整體裝配式預(yù)應(yīng)力板柱節(jié)點(diǎn)摩擦性能的試驗(yàn)研究

吳麗麗，王芮，謝靈慧，賈麗娜

(1.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)礦業(yè)大學(xué))，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

整體裝配式預(yù)應(yīng)力板柱節(jié)點(diǎn)摩擦性能的試驗(yàn)研究

吳麗麗1,2?，王芮1,2，謝靈慧1,2，賈麗娜1,2

(1.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)礦業(yè)大學(xué))，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

通過(guò)對(duì)6個(gè)整體裝配式預(yù)應(yīng)力板柱結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)試件的試驗(yàn)研究，分析了板柱節(jié)點(diǎn)灌縫的膠結(jié)材料(如細(xì)石混凝土)強(qiáng)度、預(yù)應(yīng)力大小、外加劑等因素對(duì)板柱節(jié)點(diǎn)界面摩擦性能的影響，并對(duì)比了板柱節(jié)點(diǎn)處存在細(xì)石混凝土膠結(jié)材料與否時(shí)的差異.試驗(yàn)結(jié)果表明：板柱節(jié)點(diǎn)處灌縫細(xì)石混凝土?xí)@著提高節(jié)點(diǎn)摩擦性能，與不灌縫的節(jié)點(diǎn)試件相比，摩擦性能提高幅度在35%以上.細(xì)石混凝土的強(qiáng)度、施加預(yù)應(yīng)力大小、外加劑種類也會(huì)不同程度影響節(jié)點(diǎn)的摩擦性能.當(dāng)細(xì)石混凝土立方體抗壓強(qiáng)度由30 MPa增加到40 MPa時(shí)，界面摩擦性能提高約9.8%.預(yù)應(yīng)力從300 kN增大到450 kN時(shí)，節(jié)點(diǎn)界面摩擦性能提高約55.1%，膨脹劑添加后對(duì)節(jié)點(diǎn)界面摩擦性能也有提高作用，但是幅度很小.

整體裝配式；板柱節(jié)點(diǎn)；摩擦性能；預(yù)應(yīng)力；外加劑

整體預(yù)應(yīng)力裝配式板柱結(jié)構(gòu)起源于前南斯拉夫，簡(jiǎn)稱IMS體系，它無(wú)梁無(wú)柱帽，以預(yù)制的板和柱作為基本構(gòu)件，在層間施加雙向預(yù)應(yīng)力，使板和柱緊密貼合在一起，通過(guò)板柱界面間的摩擦力來(lái)提供豎向支撐力[1].唐山地震以后，該結(jié)構(gòu)體系開(kāi)始傳入中國(guó).在中國(guó)陸續(xù)開(kāi)展了一些研究工作，以北京中國(guó)建筑科學(xué)研究院為主，編制了CECS 52:2010《整體預(yù)應(yīng)力裝配式板柱建筑技術(shù)規(guī)程》.

近年來(lái)國(guó)家大力倡導(dǎo)建筑工業(yè)化和住宅產(chǎn)業(yè)化，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)是建筑工業(yè)化的一種重要形式[2]，這使得裝配式混凝土結(jié)構(gòu)成為當(dāng)前研究熱點(diǎn).不斷涌現(xiàn)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的新形式及建造新技術(shù)[3].裝配式板柱結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)單，抗震性能良好，成本低廉，耗能較少，可顯著提高建筑結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量和工業(yè)化程度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，能夠充分滿足綠色建筑的要求[4].該結(jié)構(gòu)體系已成功地應(yīng)用到商住樓[5]、民居、寫(xiě)字樓[6]等工程中.

