鋼筋混凝土柱托換節點試驗研究

王 瓊，徐福泉，王 ?，王 力

（1．中國建筑標準設計研究院有限公司，北京 100048；2．中國建筑科學研究院，北京 100013）

0 引言

結構托換是指通過對原有結構的改造，使原有結構的傳力途徑發生變化，將原有結構所承擔的荷載轉移到新加結構中，因此托換技術在建筑物遷移工程中應用較為廣泛。建筑物遷移是指在保持建筑整體性和可用性不變的前提下，將其從原址移到新址，在建筑物遷移工程中托換體系包括上軌道梁、滾軸和下軌道梁。其中上軌道梁即托換梁，將上部結構中墻、柱上的荷載傳給滾軸，再由滾軸傳給下軌道梁。節點構造以雙梁托換形式為主，通過新舊混凝土間的結合力將柱上的荷載傳到托換梁上（見圖 1）。

圖1 柱的雙梁托換

1 試驗設計

1.1 試件設計與制作

整個試件分2次澆筑，首先澆筑鋼筋混凝土柱，待養護時間超過28d后，澆筑鋼筋混凝土包柱梁。其中柱混凝土為 C35，包柱梁混凝土為 C40。混凝土中摻有粉煤灰和減水劑，包柱梁中的混凝土還摻有10%的微膨脹劑。構件的實際混凝土強度以立方體試塊的抗壓強度實測值為準。所有試件中的縱筋采用HRB335，箍筋采用 HPB235。試件一共4組，每組2個，共8個，如表1所示。每組的第1個試件梁內鋼筋不布置應變片；第2個試件梁內鋼筋布置應變片。

表1 試件編號及描述

柱截面尺寸設計為 200mm×200mm，高700mm。柱四周采用相同截面包柱梁，托換梁和連系梁截面尺寸150mm×200mm，如圖2所示。混凝土柱鑿毛處理及植筋如圖3，4所示。

圖2 托換節點結構

第5組試件中柱與包柱梁接觸表面做鑿毛處理，并配有化學植筋，如圖5所示。柱兩邊采用相同截面托換梁，不設連系梁，植筋如圖6所示。

圖3 第2、3組試件鑿毛

圖4 第4組試件植筋

圖5 第5組試件配筋

圖6 第5組試件植筋

1.2 測點布置

為全面了解試件承受壓力時柱、托換梁中鋼筋的應變情況及位移變化情況，鋼筋應變片布置在柱縱筋、梁縱筋、植筋及螺栓上；混凝土應變片布置在柱的4個側面，用于加載時對中；位移計布置在梁上表面和柱底，如圖7所示。

圖7 應變片布置與編號

1）試件布置托換梁和連系梁的縱筋應變片。每根鋼筋跨中布置1個測點，一共16個測點，用于觀察包柱梁內縱筋應變的變化情況。

2）第4組試件布置化學植筋的應變片。每根化學植筋植入柱后，在植筋與柱接觸的部位布置測點，應變片布置在植筋的上表面，一共8個測點，用于觀察植筋應變的變化情況。

1.3 試驗方案

試驗時首先進行3次預加載到100kN，以檢查各通道是否正常工作。加載采用5000kN液壓試驗機，以其作用在柱上的壓力模擬框架柱的軸力，并采用分級加載方法對柱施加荷載，每級荷載25kN，持荷2min。當加載達到極限時，開始持荷，待新舊混凝土界面滑移位移達10mm時，停止加載。通過YE2539高速靜態應變儀量測鋼筋應變，利用YHD－30型位移傳感器測量托換梁、連系梁的撓度和界面的滑移位移。

