周林仁，王仁凱，2，夏濤，徐清艷

（1.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641；2.惠州市城建檔案館，廣東 惠州 516001；3.中建四局深圳總承包公司，廣東 深圳 518017）

0 引言

圈梁是砌體結(jié)構(gòu)和填充墻的重要抗震措施，能顯著提高墻的整體性和穩(wěn)定性，增大結(jié)構(gòu)剛度，抑制墻體開裂，抵抗外部變形或較大振動荷載作用對房屋和墻體的不利影響。

目前，現(xiàn)場進行砌筑階段施工時，現(xiàn)澆圈梁存在諸多問題：（1）現(xiàn)澆圈梁的人工成本較高；（2）現(xiàn)澆圈梁的傳統(tǒng)做法復(fù)雜，澆筑后養(yǎng)護時間過長，且現(xiàn)澆圈梁表面容易出現(xiàn)質(zhì)量缺陷；（3）施工工期較長，現(xiàn)澆圈梁需要經(jīng)過綁鋼筋、支模板及澆筑混凝土養(yǎng)護的工序，需3～5d。以上不足使得傳統(tǒng)現(xiàn)澆圈梁構(gòu)造柱難以達到國家提倡的建筑工業(yè)化和節(jié)能減排的要求。

為了解決傳統(tǒng)現(xiàn)澆構(gòu)造柱的諸多問題，國內(nèi)學(xué)者提出多種裝配式構(gòu)造柱和圈梁。

冷小民[1]提出砌塊拼裝式圈梁，采用U型砌塊作為永久性模板，在中空部分放置鋼筋籠和澆筑混凝土。該圈梁能實現(xiàn)免支模，但需現(xiàn)場綁扎鋼筋和澆筑混凝土。張春濤等[2]針對高原地區(qū)砌體建筑，提出一種方鋼管砂卵石組合圈梁構(gòu)造柱，將間斷級配的砂卵石填充至鋼管內(nèi)并焊接密封，再將構(gòu)造柱及圈梁焊接后形成圈梁構(gòu)造柱結(jié)構(gòu)。張弛[3]研究了方鋼管圈梁，節(jié)點處采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土連接。鐘柏春和張春濤等[4-5]采用預(yù)制圈梁塊部分外漏箍筋，綁扎縱向鋼筋，磚砌筑圈梁模板或澆筑混凝土。宣衛(wèi)紅等[6]提出預(yù)制構(gòu)造柱和圈梁加固既有砌體結(jié)構(gòu)，預(yù)制圈梁預(yù)墻體植筋螺栓連接，節(jié)點采用預(yù)留鋼筋現(xiàn)場支模澆筑。

上述預(yù)制裝配式圈梁一定程度上優(yōu)化了施工工藝、提高了施工效率和質(zhì)量，但也存在需支模、后澆筑混凝土量較大，用鋼量大，經(jīng)濟效益不明顯等問題，且多為“半預(yù)制”型式，連接構(gòu)造復(fù)雜，施工不便。為了解決或緩解上述問題，結(jié)合裝配式構(gòu)件提升施工質(zhì)量、減少人工成本[7]，及再生塊體混凝土節(jié)省建材、綠色環(huán)保的優(yōu)點，本文提出了預(yù)制裝配式再生塊體混凝土圈梁技術(shù)。采用該技術(shù)生產(chǎn)圈梁，可基本實現(xiàn)預(yù)制，摻入不低于25%的廢棄混凝土，可以大大減少城市建筑垃圾的堆放壓力，降低建筑垃圾對環(huán)境的破壞，符合建筑領(lǐng)域向節(jié)能環(huán)保、標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展方向[8]。