在20世紀(jì)80年代初，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者開(kāi)展了預(yù)應(yīng)力板柱結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)受力方式和傳力特征的相關(guān)研究.陳惠玲等[7]開(kāi)展了雙向預(yù)應(yīng)力板柱節(jié)點(diǎn)的低周反復(fù)抗彎性能與抗剪特性和卸除錨具的雙向預(yù)應(yīng)力板柱結(jié)構(gòu)摩擦節(jié)點(diǎn)安全性的試驗(yàn)研究，建立了摩擦節(jié)點(diǎn)結(jié)合面的抗剪計(jì)算公式.李郢[8]對(duì)摩擦耗能體系預(yù)應(yīng)力板柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性地震反應(yīng)分析，分析結(jié)果表明摩擦耗能體系預(yù)應(yīng)力板柱結(jié)構(gòu)是一種減震體系.板柱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)小組(中國(guó)建筑科學(xué)研究院抗震所)[9]進(jìn)行了1/3比例空間結(jié)構(gòu)模型在反復(fù)水平作用下的相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)研究表明板柱結(jié)構(gòu)的抗震性能良好，可以滿足一般地震的設(shè)防要求，并提出了抗震設(shè)計(jì)參數(shù)的建議和簡(jiǎn)化計(jì)算模型.王嫻明等[10]從剛度、強(qiáng)度、延性和耗能等方面分析了摩擦節(jié)點(diǎn)的性能.閻興華等[11]對(duì)節(jié)點(diǎn)的承載能力、延性、恢復(fù)力特性及受力機(jī)理等方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)承載能力高，延性良好，可以滿足抗震性能.馬云昌等[12]對(duì)三個(gè)板柱邊節(jié)點(diǎn)和三個(gè)板柱中節(jié)點(diǎn)的抗沖切性能進(jìn)行了研究，指出板柱節(jié)點(diǎn)在不平衡彎矩和沖切力共同作用下的破壞形態(tài)為沖切彎曲復(fù)合破壞形態(tài).段洪濤[13]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)板柱結(jié)構(gòu)在受力變形過(guò)程中有較大的水平變位，板柱結(jié)構(gòu)的塑性耗能能力不佳，增加配筋率，會(huì)對(duì)板的延性有不利影響，但是能提高承載力.董挺峰等[14]對(duì)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)、能量耗散等性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)具有的耗能能力不如整澆鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn),但其變形恢復(fù)能力和延性比現(xiàn)澆混凝土好.陳理卿等[15]研究了預(yù)應(yīng)力混凝土框架耗能能力等方面的影響，分析認(rèn)為施加預(yù)應(yīng)力可以增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)區(qū)域的整體性,提高結(jié)構(gòu)的耗能能力、延性、節(jié)點(diǎn)抗裂能力和極限承載力.

整體預(yù)應(yīng)力板柱結(jié)構(gòu)的傳力方式與普通混凝土框架梁柱體系不同，其抗震工作機(jī)理也與一般框架不同.板柱結(jié)構(gòu)不是依靠梁端形成塑性鉸，而是直接通過(guò)預(yù)應(yīng)力鋼筋將樓板和柱子相互連接，在預(yù)制板柱之間形成摩擦節(jié)點(diǎn).當(dāng)?shù)卣鹱饔幂^強(qiáng)烈時(shí)，預(yù)制柱與板會(huì)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使板柱節(jié)點(diǎn)接觸界面發(fā)生不平衡接觸，這種接觸會(huì)使混凝土預(yù)制柱在節(jié)點(diǎn)處所受到的水平壓力不在同一作用線上，即產(chǎn)生截面上的不平衡彎矩，板與柱間轉(zhuǎn)角將隨著結(jié)構(gòu)位移的增大而增大，由此依靠縫間摩擦力做功消耗地震能量.當(dāng)前對(duì)板柱間節(jié)點(diǎn)摩擦性能的深入研究尚不多見(jiàn).

目前，我國(guó)現(xiàn)行的CECS 52:2010《整體預(yù)應(yīng)力裝配式板柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中提出了節(jié)點(diǎn)處力學(xué)計(jì)算方法和施工要求[16].但對(duì)于預(yù)應(yīng)力板柱結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)件連接處的混凝土界面影響因素研究不足，缺乏各因素相互間的微觀協(xié)調(diào)傳力機(jī)理，不能給出幾種因素在不同構(gòu)造措施下的統(tǒng)一設(shè)計(jì)計(jì)算方法.

