装配式建筑领域标准规范、国家课题、技术研发、产品研发等方面的科研成果，致力提供装配式建筑领域的全过程技术服务和综合解决方案，包括新型技术体系研发、工程设计咨询、产品研发及销售、软件开发等，为客户创造最大价值。
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