1 設(shè)計思路與建造方法

1.1 設(shè)計思路

圈梁構(gòu)件按構(gòu)造配筋，鋼筋較稀疏，可在鋼筋籠內(nèi)放置較多廢棄混凝土塊體。圈梁墻體抗震的構(gòu)造措施，對其受力性能要求不高，更適合采用預(yù)制裝配式。本文提出的預(yù)制裝配式圈梁包括圈梁節(jié)段和連接槽段，在工廠預(yù)制，圈梁節(jié)段采用再生塊體混凝土，連接槽段采用細(xì)石混凝土。預(yù)制構(gòu)件運到現(xiàn)場，先砌筑墻體，在設(shè)計高度上鋪設(shè)圈梁預(yù)制節(jié)段和槽段，節(jié)段外露鋼筋在槽段內(nèi)搭接，再灌注混凝土，形成整體圈梁，可立即砌筑上部墻體。

1.2 節(jié)段預(yù)制與連接方法

考慮墻體長度和安裝方法，合理確定圈梁預(yù)制節(jié)段的尺寸，構(gòu)造鋼筋預(yù)留搭接，如圖1所示。根據(jù)墻體布置情況，圈梁節(jié)段之間主要包括直線型、L型、T型和十字型連接，還有圈梁預(yù)構(gòu)造柱之間的連接。為了確保連接性能，鋼筋要有足夠的搭接長度，采用預(yù)制槽段作為免拆模板，鋼筋在槽段內(nèi)搭接，然后灌注混凝土。預(yù)制槽段如圖1所示。

圖1 圈梁預(yù)制部件

以截面尺寸240 mm×240 mm，封閉總長度20 m的圈梁為例，圈梁節(jié)段長1000 mm，之間采用長200 mm和厚20 mm的直線U型槽連接方式，可實現(xiàn)預(yù)制率大于85%。

該預(yù)制裝配式在再生塊體混凝土圈梁的工程施工包括以下幾部分：

（1）預(yù)制件的工程制作。圈梁節(jié)段材料包括縱筋、箍筋、廢棄混凝土塊體和新混凝土。在模具內(nèi)綁扎鋼筋，放置廢棄塊體，然后澆筑普通混凝土，振搗成型。廢棄混凝土塊體尺寸為60～150 mm，可實現(xiàn)不低于25%的取代率。預(yù)制槽段厚20 mm，采用細(xì)石混凝土，不配置鋼筋。

（2）現(xiàn)場施工。在需要安裝圈梁的墻體頂部鋪設(shè)砂漿找平層，然后進行節(jié)段及連接槽段的鋪設(shè)，將節(jié)段縱筋在槽段內(nèi)搭接綁扎。圈梁節(jié)段在墻體上使用預(yù)制槽段連接的形式包括直線連接、L型連接、T型連接以及與構(gòu)造柱的連接，如圖2所示。十字型連接無需模板。

圖2 圈梁預(yù)制段之間的連接

（3）對鋼筋搭接位置灌注混凝土，形成整體圈梁，澆筑混凝土后即可進行上部墻體的砌筑。

鋼筋搭接長度≥20d（d為鋼筋直徑）。采用Ф12螺紋鋼，搭接長度為250 mm，構(gòu)造柱上可在連接位置預(yù)埋鋼筋，也可鉆孔植筋與圈梁鋼筋搭接連接。

2 預(yù)制節(jié)段及連接的力學(xué)性能試驗

為了驗證上述圈梁節(jié)段及連接形式的可靠性及再生塊體混凝土的適用性，基于ABAQUS有限元軟件對搭接節(jié)段及連接拼縫的力學(xué)性能進行數(shù)值仿真分析，在此基礎(chǔ)上開展了4個圈梁的試制與彎剪試驗，并與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆圈梁對照組進行對比，驗證預(yù)制再生塊體混凝土圈梁的可靠性。

圈梁主要承受拉力，對墻體產(chǎn)生“套箍”效應(yīng)，提高墻體的整體性和穩(wěn)定性。受試驗條件限制，不能開展大尺寸鋼筋混凝土構(gòu)件的受力試驗，因此本研究采用兩端簡支跨中集中力加載的方式進行試件的彎剪試驗，重點考察圈梁受拉側(cè)的開裂和鋼筋傳力情況，能體現(xiàn)圈梁及連接方式的抗拉性能。

