开口永久柱模板结合方式对叠合柱力学性能影响

2020-05-25张笑鑫吴发红张亚仿

科学技术与工程 2020年10期

周乾，张笑鑫，荀勇，吴发红，张亚仿

(1.盐城工学院土木工程学院，盐城 224051；2.盐城市房产管理局，盐城 224002)

为降低工程成本，缩短工期，节约资源能源，减少环境污染，促进建筑工业化，中外学者对混凝土结构永久模板模板进行了大量研究[1-7]，张利斌[1]将预应力模板成功运用于老挝南康3水电站项目的带悬臂混凝土重力坝工程；刘山洪等[2]在四川博力沟主跨度170 m的劲性骨架钢筋混凝土箱形拱桥中，进行使用新型组合结构的纤维增强复合材料(FRP)永久性模板的浇筑方案和传统浇筑方案模型比较，结果是骨架应力变化小，挠度小，施工简单方便；法国学者 Papanicolaou等[3]用纤维织物网与水泥砂浆制作成封闭的方形混凝土柱模板，其叠合柱的开裂荷载和极限和载均有不同程度提高；美国学者Hanus等[4]对使用FRP永久模板的混凝土柱进行试验研究发现，使用该种模板，既能减少柱内配筋，又能防腐，延长柱混凝土使用寿命；张大长等[5]用钢筋混凝土制作“□”形永久性柱模板，对其钢筋混凝土叠合柱进行抗震性能试验，结果表明，用此种模板制作的钢筋混凝土柱具有与传统方法制作的钢筋混凝土柱在整体性和抗震性能方面具有相同表现。

上述研究结果表明，使用预制混凝土永久模板制作的混凝土构件(结构)具有不低于传统混凝土构件(结构)的性能，该种技术为混凝土结构的设计和施工提供了新途径。但在已有的成果中，永久性柱模板均为封闭的“□”形，对于面广量大的房屋工程来说，其应用可能受到一定限制。因为一般房屋工程要使用这些型式的封闭的“□”形柱模板，势必要将模板由柱的钢筋笼上方顺钢筋笼向下安装，这就要求柱钢筋笼必须具有非常好的垂直度和规整程度，同时，柱钢筋笼保护层的设置必须很牢，否则，模板安装将比较困难，且钢筋骨架容易产生变形和损坏，还可能引起模板及钢筋骨架位置偏差过大等，最终导致钢筋骨架质量难以保证，特别是在遇到长柱施工时，这种情况将更加明显。有鉴于此，本研究提出使用永久性开口柱模板，其做法是将预制永久柱模板截面制作成 “[”形，立模时，将两个“[”形模板开口相对，再用合适方法对模板进行连接、固定和支撑，这样，不仅能使预制模板安装大为简便，同时也能像传统立模方法一样，保证工程质量，可以彻底解决封闭型柱模板所遇到的问题。但使用该种开口永久模板的混凝土柱，能否具有传统钢筋混凝土柱的各项性能，必须要有足够的依据。本文就是针对永久性开口柱模板结合方式对混凝土叠合柱力学性能影响进行试验研究，以期为该种模板实际应用提供参考。

1 试件的设计与制作

图1 柱模板示意图

1.1 模板试件设计

由于本研究的板、梁模板使用带肋纤维混凝土永久模板[8-9]的叠浇试件均取得较为理想效果，所以试验亦采用预制肋形永久混凝土模板，以保证其与新浇混凝土有可靠连接，其示意图如图1所示。为检验开口模板的受力性能和考虑使用该种模板的方便性，试验分别设计了对缝整块、对缝分块、错缝分块的预制模板，同时，接缝分别采用干接(不作任何处理)、预埋细铅丝连接、环氧树脂连接、同时使用环氧树脂和铅丝连接型式，如表1所示。

表1 预制永久模板类型表

1.2 模板制作

试验柱边长确定为200 mm，高确定为400 mm，制作永久模板的模板用胶合板，肋用塑料条。模板内配筋使用直径4 mm的带肋钢丝，如图2所示。制作模板的混凝土等级按C30配置，配合比(质量比)为水泥︰黄沙︰石子︰水=520︰593︰1 050︰240，混凝土中聚乙烯醇(PVA)纤维的掺量为1 kg/m3混凝土，水为自来水，水泥采用32.5级普通硅酸盐水泥，石子为粒径0～4 mm级配细碎石。脱模后的永久模板如图3所示。

