墻體拉筋與主筋間隙對結構抗震性能的影響研究

文/羅正根、王偉 國核工程有限公司 上海 265100

某工程廠房采用美國混凝土協會標準規范ACI349-2001《核安全規程鋼筋混凝土結構》進行結構抗震設計，其中屏蔽廠房設計為環形墻體，墻體內徑19.96m，墻體標準厚度914mm，總高度約52.3m，該墻體內外兩側各布置兩層水平與兩層豎向鋼筋，墻體兩側鋼筋通過拉筋拉結豎向主筋形成鋼筋籠子。ACI349-2001規范第21章節提到拉筋應“engage”（譯為勾住或箍住）縱向鋼筋，然而實際工程中，拉筋要完全與主筋貼緊不切實際。因此，本文設計了一套剪切試驗用以研究分析拉筋間隙對墻體截面平面外抗剪性能的影響。

1、試驗說明

剪切試驗的目的為通過測試足尺廠房墻體結構單元抗剪性能，評估間隙對廠房墻體平面外抗剪性能的影響，由于廠房的結構設計考慮更為保守的單向作用，因此設計梁構件剪切試驗。

剪切試驗試件代表的廠房墻體的示意圖見圖（1）。為了測試試件的剪切性能，減少其它拉、壓、彎曲等應力因素的干擾，采用四點加載純剪切加載方法。試件高度等于實際廠房墻體厚度。試件中部有效工作區域的厚度為450mm，其截面配筋等同墻體的一個配筋單元試件兩端的非工作區截面厚度加大，并增加了配筋，目的為在試驗中剪切破壞發生在試件的有效工作區域。試件工作區的配筋代表實際墻體鋼筋布置，非工作區設置了額外的箍筋進行加強，同時還設置了防剝落鋼筋網片與腰筋。

為了研究拉筋與主筋間隙對抗剪性能的影響，在試件工作區的3根拉筋兩端均設置了相同的間隙，3個拉筋彎鉤交替布置。共對0in、1in和2in等3種間隙進行了試驗，每個間隙值進行3個試驗，共計9個試驗，試件編號CJLX-Y。

試驗采用單調加載， 試驗中采用分配梁獲得兩個加載點的1：2的比例加載力關系，試驗加載裝置如圖2所示。試驗使用室2000t加載機進行，試驗采用靜力分級加載方式，每個加載步為200kN，每級加載后，荷載保持一段時間，以便觀測和繪制混凝土裂縫發展情況。

圖2 抗剪切試驗加載裝置示意圖

在工作區內的每個拉筋布置三個鋼筋應變計，以記錄試驗過程中拉筋的受力變形情況；在工作區混凝土表面布置9個應變花，以測量混凝土的平面內應變；同時測量試驗梁工作區下表面布置3個位移測點記錄豎向位移以及施工力傳感器記錄千斤頂施加的荷載。

2、試驗結果

所有9個剪切試驗顯示出了相同的試驗現象與破壞過程：剪切裂縫形成與張開，拉筋斷裂，荷載迅速下降。以間隙為1in的CJL1-1試件為例，說明試驗現象與破壞過程。CJL1-1試件在荷載作用下，剪切試驗試件首先在加載點及支座相對的受彎區出現彎曲裂縫，當荷載繼續增加時，試件工作區出現一條斜的剪切裂縫。隨著荷載的增加，剪切裂縫會擴展并變寬，并有可能出現第二條剪切裂縫。當達到峰值荷載時，伴隨著拉筋斷裂的聲音，剪切裂縫迅速張開，荷載迅速下降，結構失效。

試驗后對間隙為2in的CJL2-3試件進行破碎以觀察內部拉筋的情況，可以看出位于工作區中間的拉筋中部斷裂，該拉筋的斷裂導致了試件的失效。

拉筋的應變記錄顯示，剪切裂縫出現之前拉筋中的應變很小，當荷載達到某一值時，剪切裂縫出現，剪切裂縫的出現反映在拉筋荷載-應變曲線中，曲線上剪切裂縫附近的所有拉筋應變測點測量值同時開始快速持續增長。拉筋應變在達到峰值荷載前即超過其設計屈服強度對應的應變（拉筋的設計屈服強度為400MPa，對應的應變為2000微應變）。因此試件最終的破壞原因為工作區中間拉筋過度變形發生斷裂，導致混凝土剪切斜裂縫失去約束迅速變寬，喪失承載力。

從3個不同間隙試件中拉筋的應變值可以看出在1in和2in間隙下拉筋在靠近端部的位置上的應變值均達2000微應變，從而均發展出了設計需要的拉應力。值得注意的是，拉筋在荷載達到峰值荷載之前就已經達到了設計的屈服應力。從試件中可以看出直至試件失效，拉筋與主筋間的間隙不變，說明拉筋彎鉤有著良好的錨固能力，這解釋了在間隙存在的情況下拉筋中各處都能發揮出拉筋的屈服拉應力。

結論：

試驗結果顯示，在一定間隙范圍存在的情況下，拉筋中各處均能發展出設計需要的拉應力，從而完全發揮出其抗剪作用，因此不會影響廠房墻體的平面外抗剪性能。實際施工時，拉筋的間隙會因為混凝土保護層厚度與質量驗收規范受到定值約束，2英寸的實驗設計值是貼近了真實情況，本文的實驗結果可為類似工程提供施工指導。