中國(guó)建筑科學(xué)研究院曾進(jìn)行了有關(guān)預(yù)應(yīng)力板柱結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力摩擦構(gòu)件和同類型鋼筋混凝土試件抗剪性能的對(duì)比試驗(yàn)，提出了預(yù)應(yīng)力板柱結(jié)構(gòu)摩擦節(jié)點(diǎn)的抗剪性能與預(yù)制構(gòu)件之間的砂漿粘結(jié)力、預(yù)應(yīng)力大小以及應(yīng)力筋的抗剪強(qiáng)度等因素的關(guān)系表達(dá)式，但是沒(méi)有具體給出摩擦結(jié)合面灌縫砂漿或細(xì)石混凝土強(qiáng)度和外加劑對(duì)于摩擦因數(shù)的影響.易成等[17-18]開(kāi)展了關(guān)于一體兩介質(zhì)模型抗剪性能研究和兩介質(zhì)接觸面抗剪性能的影響研究，認(rèn)為有必要充分考慮界面細(xì)石混凝土的材料性能對(duì)于板柱節(jié)點(diǎn)性能的影響.

與此同時(shí)，節(jié)點(diǎn)界面摩擦因數(shù)μ的取值尚有不同見(jiàn)解，混凝土面之間的摩擦因數(shù)可取0.72～0.80，現(xiàn)行CECS 52:2010《整體預(yù)應(yīng)力裝配式板柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[16]中關(guān)于摩擦因數(shù)的取值規(guī)定板柱節(jié)點(diǎn)接縫接觸面處的豎向抗剪承載力由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的摩擦力承擔(dān)，當(dāng)符合該規(guī)程[16]第5.1.1條規(guī)定時(shí)，可取0.7.

在北京原國(guó)家建委一局科研所完成的整體預(yù)應(yīng)力裝配式板柱結(jié)構(gòu)的四柱一板靜荷載試驗(yàn)中，驗(yàn)證了板四角為純摩擦節(jié)點(diǎn)，得出破壞荷載約為原設(shè)計(jì)荷載的3.5倍[19].同時(shí)又有學(xué)者得出，混凝土面之間摩擦因數(shù)可取0.6～0.8.摩擦因數(shù)μ對(duì)于光滑接觸面取0.6，對(duì)于粗糙接觸面取0.8.因此有必要針對(duì)節(jié)點(diǎn)接觸面的模型系數(shù)的取值做進(jìn)一步研究.

基于國(guó)內(nèi)外關(guān)于板柱連接節(jié)點(diǎn)性能的相關(guān)研究成果，綜合考慮實(shí)際工程中節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造特征和要求，本文設(shè)計(jì)制作了4組共6個(gè)板柱節(jié)點(diǎn)模型試件，試件的尺寸參考《整體預(yù)應(yīng)力裝配式板柱建筑的設(shè)計(jì)與施工》進(jìn)行設(shè)計(jì).由于試驗(yàn)條件限制，本文采用簡(jiǎn)化的板柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加載試驗(yàn)，分別考慮預(yù)應(yīng)力大小、灌縫材料(本文采用細(xì)石混凝土)強(qiáng)度和外加劑(早強(qiáng)劑和膨脹劑)對(duì)板柱結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)界面摩擦性能的影響，6個(gè)試件中特別制作了一個(gè)節(jié)點(diǎn)接觸界面處無(wú)灌縫材料的試件，以便與有灌縫材料的試件作對(duì)比.

