預制TRC外殼-核心現澆角鋼混凝土軸壓短柱力學性能研究

王光新 （中國建筑第二工程局有限公司華東分公司，上海 200135）

0 前言

預制TRC外殼-核心現澆角鋼混凝土組合結構中，預制外殼和角鋼混凝土在加載受力時可協同工作，改善了結構的整體性能，具有施工速度快，抗裂性好，承載力強，耐久性高，節約成本等優點[1]。隨著我國預制裝配式結構的不斷發展，這種新型組合結構將會在高層、超高層建筑及橋梁等領域獲得廣泛的應用。

預制外殼亦稱作永久性模板，由于選用不同材料制成，其性能也各不相同[2]。預制外殼可以在廠里加工生產，其質量可以得到保證。在工程運用中，可簡化施工流程，提高施工效率，并已在實際案例中取得不錯的表現[3]。對其復合板力學性能的研究表明，與普通混凝土相比，其抗彎強度和韌性均大幅提升，證明該復合材料可運用于建筑領域。2010年，荀勇和支正東等學者提出采用TRC薄板加固RC梁的方法，通過對試件裂縫開展情況，最終破壞形式及荷載-撓度曲線等分析，結果表明，用TRC薄板來加固，能有效提高RC梁的抗彎性能[4]。

TRC薄板在結構澆筑時可承受施工荷載，待其凝固成型后，組成一個整體，協同工作，共同受力，提升了結構的抗裂性、耐久性和承載力等。目前國內外對將預制TRC外殼與角鋼混凝土組合成新型結構的研究較少。因此，本文對該型預制TRC外殼-核心現澆角鋼混凝土短柱進行了軸壓研究，旨在為該類型柱在實際設計中提供一定的參考。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本次試驗短柱共設計了6組，每組2個，總計12個短柱試件?？紤]到工程應用及試驗的可行性，短柱試件的主要參數包括試件名稱、試件高度、截面尺寸、骨架類型、箍筋間距等，具體如表1所示。

試件參數 表1

整澆短柱試件采用傳統的澆筑方法，疊澆短柱試件采用4塊相互獨立的預制薄板，將骨架垂直放入其中，并通過使用上下左右8根直徑為6mm的對拉螺栓進行固定薄板，用磷酸鎂水泥抹在薄板的拼縫處。為了防止在澆筑過程中漏漿，同時向其內部澆筑混凝土，待其凝固后刷白劃線，見圖1、圖2所示。

圖1 整澆短柱試件

圖2 疊合短柱試件

1.2 試件制作及材料性能試驗

本次試驗設計預制TRC薄板強度等級為C45，板厚為15mm，核心混凝土強度等級為C30；鋼筋均選用型號為HPB300熱軋光圓鋼筋，分別采用Φ12的主筋和Φ6的箍筋通過扎絲綁扎成鋼筋籠；角鋼∠20×3，綴板的寬度為9.5mm，厚度為3mm，鋼板均采用Q235，用焊條將角鋼和綴板焊接在一起組成鋼構架。并對其進行材性試驗，測得結果見表2、表3、表4、表5所示。

混凝土按不同齡期進行抗壓強度測試 表2

鋼筋的力學性能 表3

型鋼的力學性能 表4

纖維束抗拉試驗結果實測值 表5

2 加載方案及數據采集

2.1 加載方案

本次短柱軸壓性能試驗所采用的儀器為微機控制電液壓力試驗機（YAW-3000），其最大實驗力為3000kN，測量范圍是120kN～3000kN，精度為一級。本次試驗采用位移加載，其速率為0.1mm/s，試驗過程中，通過電腦來采集數據，當荷載值達到峰值后開始下降時，視為試件破壞，峰值為極限荷載值，然后繼續加載一段時間，最后停止加載。試驗現場裝置如圖3所示。