2 破壞特征

2.1 第1組試件

試件1－1和1－2采用兩邊支撐，界面未鑿毛處理。在試件持續加載至325kN時，連系梁上出現第1條裂縫，裂縫位置在連系梁跨中的豎直方向；隨著荷載增加，裂縫緩慢開展，直至承載力到達極限，裂縫并未發展到頂部（見圖8，9）。托換梁出現裂縫的時間晚于連系梁，第一條裂縫也出現在跨中的豎直方向，隨后裂縫快速發展（見圖10，11）。臨近破壞時，柱與包柱梁上表面接觸的地方出現輕微起皮。破壞時，連系梁上最大的裂縫寬度為0．25mm，梁內無論上部還是下部，大部分縱筋未屈服；托換梁上最大裂縫寬度不到0．1mm，托換梁鋼筋應變變化沒有連系梁明顯，遠未達到屈服應變。當新舊混凝土出現明顯滑移時，承載力迅速下降，破壞過程持續較短，延性較差。

圖8 試件1－1連系梁破壞狀態（倒置）

圖9 試件1－2連系梁破壞狀態（倒置）

圖10 試件1－1托換梁破壞狀態（倒置）

圖11 試件1－2托換梁破壞狀態（倒置）

2.2 第2組試件

試件2－1和試件2－2采用兩邊支撐，界面采用鑿毛處理。在試件持續加載至300kN時，連系梁上出現第1條裂縫，裂縫位置在連系梁跨中的豎直方向，之后支座處出現斜裂縫；隨著荷載的增加裂縫緩慢開展。托換梁出現裂縫的時間晚于連系梁，第1條裂縫也出現在跨中的豎直方向，隨后裂縫快速發展，稍后連系梁上的裂縫貫穿整個托換梁截面，或從托換梁上表面新發展出1條裂縫。臨近破壞時，柱與包柱梁下表面接觸的地方已經脫離、裂開，柱的保護層與包柱梁上表面接觸的地方出現明顯的脫落現象，柱有明顯的下沖跡象。破壞時，梁上最大的裂縫寬度超過0．3mm，連系梁下部縱筋受拉屈服，上部縱筋應變比較離散，可能受壓也可能受拉，但不屈服；托換梁下部縱筋受拉屈服，上部縱筋受拉不屈服。破壞狀態為新舊混凝土界面滑移破壞，當新舊混凝土出現明顯滑移時，承載力的下降速度較為緩慢。

2.3 第3組試件

試件3－1持續加載到1250kN時，柱被壓壞，此時連系梁跨中最大裂縫寬度已達0．3mm，但此時梁柱界面未出現明顯滑移。為避免以后的試件柱先于界面滑移破壞，因此對第3組和第4組試件的其余柱進行了外包鋼加固處理，提高柱的軸心受壓承載力。

試件3－2在持續加載至400kN時，連系梁上出現第1條裂縫，裂縫位置在連系梁跨中的豎直方向，之后支座處出現斜裂縫；隨著荷載的增加裂縫緩慢開展。托換梁出現裂縫的時間晚于連系梁，第1條裂縫也出現在跨中的豎直方向，隨后裂縫快速發展，稍后連系梁上的裂縫貫穿整個托換梁截面。臨近破壞時，柱與包柱梁下表面接觸的地方已經脫離、裂開，柱的保護層與包柱梁上表面接觸的地方出現明顯的脫落現象，柱有明顯的下沖跡象。破壞時，梁上最大的裂縫寬度超過0．3mm；連系梁下部縱筋受拉屈服，上部縱筋應變比較離散，可能受壓也可能受拉，但不屈服；托換梁下部縱筋受拉多數未屈服，上部縱筋受拉不屈服。破壞狀態為新舊混凝土界面滑移破壞，當新舊混凝土出現明顯滑移時，承載力的下降速度較為緩慢。

2.4 第4組試件

試件4－1、4－2破壞狀態與試件3－1、3－2類似，當包柱梁彎曲破壞、新舊混凝土出現明顯滑移時，承載力的下降速度非常緩慢。破壞時托換梁中植筋已屈服或是接近屈服，連系梁中植筋不屈服。