1 節(jié)點(diǎn)摩擦性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

如圖1所示,整體預(yù)應(yīng)力裝配式板柱結(jié)構(gòu)，以預(yù)制的板和柱作為基本構(gòu)件，在層間施加雙向預(yù)應(yīng)力，使板和柱緊密貼合在一起，通過(guò)板柱界面間的摩擦力來(lái)提供豎向支撐力.該板柱節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵點(diǎn)有兩個(gè)，一個(gè)是預(yù)制板安裝就位，板角將柱四個(gè)面包圍，留出穿筋的明槽，板和柱之間留縫，待此后填縫；二是穿筋施加預(yù)應(yīng)力，板柱間緊密貼合，形成摩擦面.由此可見(jiàn)，該結(jié)構(gòu)板柱節(jié)點(diǎn)形成的關(guān)鍵因素是預(yù)應(yīng)力和板柱間側(cè)面通過(guò)灌縫材料形成的摩擦面，而要獲得摩擦面的摩擦性能可以通過(guò)在試驗(yàn)條件下模擬這種接觸狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)關(guān)鍵因素.理想情況下是設(shè)計(jì)一個(gè)完整的四塊板包圍一根柱的節(jié)點(diǎn)模型，但限于現(xiàn)有試驗(yàn)條件，本文僅設(shè)計(jì)了一根柱和單塊板的簡(jiǎn)化模型(詳見(jiàn)后文所述)，板柱之間采用灌縫材料粘結(jié)，來(lái)近似模擬實(shí)際板柱的接觸面灌縫情況.試驗(yàn)時(shí)把柱轉(zhuǎn)動(dòng)90度，在板端施加豎向壓力模擬預(yù)應(yīng)力(未穿預(yù)應(yīng)力筋的主要原因是由于板、柱尺寸限制，未在板中穿預(yù)應(yīng)力鋼筋，以免構(gòu)件長(zhǎng)度太短引起預(yù)應(yīng)力的損失嚴(yán)重)，水平橫推板件，來(lái)模擬板柱節(jié)點(diǎn)接縫接觸面處的豎向抗剪承載力，從而獲得板柱之間的摩擦性能.所設(shè)計(jì)的板和柱的尺寸、預(yù)應(yīng)力大小均按照實(shí)際工程常用的尺寸，而且灌縫的材料等都是依照規(guī)范和北京中建建筑科學(xué)研究院曾經(jīng)承建的實(shí)際工程案例進(jìn)行考慮.雖然本文試驗(yàn)的簡(jiǎn)化模型不能完全再現(xiàn)實(shí)際結(jié)構(gòu)，但是它能基本模擬板柱節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)關(guān)鍵因素，所測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果能夠在一定程度上反映節(jié)點(diǎn)的摩擦性能.

圖1 預(yù)應(yīng)力摩擦節(jié)點(diǎn)Fig.1 Prestressed friction joint diagram

本文共設(shè)計(jì)了6個(gè)節(jié)點(diǎn)，試件設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1.采用單根柱和單塊板作為節(jié)點(diǎn)連接試件，試件加工圖如圖2和圖3所示.板端部施加壓力來(lái)模擬實(shí)際的預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力的大小依據(jù)《整體預(yù)應(yīng)力裝配式板柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[16]進(jìn)行設(shè)計(jì)，并參考實(shí)際工程“天津市友誼路7層板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)住宅”，其樓層預(yù)應(yīng)力的綜合軸力在244～649 kN不等(利用CECS 52:2010,整體預(yù)應(yīng)力裝配式板柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程公式(4.2.2),計(jì)算其預(yù)應(yīng)力綜合軸力)，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)中板柱尺寸，選擇相應(yīng)合適的預(yù)應(yīng)力大小，定出板端的軸向壓力值.本文試驗(yàn)考慮預(yù)應(yīng)力在300～500 kN之間，在試驗(yàn)前可以預(yù)估水平剪力不超過(guò)豎向軸力，手動(dòng)千斤頂?shù)淖畲蟪休d力是50 kN.

表1 試驗(yàn)試件設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 預(yù)制柱配筋圖Fig.2 Reinforcement layout of precast column

圖3 預(yù)制板配筋圖Fig.3 Reinforcement layout of precast slab

試驗(yàn)變化的參數(shù)主要為：預(yù)應(yīng)力大小，細(xì)石混凝土強(qiáng)度和外加劑，以及考察板柱節(jié)點(diǎn)連接界面是否存在灌縫細(xì)石混凝土的影響.預(yù)制的混凝土板和柱通過(guò)接縫處澆筑細(xì)石混凝土粘結(jié)后形成板柱連接節(jié)點(diǎn)，其中板和柱的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40.柱尺寸為1 050 mm×500 mm×400 mm，板尺寸為400 mm×400 mm×250 mm，板和柱中的配筋均按照《整體預(yù)應(yīng)力裝配式板柱建筑的設(shè)計(jì)與施工》中進(jìn)行設(shè)計(jì)配置.

板、柱試件澆筑完成后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%以后拆模，灌縫連接并再次進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待細(xì)石混凝土達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度后進(jìn)行試驗(yàn)加載.其中細(xì)石混凝土強(qiáng)度等級(jí)和外加劑(包括早強(qiáng)劑和膨脹劑等)用量情況見(jiàn)表2，由于場(chǎng)地和加載條件的限制，將柱和板旋轉(zhuǎn)90°后水平放置，灌縫連接完成后節(jié)點(diǎn)試件如圖4所示.試驗(yàn)中，對(duì)板、柱混凝土構(gòu)件和灌縫材料細(xì)石混凝土同時(shí)各制作了3塊150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方體試塊，并與試件在相同的環(huán)境下進(jìn)行養(yǎng)護(hù).在試件加載當(dāng)天按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)程序測(cè)試混凝土的抗壓強(qiáng)度，測(cè)得其平均立方體抗壓強(qiáng)度如表3所示.