圖3 現場試驗裝置圖

2.2 數據采集

加載過程中對試驗數據采集如下。

①通過控制壓力機的電腦來對荷載變化曲線及最大荷載值進行采集；

②對短柱試件內部的縱筋和箍筋進行應變采集；

③對試件表面進行應變采集；

④通過位移計進行位移采集；

⑤通過力傳感器，對試驗機施加的荷載進行定時采集。

2.3 試件表面應變片的粘貼

選用相鄰的兩個面，并在混凝土表面中部的位置，分別粘貼上橫向應變片和縱向應變片，正面成T字型，側面成倒T字型。粘貼前將相應位置用砂紙打磨，然后用502膠水將其粘在打磨好的位置，并用塑料薄膜通過手指輕壓在混凝土應變片表面，使其與試件表面緊密接觸。試件上混凝土應變片測點位置，具體如圖4所示。

圖4 混凝土應變片粘貼位置

2.4 鋼筋籠中縱向鋼筋及橫向箍筋的應變片粘貼

在縱向鋼筋中部的位置及相近的箍筋上粘貼鋼筋應變片，還有在縱向鋼筋的四分之一處粘貼應變片。粘貼前，將其打磨并用無水乙醇擦拭，最后將鋼筋應變片粘貼到相應位置。7支箍試件的鋼筋應變片粘貼，具體位置如圖5（a）所示，9支箍試件的鋼筋應變片粘貼，如圖5（b）所示。因其與鋼構架上應變片位置粘貼相同，故不再重復介紹。

圖5 鋼筋應變片粘貼位置

3 結果及其分析

試件在加載過程中，部分試件破壞現象非常相似，據此可分為3類，選取其破壞現象具有代表性的試驗柱進行詳細描述。

現澆鋼筋混凝土短柱。以試件Z-7為例進行描述，試驗柱在加載過程中，所施加的荷載值小于587kN時，試驗柱表面尚未出現開裂等破壞現象，此時短柱試件處于彈性階段。當試驗柱加載到587kN時，混凝土表面開始出現開裂現象，為裂縫的生成階段。當繼續加載時，裂紋不斷延伸變寬，同時出現新的裂紋，此時為裂縫的發展擴大階段。當力加載到極限荷載時，裂縫進一步擴大，并出現數條縱向裂紋，伴隨著混凝土短柱發生劈裂的聲響，混凝土被壓碎，此時為裂縫繼續開展階段。對試驗柱繼續施力時，短柱承載力急速降低，柱中部向外明顯凸起，呈倒錐形破壞，是典型的短柱軸壓破壞現象。最終破壞，如圖6所示。

圖6 Z-7短柱試件破壞

現澆角鋼混凝土短柱。以試件J-7為例進行描述，試驗柱在加載過程中，所施加荷載值小于618kN時，試驗柱沒有出現裂紋。當加載到618kN時，開始出現裂縫，裂紋最早出現在靠近柱角的地方。隨著荷載值的不斷增加，裂縫不斷向下延伸，附近并出現新的裂縫。當荷載臨近極限荷載時，裂縫寬度明顯加大，并發出混凝土被壓碎的聲音。當試驗柱達到極限荷載時，裂縫加寬，小部分混凝土脫落，與同類型鋼筋混凝土柱相比，角鋼混凝土柱的承載力有明顯提升。繼續施加荷載，試驗柱的承載力開始降低，并發出較大聲響，此刻為了確保試驗安全，停止繼續加載。具體破壞現象如圖7所示。

圖7 J-7短柱試件破壞

預制TRC外殼核心現澆角鋼混凝土組合短柱。箍筋數為7預制TRC外殼核心現澆角鋼混凝土短柱在加載過程中，首先裂縫出現在永久性模板的拼接處，并沿著縱向，從柱頭向柱底逐漸延伸。隨著荷載持續增加，逐漸出現有一條貫穿對拉螺栓位置的斜裂縫，永久性模板中間部位也逐漸出現一條縱向裂縫。當荷載加載到試驗柱承載力的極限值時，永久性模板表明出現多條寬度明顯的縱向裂縫，與現澆鋼筋混凝土相比，該試驗柱的極限承載力有較大提升。當施加荷載繼續增加，永久性模板中間部位發生明顯向外凸起的現象。具體試驗現象如圖8所示。