图2 模板钢筋笼实物照片

图3 模板实物照片

图4 试验柱配筋

1.3 试验柱制作

试验按表1的12种类型模板，每种类型制作2根柱，另为了与传统方法柱进行对比，按同规格，同配筋、配合比同时制作2根对比柱(编号“PT”)，共26根。所有柱箍筋规格及间距如图4所示。立模后的叠浇柱预制模板内混凝土和整浇柱混凝土均使用同一配合比的C20混凝土。模板图如图5所示，试验成品柱如图6所示。

图5 模板

图6 试验成品柱照片

2 试验

2.1 数据采集及试验方法

2.1.1 数据采集

试验数据采集主要从两个方面，一是试件中的主筋和箍筋应变，二是混凝土试验柱侧面中部竖向及横向应变，如图7所示。

图7 应变测点布置

2.1.2 试验方法

试验在电液伺服压力试验机上进行，执行《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152—2012)标准。试验采用20 kN/min的等荷载加载方式，以试件承载力开始下降为破坏标志，停止加载。

2.2 试验过程

2.2.1 整浇柱

PT柱在荷载加至415 kN时，试件中部出现细微裂缝，随着荷载的增加，裂缝数增多，且裂缝宽度明显变大，临近极限荷载时，出现劈裂声音，纵向钢筋向外压屈，声音变大，达到极限荷载时，承载力快速下降，试件中部向外凸出，呈倒锥形，破坏形态如图8(a)所示。

2.2.2 叠浇柱

试验中，叠浇柱破坏现象大致呈两类，现分述如下。

(1)干接缝试件

干接缝试件包括DZ-G、DZ-Q试件和CZ-G、CZ-Q试件，当加载至开裂荷载时，上部靠近拼缝处首先出现竖向裂缝，随着荷载的继续增加，裂缝顺拼缝向下延伸，继而拼缝两侧出现裂缝，在临近极限荷载时，模板拼缝处裂缝宽度增加迅速，并伴随着“滋滋”压碎声，最终随着试件模板拼缝处完全往外展开，展开宽度达5 mm左右, 承载力迅速下降，试件破坏，其破坏形态分别如图8(b)～图8(d)所示。

(2)环氧树脂接缝类试件

环氧树脂接缝类试件包括DZ-H、CZ-H、CF-H、DZ-HQ、CZ-HQ和CF-HQ试件，在试验荷载开裂之前，基本同整浇试件，当加载至开裂荷载时，试件开始出现裂缝，裂缝位置多在模板拼缝以外靠近拼缝处，随着荷载的增加，裂缝宽度逐渐变大，其中，DZ-H、DZ-HQ、CZ-H、CZ-HQ增加速度较慢，而CF-H、CF-HQ试件裂缝增加较快，荷载继续增加，出现轻微的“滋滋”声，且随荷载进一步增加，“滋滋”声也逐渐变大，当达到破坏荷载时，承载力迅速下降，试件破坏。该类试件基本均表现为上端压溃，DZ-H、DZ-HQ、CZ-H、CZ-HQ试件裂缝相对较小，CF-H、CF-HQ试件裂缝较大，其DZ-H、CZ-H和CF-H试件破坏形态分别如图8(e)～图8(g)所示。

图8 试件破坏形态照片

2.3 试验结果

2.3.1 特征荷载

各类试件的开裂荷载和极限荷载平均值见表2。

2.3.2 荷载-应变

图9(a)为PT试件和模板不同拼接方式同种接缝(干接缝)方法试件的荷载-钢筋应变图，图9(b)为同种拼接(错缝整块拼接)方式不同接缝方法荷载-钢筋应变图。图10(a)为PT试件和模板不同拼接方式(干接缝)试件荷载-混凝土应变图，图10(b)为同种拼接(错缝整块拼接)方式不同接缝方法试件荷载-模板缝处应变图。