表2 灌縫細(xì)石混凝土配比表

圖4 整體試件示意圖Fig.4 Schematic diagram of assembled specimen

Tab.3Standardcubecompressivetestofconcrete

試件名稱表面積/(mm×mm)壓力/kN抗壓強(qiáng)度/MPa平均抗壓強(qiáng)度/MPa預(yù)制板、預(yù)制柱150×15053023.667029.867029.827.7C40灌縫細(xì)石混凝土100×10037037.039539.538338.338.3C30灌縫細(xì)石混凝土100×10032032340343103133.0C40灌縫細(xì)石混凝土(含膨脹劑)100×1004004037537.535535.537.7C30灌縫細(xì)石混凝土(含膨脹劑)100×10027827.828828.830030.028.9

1.2 試驗(yàn)裝置及加載方案

1.2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用100 t電液伺服千斤頂提供豎向荷載，用于模擬擠緊板與柱之間的預(yù)應(yīng)力，50 t級(jí)手動(dòng)千斤頂提供水平荷載，用于施加板的剪力作用，試驗(yàn)加載裝置示意圖見(jiàn)圖5.

圖5 試驗(yàn)加載裝置Fig.5 Test setup

由圖5可知，首先在板端施加豎向力，用以模擬預(yù)應(yīng)力，當(dāng)“預(yù)應(yīng)力”達(dá)到預(yù)定值時(shí)，停止加載，然后通過(guò)水平千斤頂手動(dòng)逐級(jí)施加水平荷載，為了不在接縫處產(chǎn)生附加彎矩，水平千斤頂加載點(diǎn)盡量接近摩擦面,受試驗(yàn)條件限制，加載點(diǎn)位于距離摩擦面170 mm處.其中，箱型梁、支撐座和底座通過(guò)高強(qiáng)度螺栓連接，在水平方向上形成一個(gè)自平衡系統(tǒng).在試件中預(yù)留孔洞，試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)將柱試件通過(guò)螺栓固定在底座上，防止水平加載時(shí)試件發(fā)生側(cè)翻.板端加載墊板中設(shè)置滾軸，可以減小作動(dòng)器與板試件之間的摩擦力對(duì)試驗(yàn)的影響，使傳感器測(cè)得的水平作用力更為精確，同時(shí)墊板也可以使荷載作用分配均勻，避免試件發(fā)生局部破壞.

水平力的施加根據(jù)板柱節(jié)點(diǎn)界面最大靜摩擦力公式Qm=μN(yùn)y(其中μ為界面最大靜摩擦因數(shù)，Ny為相應(yīng)階段有效預(yù)應(yīng)力，Qm為預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的界面摩擦力)進(jìn)行預(yù)估，在預(yù)估過(guò)程中μ取0.7，Ny最大值按表1進(jìn)行選取.在水平荷載達(dá)到0.6Qm之前加載速度相對(duì)較快，按照0.2Qm的加載級(jí)別進(jìn)行；當(dāng)水平荷載達(dá)到預(yù)估值的0.6Qm～0.8Qm時(shí)，按照0.1Qm的加載級(jí)別進(jìn)行加載；0.8Qm以后則按照0.05Qm的加載級(jí)別進(jìn)行加載，直到節(jié)點(diǎn)界面發(fā)生相對(duì)滑移.

1.2.2 測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)為靜力加載試驗(yàn)，導(dǎo)桿引伸儀和混凝土應(yīng)變片的布置情況見(jiàn)圖6.在板、柱交界面處設(shè)置導(dǎo)桿引伸儀，獲取板柱發(fā)生滑移時(shí)刻點(diǎn)及相對(duì)滑移，在板和柱的側(cè)表面上共設(shè)置了13個(gè)混凝土應(yīng)變片，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中板頂豎向加載作用下板內(nèi)的應(yīng)變以及傳遞至柱身的應(yīng)力變化情況.數(shù)據(jù)全部通過(guò)TDS-530靜態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)自動(dòng)記錄.