2.1 圈梁有限元模型受力分析

為分析圈梁節(jié)段、鋼筋搭接及槽段拼縫對圈梁受力性能的影響，針對預(yù)制段直線連接的形式，使用ABAQUS有限元軟件分別建立“圈梁預(yù)制段-U型槽搭接段-圈梁預(yù)制段”的裝配式圈梁模型和整體現(xiàn)澆圈梁模型（XJ），圈梁截面尺寸為180 mm×180 mm，節(jié)段長200 mm，連接槽段長250 mm。預(yù)制圈梁有限元模型見圖3。

圖3 預(yù)制圈梁有限元模型

在圈梁有限元模型的跨中（槽段中部）位置施加豎向荷載，所得荷載-位移曲線如圖4所示。

圖4 圈梁的荷載-位移曲線

由圖4可見，搭接節(jié)段及拼縫對承載力下降影響較小，預(yù)制圈梁的極限承載力較現(xiàn)澆圈梁下降0.4kN，二者的極限位移相差很小，僅0.04mm。

極限荷載作用下圈梁模型的SDEG（scalar stiffness degradation）云圖如圖5所示。SDEG云圖能體現(xiàn)圈梁剛度的退化，能較準(zhǔn)確地反映圈梁裂縫的發(fā)展情況。

圖5 預(yù)制圈梁裂縫發(fā)展云圖

由圖5可知，主要裂縫為加載點至支座的斜裂縫，以及拼縫處裂縫。

極限荷載作用下預(yù)制圈梁模型的鋼筋應(yīng)力見圖6。由圖6可見，搭接節(jié)段處鋼筋應(yīng)力最大，為450MPa，達到屈服。

圖6 預(yù)制圈梁鋼筋應(yīng)力

2.2 試件制作

試驗共制作4根圈梁，其中2根為再生塊體混凝土的預(yù)制圈梁（QL-ZS），1根為普通商品混凝土的預(yù)制圈梁（QL-PT）和1根整體現(xiàn)澆圈梁（QL-XJ）。圈梁試件尺寸與有限元分析模型一致，混凝土保護層為20mm，縱筋采用Ф10的HRB400熱軋帶肋鋼筋，實測屈服強度和極限強度為440 MPa和611 MPa。新混凝土為C30商品混凝土，其28d標(biāo)準(zhǔn)抗壓強度為30.6 MPa。廢棄混凝土來源于實驗室其他試件試驗后人工破碎，設(shè)計強度C40，塊體尺寸約150 mm，25%取代率的再生塊體混凝土的組合立方體抗壓強度為37.7 MPa，高于新混凝土強度的原因是廢棄混凝土塊體強度較高。U型槽采用普通水泥砂漿，壁厚為20 mm。圈梁預(yù)制階段澆筑前先對舊混凝土塊體進行澆水濕潤，澆筑時先在模板底部倒入一層約20 mm厚的商品混凝土，隨后一次性放入舊混凝土塊體，再澆筑商品混凝土并用振搗棒充分振搗。

圈梁預(yù)制部件拼裝后（連接段灌注混凝土之前）如圖7所示。U型槽段作為永久性模板，圈梁外露鋼筋在其內(nèi)搭接，然后澆筑新混凝土。連接段內(nèi)不再加入舊混凝土塊體。

圖7 預(yù)制圈梁實物照片

2.3 加載裝置及測點布置

圈梁試件兩端簡支，在中部位置采用液壓千斤頂分級施加豎向荷載，采用荷載作用下試件的應(yīng)變片、位移計及力傳感器的試驗數(shù)據(jù)。加載裝置及測點布置如圖8所示。

圖8 試件加載裝置及測點布置

（1）撓度及荷載測量：將量程為500 kN的力學(xué)傳感器置于千斤頂加載處，測量每一級所施加的荷載。在圈梁的拼縫兩側(cè)位置布置2個量程為50 mm的位移傳感器。