图9 荷载-钢筋应变曲线

图10 荷载-混凝土应变图

3 试验结果分析

3.1 抗压性能分析

根据表2，对抗压性能作如下分析。

表2 试验特征荷载

(1)使用本研究的带肋纤维混凝土预制模板的试件的抗压开裂荷载和极限荷载均高于PT试件，其中，CZ-HQ试件的开裂荷载和极限荷载分别比PT试件高59.04%和62.98%，说明使用本研究的带肋纤维混凝土预制模板的试件柱的抗压能力大于用传统方法制作试件。同时，PT试件的极限荷载与开裂荷载的比值为1.22，而叠浇试件的这两者的比值为1.25～1.33，也均大于PT试件，说明使用本研究的带肋纤维混凝土预制模板的试件抗压能力叠浇试件的“延性”好于PT试件。导致这两个结果的主要原因是叠浇试件的模板中掺有1%的PVA纤维，并配有直径4 mm细箍筋，同时，其龄期比PT试件和叠浇试件的叠浇混凝土长28 d，不但使叠浇试件的混凝土综合抗压强度提高，而且模板还起着约束试件横向变形的 “环箍”作用，同时，这类试件在受压过程中，经历纤维的逐渐拔出或拉断和细箍筋的逐渐拉伸变形、屈服甚至拉断的逐渐破坏的过程，因而使其“延性”好于PT试件。

(2)各种接缝方法对应的拼接方式中，其抗压能力试验结果是CZ>DZ>CF，其主要原因是，对于CZ和CF两类试件，虽然都是错缝拼接，横断面是相同的，但CF类试件的模板竖向上是分块的，模板纵向细钢丝不连通，上下节模板约束横向变形能力不完全协调，由一个整“环箍”变成两个相互联系不太紧密的小“环箍”，引起“环箍”效应下降。同时，CF试件的上下节开口模板接口位置不同，在竖向上，有两个不同位置的薄弱部位，在试件受压过程中，可能形成破坏效应叠加。由于这种试件的一个有利效应下降，一个破坏效应叠加，即导致承载能力下降，所以，其整体抗压性能不如CZ类试件。与CZ类试件相比，DZ类试件的预制模板拼缝距离较近，拼缝间受压混凝土面积较小，所以，在试件受压过程中，更容易产生破坏，其整个试件抗压荷载必然小于CZ试件。

(3)所有同种拼缝方式中，不同的接缝处理方法的试件，抗压能力均表现为HQ>H>Q>G，但同时也存在同种拼缝方式试件中，Q类试件和HQ试件虽分别比G类试件和H类试件抗压能力有一定提高，但提高幅度均不大。其主要原因是这4种接缝方式对受压试件的横向约束作用程度不同，G类试件接缝未经任何处理，两个开口模板无任何连接，因此，模板对试件横向约束效果最差；Q类试件采用是细铅丝接缝，该种接缝是点式的，不连续的，且铅丝受力时，拉伸变形较大，导致横向约束作用效果较差。环氧树脂黏结力强，强度高，稳定性好[10]，本试验是在模板接口处满涂环氧树脂，因此，用其处理的接缝是连续的，且与混凝土能形成整体，在试件受压过程中，横向约束效果好，对试件承载力提高作用明显。同时用环氧树脂和铅丝处理的接缝既有环氧树脂的作用，铅丝也能发挥一定作用，所以，该类试件受压承载力最高，但由于铅丝作用有限，所以，提高幅度较小。

3.2 破坏形态分析

3.2.1 破坏型式分析

由图8可明显看出，PT试件是比较典型的短柱受压破坏，整个柱身破坏比较严重，基本处于压碎状态，而叠浇试件除CZ-G、DZ-G、CF-G和CF-H试件在拼缝处裂缝较大外，主要表现的是端部特别是上端破坏较严重。其主要原因为PT试件混凝土是同期浇筑的，内外质量相同，抵抗破坏能力理论上是相同的，所以，表现的是整个断面破坏。叠浇试件的模板配有直径4 mm的带肋钢丝，且掺有1%PVA纤维，同时模板龄期比后浇混凝土(与PT试件相同)长28 d，与后浇混凝土共同组成的复合断面抗压能力和四周侧面抗破坏能力均较PT试件强，所以，其破坏程度较PT试件轻；由于模板混凝土龄期比后浇混凝土长28 d，其混凝土的弹性模量大于后浇混凝土，导致试件受压时的同样竖向应变情况下，模板部分的应力较内部后浇混凝土大，同时模板对试件端部横向约束没有中部强，所以，试件呈现中部破坏轻于端部现象；又由于本试验设备加压是通过上支座向下运动实现的，上支座对试件约束没有下支座强，所以，试件上端破坏较下端严重。