圖6 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.6 Layout of measuring points

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

混凝土預(yù)制板柱節(jié)點(diǎn)試件PJ1～PJ6的界面滑移總體可以分為3個(gè)階段.加載初期(50%極限荷載Pu范圍內(nèi)，即P≤0.5Pu時(shí))，此時(shí)的水平荷載相對(duì)較小，混凝土預(yù)制板柱節(jié)點(diǎn)未出現(xiàn)明顯的相對(duì)滑移；當(dāng)水平荷載介于0.5Pu～0.7Pu時(shí)，在混凝土預(yù)制板和柱的接縫處，細(xì)石混凝土澆筑縫的部位開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)微裂縫，并且混凝土預(yù)制板與柱的相對(duì)位移開(kāi)始有微小的增加；當(dāng)荷載繼續(xù)增加達(dá)到0.9Pu左右時(shí)，混凝土預(yù)制板和柱中的細(xì)小裂縫逐漸增多，并且原有的細(xì)微裂縫的寬度逐漸加大，當(dāng)水平荷載達(dá)到0.9Pu左右的某一數(shù)值時(shí)，混凝土預(yù)制板和柱的滑移量陡增，預(yù)制板與預(yù)制柱之間突然發(fā)生較大滑移，同時(shí)可以聽(tīng)見(jiàn)細(xì)石混凝土發(fā)生碎裂的聲音，說(shuō)明混凝土預(yù)制板柱連接界面發(fā)生破壞.試驗(yàn)中構(gòu)件的典型裂縫發(fā)展情況如圖7所示.由于水平千斤頂加載處距離混凝土板柱交界面有一定距離，因此在界面處不僅存在剪力，而且還會(huì)產(chǎn)生一定的附加彎矩，導(dǎo)致整體試件有側(cè)傾的趨勢(shì)，但經(jīng)計(jì)算表明這個(gè)附加彎矩產(chǎn)生的界面張開(kāi)應(yīng)力非常小，僅會(huì)增加界面張開(kāi)的趨勢(shì)，即偏心產(chǎn)生的附加彎矩對(duì)本文試件界面摩擦因數(shù)的計(jì)算影響很小(以最大水平推力480 kN為例，按照構(gòu)件截面大小，可以很容易計(jì)算得到在此附加彎矩下截面的張開(kāi)拉應(yīng)力僅為0.076 MPa).板柱灌縫細(xì)石混凝土張開(kāi)的順序是從右至左，即水平剪力在混凝土預(yù)制板上的傳遞方向，并且縫寬從右至左逐漸減小.試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)柱通過(guò)長(zhǎng)錨栓桿錨固于鋼箱梁支座時(shí)，由于錨栓桿的預(yù)緊力不夠，隨著水平力增加，構(gòu)件在側(cè)傾情況下產(chǎn)生撬力，導(dǎo)致豎向預(yù)壓力有所增加，增加量一般為30 kN到50 kN不等，從而使得界面摩擦力有時(shí)會(huì)大于預(yù)先施加的預(yù)應(yīng)力值，這種撬力導(dǎo)致附加給試件PJ1和試件PJ2的剪力和彎矩增大，在兩種力作用下構(gòu)件根部產(chǎn)生了幾條斜裂縫.

圖7 試件裂縫示意圖Fig.7 Diagram of specimen crack pattern

綜合本文混凝土預(yù)制板柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)的裂縫發(fā)展情況可以看出，當(dāng)豎直方向作用力即預(yù)應(yīng)力較大時(shí)，在加載過(guò)程中預(yù)制柱裂縫發(fā)展較為明顯；當(dāng)豎向作用力較小時(shí)，柱中裂縫發(fā)展不明顯，且裂縫多為豎向裂縫，說(shuō)明在加載過(guò)程中預(yù)制柱所受的豎向剪力對(duì)其影響顯著.此外，當(dāng)混凝土預(yù)制板柱節(jié)點(diǎn)發(fā)生明顯破壞時(shí)，預(yù)制板與預(yù)制柱之間的灌漿細(xì)石混凝土均發(fā)生一定的破壞，板柱發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的界面多為細(xì)石混凝土與預(yù)制試件的接觸面，但是也有試件出現(xiàn)了預(yù)制板界面發(fā)生破壞和灌漿細(xì)石混凝土未發(fā)生破壞的現(xiàn)象，說(shuō)明板柱節(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切破壞的薄弱點(diǎn)位于混凝土預(yù)制板與預(yù)制柱的交界面和混凝土預(yù)制板的末端.

