不同龄期新浇筑混凝土柱水平裂缝的研究

不同龄期新浇筑混凝土柱水平裂缝的研究

0支撑体系承载力微裂缝在四川地震灾后重建项目的建设过程中，初建成的混凝土结构房屋受到了震动。当较大地震发生时，现场会出现模型支撑架的松动、混凝土柱的扰动、局部构件的微裂缝等。以不同龄期的钢筋混凝土柱为研究对象,利用相似理论,对缩尺模型柱在不同的地震加速度作用下进行振动台试验,重点对不同龄期的新浇筑混凝土柱在受水平地震作用后的震害特点进行分析,用试验方法来模拟新浇筑钢筋混凝土结构房屋受地震作用的影响。1试验总结1.1模型柱和钢筋柱的制备为了使试验能够较好地反映实际工程中混凝土结构柱裂缝的出现、发展及破坏过程,并考虑到小型振动台的实际载重能力,所采用的模型试件的尺寸按照层高为3m,截面尺寸为450mm×450mm的矩形柱以1∶3的相似比例进行缩尺试验。缩尺后模型柱身净高1000mm,截面尺寸为150mm×150mm。柱现浇于地梁内,地梁尺寸为150mm×150mm×530mm。柱身纵筋采用4根10mm的HRB335热轧钢筋,箍筋采用4mm的冷拔钢丝,间距120mm,端部加密,间距50mm。混凝土强度等级为C30。具体配筋如图1所示。1.2试验设备和参数1.2.1悬臂柱内侧向约束,下转悬臂柱顶试验。根据悬臂柱顶理论,直接直直柱内对于早龄期的混凝土柱,考虑到新浇筑的梁板混凝土刚度较弱,对柱头并未形成较强的侧向约束,并且其上部的竖向荷载较小,故试验近似按悬臂柱进行设计,并根据相似理论,在柱顶加上适当配重。混凝土柱身与地梁整体浇筑,通过预埋管,在地梁预留螺栓孔,使地梁与振动台台面通过螺栓牢固连接,振动台试验试件的安装见图2。1.2.2地震波的检测振动台试验施加的地震波分为两组,一组采用卧龙地震波,另一组采用什邡地震波,地震波波形如图3,4所示。试验过程中,将卧龙地震波的峰值加速度设置为0.45g,什邡地震波的峰值加速度设置为0.15g。每组的柱子龄期分别为12,18,24,36,48h。每组设置一根正常养护的对比柱,养护条件皆为室内标准养护。试件各参数见表1。2试验结果与分析2.1运行的破坏特征和分析2.1.1柱内裂缝的分布及形态在峰值加速度为0.45g的地震作用后,混凝土柱试件拆模后发现,Z3~Z6均在柱根与地梁交界面处发生较严重破坏,Z3破坏最为严重,裂缝宽度达到1mm,Z6破坏较为轻微。裂缝发展情况:自柱根底处开始,首先沿水平方向开裂,裂缝长为1cm左右,然后裂缝沿大约45°方向朝地梁斜向发展,至柱根以下2cm的地梁处,裂缝再次发展为水平方向,直至另一侧的柱根底部相同位置,裂缝再次沿45°方向朝上发展至柱根,最后产生一道1cm左右的水平裂缝。此裂缝以柱中心线为对称轴左右对称,水平贯通,为一道弯剪裂缝。在柱根的四个棱角处,拆模后混凝土出现剥落。比较Z3~Z6可得,龄期越短,剥落现象越严重。Z7柱在柱根处没有明显的裂缝产生,柱身几乎完好无损。Z3在柱根处裂缝发展情况及混凝土剥落现象如图5所示。Z3~Z6均出现自上而下的水平裂缝,裂缝间距均匀,且裂缝宽度自上而下逐步减小,裂缝最宽处达到0.3mm。在柱中部位置处,裂缝基本消失。首道裂缝出现在柱顶配重下端,为配重引起的水平剪切裂缝,第2道裂缝距离首道裂缝为100mm,第3~5道裂缝之间距离均为100mm,且裂缝产生位置为混凝土柱箍筋所在位置附近。试件Z6的第3~5道裂缝基本消失,Z7基本无裂缝产生。试件Z3在柱身的水平裂缝如图5所示。