（2）鋼筋應(yīng)變測量：在圈梁2根縱向受拉鋼筋靠近拼縫的位置各布置2個應(yīng)變片、在靠近拼縫處的箍筋各布置1個應(yīng)變片；整體現(xiàn)澆對照組試件也在相應(yīng)位置布置同樣數(shù)量的應(yīng)變片，以監(jiān)測試驗過程中鋼筋的應(yīng)變，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析縱筋及箍筋受力情況提供依據(jù)。

2.4 試驗破壞形態(tài)

在跨中豎向集中力作用下，預(yù)制裝配式圈梁與整體現(xiàn)澆圈梁的最終破壞形態(tài)如圖9所示。具體的破壞發(fā)展如下：

（1）QL-ZS-1是正截面受彎適筋破壞，加載后圈梁搭接節(jié)段出現(xiàn)豎向裂縫且不斷向上發(fā)展，隨后底部現(xiàn)澆部分與搭接節(jié)段出現(xiàn)裂縫，二者逐漸脫離，最終豎向裂縫充分發(fā)展，支座附近出現(xiàn)斜向裂縫，圈梁底部搭接處出現(xiàn)一條貫通的較寬的裂縫，最終破壞形態(tài)如圖9（a）所示。

（2）QL-ZS-2是正截面受彎適筋破壞，加載后表面未出現(xiàn)明顯裂縫，隨著荷載的不斷增大，圈梁底部的搭接節(jié)段與現(xiàn)澆部分交接處產(chǎn)生裂縫，現(xiàn)澆部分與圈梁節(jié)段交接處產(chǎn)生裂縫且不斷發(fā)展，最終形成貫通的裂縫，破壞形態(tài)如圖9（b）所示。

（3）QL-PT是正截面受彎適筋破壞，加載后沿拼縫位置出現(xiàn)豎向裂縫，其向上延伸一段長度后，斜向發(fā)展一條斜裂縫，隨著荷載的增大，斜裂縫向加載點位置開展，最終現(xiàn)澆混凝土與圈梁節(jié)段交接處脫開，底部形成一條貫穿的裂縫，破壞形態(tài)如圖9（c）所示。

（4）QL-XJ是典型的剪壓破壞，加載后在支座附近出現(xiàn)一些豎向裂縫，且隨著荷載點增大形成一些斜裂縫，而支座處的一條斜裂縫不斷發(fā)展，最終形成一條較寬的貫通臨界斜裂縫，破壞形態(tài)如圖9（d）所示。

圖9 圈梁的破壞形態(tài)

試驗中再生塊體混凝土試件的裂縫發(fā)展與ABAQUS有限元分析中的裂縫發(fā)展較為吻合，主要裂縫為加載點至支座的斜裂縫及拼縫處裂縫。

2.5 荷載撓度曲線

4根圈梁試件的荷載-位移曲線見圖10，初始剛度及試驗過程中關(guān)鍵點的位移和荷載數(shù)據(jù)見表1。

圖10 圈梁試件的荷載-位移曲線

表1 圈梁試件關(guān)鍵點與初始剛度

綜合圖10、表1可知，（1）分析開裂荷載，普通預(yù)制試件的開裂荷載明顯低于現(xiàn)澆試件，預(yù)制拼接部位是開裂的薄弱部位；對比普通預(yù)制和再生預(yù)制試件，再生試件因具有較高的混凝土強度而獲得較大的開裂荷載，2個再生預(yù)制試件的開裂荷載相差明顯，QL-ZS-2的開裂荷載與全新混凝土現(xiàn)澆試件同為最大21 kN。因開裂具有較大離散型，該預(yù)制裝配式圈梁的開裂性能需要更多的試驗進行明晰和驗證。（2）對比試件的峰值荷載和初始剛度，QL-ZS-1、QL-ZS-2與QL-PT相比，其峰值荷載提高8.75 kN，提高幅度19.4%；初始剛度提高0.35 kN/mm，提升幅度2.5%。QL-ZS-1、QL-ZS-2與QL-XJ相比，其峰值荷載提高2.75 kN，提高幅度5.4%；初始剛度降低2.55 kN/mm，降低幅度17.8%。QL-ZS-1與QL-ZS-2的峰值荷載略高于QL-XJ與QL-PT，其原因為再生塊體混凝土的組合強度高于現(xiàn)澆新混凝土的強度。