由于試驗(yàn)過(guò)程中采集的混凝土應(yīng)變片數(shù)據(jù)數(shù)值一般很小，而且數(shù)據(jù)上下波動(dòng)，對(duì)本文分析摩擦因數(shù)不產(chǎn)生直接影響，故下文略去這部分內(nèi)容的描述.

2.2 荷載-滑移曲線

試驗(yàn)試件在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的荷載-板柱相對(duì)滑移(P-δ)曲線如圖8所示，其中縱坐標(biāo)P為千斤頂提供的水平荷載,橫坐標(biāo)δ為板與柱界面的相對(duì)滑移.

(a)預(yù)應(yīng)力變化

(b)細(xì)石混凝土強(qiáng)度變化

(c)外加劑的影響

(d)灌縫材料存在與否的影響圖8 試件的荷載-相對(duì)滑移(P-δ)曲線Fig.8 Load-relative slip (P-δ) curve of specimens

從以上水平荷載-滑移曲線中可以看出：

1) 預(yù)應(yīng)力對(duì)板柱節(jié)點(diǎn)摩擦性能的影響.如圖8(a)所示.3個(gè)混凝土節(jié)點(diǎn)試件的接縫細(xì)石混凝土強(qiáng)度均為C40，均僅添加了早強(qiáng)劑，對(duì)應(yīng)預(yù)應(yīng)力分別為300,400和450 kN，對(duì)比PJ1，PJ3和PJ5三個(gè)試件可以看出，豎向預(yù)應(yīng)力越大，板柱結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)界面的摩擦力越大，但增幅變化不大，如PJ3比PJ1預(yù)應(yīng)力增加100 kN，摩擦力增幅為34.5%；例如PJ5比PJ3預(yù)應(yīng)力增量為50 kN時(shí)，摩擦力增幅為17.4%；當(dāng)預(yù)應(yīng)力從300 kN增加到450 kN時(shí)，摩擦力增幅為55.1%.

2)不同接縫處細(xì)石混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)摩擦節(jié)點(diǎn)摩擦性能的影響見(jiàn)圖8 (b).對(duì)比組為PJ2和PJ3的豎向模擬預(yù)壓力均為400 kN，接縫處細(xì)石混凝土均僅添加早強(qiáng)劑，接縫處細(xì)石混凝土強(qiáng)度分別為C30和C40.從圖中可以看出，水平荷載-滑移曲線的基本形式與第一個(gè)對(duì)比組(圖8(a))類似，接縫處細(xì)石混凝土的強(qiáng)度對(duì)混凝土摩擦節(jié)點(diǎn)的影響比較明顯，細(xì)石混凝土強(qiáng)度越大，開(kāi)始發(fā)生相對(duì)滑移時(shí)對(duì)應(yīng)的水平荷載越大，節(jié)點(diǎn)的摩擦性能越好，其摩擦力提高約9.8%.

3)外加劑(早強(qiáng)劑、膨脹劑)對(duì)于預(yù)應(yīng)力摩擦節(jié)點(diǎn)承載力的影響如圖8 (c)所示.對(duì)比組PJ3和PJ4試件的豎向模擬預(yù)應(yīng)力均為400 kN，接縫處細(xì)石混凝土強(qiáng)度均為C40，PJ3僅添加早強(qiáng)劑，PJ4除早強(qiáng)劑外還添加了膨脹劑.從圖中可以看出，添加了兩種外加劑的試件PJ4的節(jié)點(diǎn)摩擦力比沒(méi)有添加膨脹劑的試件PJ3有所增大，但是對(duì)于界面摩擦性能的提高不顯著，本試驗(yàn)中摩擦力僅提高3.3%.