圖8 TRC-7土短柱破壞

由表6可知，在箍筋間距相同的條件下，預制TRC外殼核心現澆角鋼混凝土試驗柱與整澆試驗柱相比，在開裂荷載與極限荷載方面，提升幅度最大。例如，編號為TRC-7的試驗柱與現澆鋼筋混凝土柱相比，開裂荷載提升了15.16%，極限荷載提升了19.45%，結合圖6～圖8所示。其主要原因是使用預制TRC外殼疊澆的短柱試件中，永久性模板內加入了織物增強纖維新型復合材料，彌補了混凝土脆性破壞的特點，并提升其抗拉強度，增加永久性模板的抗裂性。同時，永久性模板為先前預制構件，薄板強度要高于核心混凝土強度，在澆筑時能很好的形成一個整體，在軸壓過程中，薄板作為整體的一部分，參與工作，協同受力，有效地提升了試件的開裂荷載與極限荷載。

根據表6中第四列數據可知，在相同箍筋間距的條件下，使用鋼構架澆筑而成短柱試件，不管是現澆角鋼混凝土短柱試件還是預制TRC外殼核心現澆角鋼混凝土組合短柱試件，其承載能力都比用鋼筋籠整澆而成的鋼筋混凝土短柱試件要好。其開裂荷載和極限荷載比同類型整澆的鋼筋混凝土短柱試件有不同幅度的提升。結果表明，角鋼的剛度及材料的彈性模量等均優于鋼筋，并且通過電焊，將角鋼和鋼板條焊接在一起，其骨架的整體性能也要優于鋼筋籠，這些因素對核心混凝土有較好的約束作用，能有效提升由鋼構架澆筑而成的短柱試件的承載力性能。

試件平均開裂荷載與極限荷載表 表6

通過圖9（a）、（b）觀察可知，整澆試件其軸向和橫向對應的荷載—應變曲線均近似是一條斜直線，基本呈現對稱變化，發生這一現象的主要原因是整澆試件中的混凝土內外材質一樣，質地比較均勻，軸向與橫向變化基本一致。而用預制TRC外殼疊澆的短柱試件，其對稱性明顯不如整澆的短柱試件，這是因為預制薄板與核心混凝土強度、混凝土材質不同以及試件的澆筑方式等因素，使短柱試件在加載過程中受到不同的約束作用所致。

圖9 試件荷載—主筋應變圖

根據圖10可知，在短柱試件加載開始階段，各試驗柱的荷載—應變曲線變化差距不大。但隨著施加荷載值不斷增加，采用永久性模板的疊合澆筑短柱試件與整澆短柱試件相比，其相應曲線的離散性逐漸變大，直至試驗結束，各對比短柱試件曲線的離散程度達到最大。這主要原因是加載前期，各試件處于彈性變形階段，預制TRC薄板疊澆的試驗柱內部核心混凝土發生單軸壓縮變形，而永久性模板并未正式開始工作，但隨著加載值不斷變大，短柱腰間混凝土產生較大變形，永久性模板開始工作，對核心混凝土表面產生一定的約束作用，導致永久性模板疊合澆筑的短柱試件與整澆試件的荷載—應變曲線的離散程度較大。

圖10 試件荷載—混凝土應變曲線

由圖11可知，通過試件荷載—時間變形曲線，在短柱試件達到極限承載力時繼續對其加載，即試件破壞之后，預制TRC外殼疊澆的試件與其他試件相比，其承載力下降速度最為緩慢，故其延性最好。主要是由于TRC薄板改善了試件的整體性能，增強試件的延性。

圖11 試件荷載—時間變化曲線

4 結論

①預制TRC薄板，不僅可作為傳統模板來使用，能承受施工荷載，還能在一定程度上提高短柱試件的承載力，同時也完善了試件的抗裂性和延性等。

②鋼構架澆筑的短柱試件與鋼筋混凝土短柱試件相比，由于角鋼的剛度大，對核心混凝土約束作用大所以其承載力更優。

③隨著綴板間距的減小，逐漸提升了角鋼對核心混凝土的約束性能，增加試件的承載力。反之，綴板間距變大，其承載力降低。

④利用ABAQUS軟件對12根短柱試件進行有限元模擬分析，得出的結果與試驗結果相符，說明本文的模型建立、材料參數及加載方式都是合理的。

⑤根據短柱試件的受力機理，考慮到套箍作用和間距影響系數以及預制薄板對試件承載力的影響，建立預制TRC外殼—核心現澆角鋼混凝土軸壓短柱承載力的簡化計算公式，為該類型柱在實際工程運用中提供一定的理論依據。