2.1.2柱根处水平裂缝在峰值加速度为0.15g的地震作用下,Z8的柱身产生明显的水平裂缝,柱根处破坏严重,其裂缝发展情况与Z3类似,柱根处产生的弯剪裂缝宽度达到0.8mm。Z9产生两道水平裂缝,柱根轻微破坏,Z10~Z12无明显裂缝产生。2.1.3两种地震组合对地震的破坏在0.45g地震作用下的试件,其破坏程度明显比0.15g地震作用下的试件严重,裂缝更宽,分布更明显,柱根处混凝土的剥落更加严重。2.1.4混凝土极限受拉应变值对于各试件在柱身处产生的水平裂缝,由于其位置与混凝土柱箍筋位置相一致,在振动过程中,试件做水平往复运动,当混凝土受拉区边缘的应变超过混凝土极限受拉应变值时,试件表面就会出现裂缝,而在箍筋处,混凝土截面减小,应力集中,容易出现裂缝,即箍筋对裂缝产生的位置有一定的导向作用。而试件根部是柱内力最集中的部位,由于早龄期混凝土强度较差,故在较大的地震作用下,发生破坏,产生弯剪裂缝。2.2柱内超声波波速折减应用超声波探伤技术进行微裂纹增生过程及内部损伤测量,以声速的变化作为主要的表观特征值。因不同类型试件初始声速有差异,定义超声波波速的降低程度ΔV为:式中:ΔV为超声波波速的降低程度;V0,V1分别为试件在振前及振后的超声波波速测量值。为了避免内部钢筋对测量的影响,所选取的测点均取自箍筋与箍筋之间的混凝土表面。自上而下共设置9个测点。具体测点布置如图1所示。各龄期柱在0.45g及0.15g地震作用下的超声波波速折减情况如图6所示。由图可以发现,裂缝的产生与内部损伤的严重程度具有紧密的关系。柱身的内部损伤程度表现为两头大、中间小,柱根处最为严重,且龄期越短,损伤越为严重。在0.45g地震作用下,试件Z4柱根处严重破坏,裂缝最宽处达到1mm,对应其超声波波速最大折减达到50%。而柱顶处,水平裂缝最宽处达到0.3mm,对应其超声波波速最大折减达到10%之多。龄期达到48h的试件,其超声波波速折减情况除柱根处,其余均在1%以内,可见,龄期达到48h的试件,在地震作用下,其内部损伤与外观破坏相一致,均不是很明显。但在柱根处,仍有一定程度的内部损伤。在0.15g地震作用下,试件Z9柱根处最大折损为10%,柱顶处达到3%。龄期达到24h的试件,情况与0.45g地震作用下龄期达到48h的试件类似。在两种地震作用下18h龄期柱各测点附近的水平裂缝宽度情况如图7所示,其裂缝宽度基本与测点附近在两种地震作用内部损伤相一致,同样表下的裂缝宽度情况现为两头大、中间小,柱根处最为严重。3期达到48h的柱(1)在峰值加速度为0.45g的地震波作用下,早龄期混凝土柱试件均出现较严重的破坏,且龄期越短,破坏越严重。龄期为12,18,24,36h的柱试件,均出现自柱顶至柱中的水平裂缝,裂缝宽度自上而下呈递减趋势。柱根处破坏最为严重,产生贯通并发展至地梁内的斜向裂缝。但龄期达到48h后的柱,由于混凝土已具备一定的强度,不至于产生非常明显的表观裂缝及破坏。(2)在峰值加速度为0.15g的地震波作用下,龄期处于12,18h的柱试件,产生类似于0.45g地震作用下的柱身水平裂缝,在柱根处同样产生斜向裂缝,且龄期越短,破坏越严重。当混凝土龄期达到24h以后,柱的破坏不明显。(3)超声波波速的折减情况表明,柱内部损伤与外观裂缝之间存在紧密的联系,且龄期越短,损伤越为严重。自柱根至柱身1/3高度范围内,在地震作用下产生明显的内部缺陷。在柱身上部,振动后内部也存在缺