2.5 第5組試件

試件5－1、5－2為無連系梁托換，整個加載過程托換梁上植筋位置只有細微裂縫。荷載加到350kN時，梁柱混凝土界面開始出現裂縫；荷載加到650kN時，梁柱混凝土界面斷裂脫離，開始出現滑移。當新舊混凝土界面出現明顯滑移時，承載力還能繼續上升，呈現很好的延性；承載力下降的時候，滑移位移已接近10mm，并且柱內的化學植筋處有劈裂現象。

圖12 試件4－2托換梁植筋的軸力－應變關系

圖13 試件4－2連系梁植筋的軸力－應變關系

3 試驗結果分析

3.1 界面鑿毛對承載力的影響

從第1組試件發生滑移破壞時，包柱梁內大部分縱筋沒有屈服，托換梁開裂不明顯；而第2組試件發生滑移破壞時，包柱梁內下部縱筋已經屈服，托換梁開裂明顯。鑿毛處理后，托換節點的承載力可以提升約50%，可見鑿毛處理后，新舊混凝土界面的咬合力大大提高。由于托換節點采用包柱梁的形式，因此在新舊混凝土界面發生滑移的時候，咬合的混凝土會發生錯動，這就會使四周的包柱梁向外脹。當不采用鑿毛處理的時候，外脹的力會比較小；反之外脹的力會比較大。

3.2 有連系梁節點植筋的影響

在試件4－1、4－2中，托換梁為支承邊，致使其豎向位移被支座限制；又因為植筋的位置在界面的上部受壓區，因此新舊混凝土界面發生滑移的時候，柱相對于托換梁的豎向位移要比橫向外脹位移更明顯，托換梁內植筋的受彎特征會非常顯著。試件4－2中應變片布置在植筋的上表面，植筋上表面的應變先增大后急劇減小，說明植筋后期開始受彎，上表面受壓。由于植筋的抗彎能力很小，所以認為植筋對托換梁與柱的界面抗剪貢獻很小。試件4－2中連系梁內植筋（見圖12）和試件4－3中包柱梁內植筋（見圖13）的應變一直增加，直到屈服，其抗剪的貢獻可按照“剪摩擦”理論求得。

3.3 無連系梁托換節點的受力分析

如果托換節點沒有連系梁，在與托換梁垂直方向的彎矩就必須由化學植筋承受，即此時的化學植筋不僅要發揮“剪摩擦”配筋的作用，還要發揮抗彎縱筋的作用。上部植筋由于受到彎曲的作用，其抗剪作用不能完全發揮。從圖14可看出，一半的上部植筋在受彎之前已經達到受拉屈服，因此可認為上部植筋的“剪摩擦”作用發揮了1／2，從圖15可看出，下部縱筋全部受拉屈服。

圖14 試件5－2上部植筋的軸力－應變關系

4 結語

1）本文對鋼筋混凝土柱與包柱梁界面鑿毛和不鑿毛2種處理方式進行試驗研究，結果表明：對于鋼筋混凝土柱與托換梁接觸面未進行處理試件，其承載力很小，在包柱梁剛剛產生裂縫，梁內縱筋未屈服的時候新舊混凝土界面已經發生滑移破壞，整個破壞過程試件很短，延性很差；在鋼筋混凝土柱與包柱梁接觸面進行鑿毛處理后，從新舊混凝土界面壓力、界面黏結力和咬合力多方面提高了承載力和延性。

圖15 試件5－2下部植筋的軸力－應變關系

2）對不同配筋率的包柱托換進行試驗研究，結果表明：包柱梁內的縱筋是影響托換結構最終承載力的主要因素。當配筋率較低時，縱筋很早就屈服，縱筋強度能夠得到充分的發揮；當配筋率較高時，縱筋屈服比較晚。其最終托換承載力隨著包柱梁縱筋配筋率的提高而顯著增加。

3）由于包柱梁的縱筋以及植筋都能夠提供界面擠壓力，因此植筋率比較低的時候，植筋效果對承載力的提高并不大。