綜上，再生塊體混凝土預(yù)制圈梁和全新混凝土預(yù)制圈梁的受力性能滿足要求，初始剛度和峰值荷載差異不大；與整體現(xiàn)澆圈梁相比，預(yù)制圈梁的極限承載力幾乎不變，僅下降0.3%，初始剛度下降約15.8%。在有限元軟件仿真分析的基礎(chǔ)上，進一步驗證了預(yù)制圈梁節(jié)段和連接方式的可靠性，也驗證了再生塊體混凝土用于預(yù)制圈梁是可行的。

2.6 鋼筋應(yīng)變曲線

預(yù)制拼接圈梁試件的應(yīng)變片布置在預(yù)制節(jié)段內(nèi)靠近搭接位置的縱筋處，因搭接節(jié)段內(nèi)要進行鋼筋搭接與澆筑，未在彎矩最大的跨中布設(shè)應(yīng)變片；現(xiàn)澆圈梁的應(yīng)變片布置在縱筋的跨中位置。各試件所測的縱向受拉鋼筋應(yīng)變?nèi)鐖D11所示。

圖11 圈梁試件的荷載和鋼筋應(yīng)變曲線

由圖11可知，圈梁的荷載-應(yīng)變關(guān)系可以分為3個階段：（1）第1階段，混凝土開裂前，構(gòu)造柱基本處于彈性階段，荷載由縱筋與混凝土共同承擔(dān)，拼接構(gòu)造與現(xiàn)澆構(gòu)造柱縱筋的應(yīng)變較小且基本相同；（2）第2階段，混凝土開裂后，受拉區(qū)荷載主要由縱筋承擔(dān)，因裝配式圈梁在連接槽段內(nèi)有鋼筋搭接（2倍的配筋量），因此相同荷載下其應(yīng)變明顯小于現(xiàn)澆圈梁，隨荷載增大，縱筋應(yīng)變增大至2000με左右，鋼筋屈服；（3）第3階段，縱筋達到屈服后，荷載變化緩慢平穩(wěn)，試件裂縫寬度和豎向變形顯著增大，直至極限破壞。

從試驗可知，裝配式圈梁的鋼筋得到了有效的搭接連接，縱向鋼筋能有效傳力，受力合理，最后都達到屈服失效。

3 結(jié)論

（1）提出一種預(yù)制裝配式再生塊體混凝土圈梁，采用工廠分段預(yù)制，現(xiàn)場拼裝連接。圈梁節(jié)段之間采用“預(yù)制節(jié)段-連接槽段-預(yù)制節(jié)段”的連接方式，可實現(xiàn)預(yù)制率大于85%。

（2）用25%的廢棄混凝土塊體取代新混凝土用于預(yù)制圈梁，對構(gòu)件的受力性能幾乎沒有影響，節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟效益明顯。

（3）再生塊體混凝土預(yù)制圈梁和商品混凝土預(yù)制圈梁的承載力和初始剛度相近，與整體現(xiàn)澆圈梁相比，預(yù)制圈梁的極限承載力幾乎不變，僅下降0.3%，初始剛度下降約15.8%。

（4）圈梁預(yù)制節(jié)段采用在槽段內(nèi)鋼筋搭接和現(xiàn)場灌漿的連接方式，鋼筋傳力有效，利用充分，圈梁具有較好的剛度和承載能力。