3.2.2 裂缝特征分析

针对图8的裂缝分布，对裂缝特征分析如下。

(1)干接缝试件中，CZ、DZ试件竖向最大裂缝均在拼缝处，缝宽均较大，CF试件也是，但该种试件在竖向拼缝的延长线上的上(下)节模板无拼缝处也产生竖向裂缝。其主要原因是干接缝试件的拼缝未经任何处理，约束试件横向变形的“环箍”没有封闭，接缝处为最薄弱部位，所以，在竖向荷载作用下，裂缝肯定从最薄弱部位开始。CF试件，裂缝也发生在拼缝处，但当拼缝处产生裂缝时，势必在拼缝端部的上(下)节模板的无缝处产生集中应力，当该应力大于模板的抗拉能力时，即产生裂缝，集中应力越远离拼缝越小，所以，其裂缝宽度越来越小，见图8(d)。

(2)DZ-H、CZ-H竖向裂缝基本都在拼缝附近，而不直接在拼缝处，裂缝宽度明显小于干接缝试件。其主要原因是环氧树脂黏结力大于试件受压在此处产生的横向拉应力，在此种情况下，由于两个开口模板的横向箍筋不连通，且都有相应厚度的保护层，相对于模板本身及环氧树脂接缝，模板接缝处的保护层即为抵抗横向拉应力的薄弱部位，同时，还存在在模板制作等过程中造成的其他薄弱部位，当横向应力大于这些薄弱部位的模板抗拉能力时，即可能产生裂缝，但由于混凝土中的纤维作用，其裂缝较小，见图8(e)、图8(f)。

(3)CF-H试件的裂缝位置与DZ-H、CZ-H试件相似，都在拼缝外，但裂缝宽度比DZ-H、CZ-H试件大得多，同时与干接缝的CF-G试件不同的是，两条不在同一垂线上的裂缝是通过模板水平拼缝连通，而不是CF-G试件既不连通，又在拼缝延长线上的上(下)模板无拼缝处产生裂缝。裂缝位置的原因与DZ-H、CZ-H试件相同；裂缝大于其他H类试件的原因是该种试件预制模板上下由两节组成，将原来的一道大“环箍”变成相互联系不紧密的两端小“环箍”，在相同荷载作用下，小“环箍”的变形肯定大于大“环箍”；CF-H试件在模板拼缝处裂缝出现之前，与上(下)节模板接缝处的下(上)模板拼缝处并无集中应力，当模板拼缝处裂缝出现裂缝时，此时的压力荷载已较大，在该处突然出现较大集中应力，由于上下两条竖缝在相应拼缝外侧，距离很近，该段水平拼缝两端均存在较大集中应力，当集中应力大于模板保护层或拼缝处抗剪强度时，势必产生裂缝，使两条竖缝贯通。

3.2.3 应变分析

(1)PT试件和叠浇试件钢筋及试验柱应变

从图9(a)、图10(a)明显看出，在同等荷载作用下，PT试件的钢筋应变大于所有使用预制模板试件的主筋应变，PT试验柱的纵横向应变(绝对值、下同)大于所有使用预制模板的试验柱的纵横向应变，使用预制模板制作的试件的主筋应变和试验柱的纵横向应变均表现为CF试件>DZ试件>CZ试件。其主要原因是PT试件没有预制模板试件中模板的“环箍”约束，是在自由状态下受压，主筋及试验柱纵、横向变形必然大于有预制模板的“环箍”约束的试件。同时，在其他条件相同的条件下，不同模板拼接方式试件中，“环箍”效应表现的是CF试件DZ>CZ试件的结果。

(2)不同接缝处理方式试件的钢筋及试验柱应变

由图9(b)、图10(b)可知，在使用同种拼缝，不同接缝方式的试件中，其钢筋及试验柱的纵横向应变均表现的是CZ-G试件>CZ-Q试件>CZ-H试件>CZ-HQ试件，但在CZ-HQ试件与CZ-H试件之间和CZ-Q试件与CZ-G试件之间的应变均相差不大，而CZ-H与CZ-Q之间相差比较明显。说明模板接缝使用铁丝对主筋及试验柱变形变影响很有限，而使用环氧树脂作为模板接缝材料效果比较明显。其主要原因是使用铅丝连接是不连续的点式连接，且连接是柔性的，而用环氧树脂接缝的试件，环氧树脂凝固后，不但黏结力强，而且是刚性大[10]，所以，用环氧树脂和铅丝作为预制模板接缝的试件中，模板的“环箍”作用相差明显，亦即在抗压过程中，对试件横向约束相差明显，但使用铅丝连接毕竟其一定连接作用，所以有CZ-G试件>CZ-Q试件>CZ-H试件>CZ-HQ试件，CZ-HQ试件与CZ-H试件之间和CZ-Q试件与CZ-G试件的主筋和试验柱之间应变均相差不大之结果。