4)灌縫材料存在與否對(duì)節(jié)點(diǎn)摩擦性能的影響如圖8(d)所示.選擇了PJ5和PJ6作為對(duì)比組.兩試件的豎向模擬預(yù)應(yīng)力均為450 kN，但是PJ5接縫處填有強(qiáng)度為C40的細(xì)石混凝土，并添加了早強(qiáng)劑，而PJ6為干拼接縫，混凝土預(yù)制板和柱直接接觸連接.從圖中可以看出，當(dāng)混凝土預(yù)制構(gòu)件接縫處為干拼即不添加任何灌縫材料的情況下，水平荷載很小(圖中僅為0.17Pu)時(shí)，混凝土板柱節(jié)點(diǎn)界面處就開(kāi)始出現(xiàn)相對(duì)水平滑移，節(jié)點(diǎn)所能承受的摩擦力顯著降低，與其他有灌縫細(xì)石混凝土的試件的水平滑移呈現(xiàn)瞬間增大的特點(diǎn)截然不同，這表明若不添加任何界面粘結(jié)材料時(shí)，混凝土預(yù)制板柱節(jié)點(diǎn)的摩擦性能較差，本試驗(yàn)中前者界面摩擦力僅為灌縫節(jié)點(diǎn)試件的70%.

根據(jù)摩擦力計(jì)算公式μ=Qm/Ny計(jì)算相應(yīng)試件的最大靜摩擦因數(shù)，本文選取混凝土板柱節(jié)點(diǎn)發(fā)生顯著滑移時(shí)刻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，所謂的顯著滑移時(shí)刻主要指構(gòu)件力-滑移曲線上力增量很小，但滑移量顯著增加的時(shí)刻點(diǎn)，每個(gè)試件的顯著滑移點(diǎn)是不一樣的，6個(gè)試件的顯著滑移時(shí)刻對(duì)應(yīng)的滑移值增量分別為：30.3%,26.77%,34.15%,27.78%,31.19%和20.53%.由此得到各個(gè)試件發(fā)生滑移的水平推力，用發(fā)生顯著滑移時(shí)刻前后的水平推力除以相應(yīng)的豎直預(yù)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，得到相應(yīng)試件的摩擦因數(shù).

6個(gè)預(yù)應(yīng)力板柱節(jié)點(diǎn)試件的最大靜摩擦因數(shù)如表4所示.本文的試驗(yàn)結(jié)果除了接縫處未澆筑細(xì)石混凝土的試件PJ6(μ=0.64)外，其余試件的最大靜摩擦因數(shù)均在0.85以上，遠(yuǎn)大于《整體預(yù)應(yīng)力裝配式板柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中所規(guī)定的μ=0.7.這表明預(yù)應(yīng)力板柱節(jié)點(diǎn)處界面摩擦性能較好,現(xiàn)行規(guī)程CECS 52:2010建議的摩擦因數(shù)具有較高的安全儲(chǔ)備.

表4各試件最大靜摩擦因數(shù)

Tab.4Maximumstaticfrictioncoefficientofspecimens

組別試件編號(hào)最大靜摩擦因數(shù)PJ10.881PJ30.90PJ50.912PJ20.82PJ30.903PJ30.90PJ40.934PJ50.91PJ60.64

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)4組6個(gè)預(yù)應(yīng)力板柱摩擦節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

1)在預(yù)應(yīng)力板柱節(jié)點(diǎn)承載力范圍內(nèi)，增大預(yù)應(yīng)力可以有效提高節(jié)點(diǎn)的摩擦性能.

2)預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)接縫處細(xì)石混凝土的存在對(duì)于節(jié)點(diǎn)的摩擦性能十分重要，接縫處澆筑有細(xì)石混凝土的節(jié)點(diǎn)性能要優(yōu)于沒(méi)有澆筑細(xì)石混凝土的節(jié)點(diǎn)試件，并且提高細(xì)石混凝土強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)提高節(jié)點(diǎn)的摩擦性能.

3)接縫處細(xì)石混凝土添加膨脹劑后，對(duì)增強(qiáng)預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的摩擦性能有一定作用，盡管作用不明顯，但是可以提高細(xì)石混凝土接縫的抗裂防水能力，建議在工程中適量添加.

4)試驗(yàn)證明當(dāng)接縫處澆筑細(xì)石混凝土?xí)r，截面最大靜摩擦因數(shù)均在0.85以上，這表明現(xiàn)行《整體預(yù)應(yīng)力裝配式板柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中提到的節(jié)點(diǎn)摩擦因數(shù)μ=0.7具有較高的安全儲(chǔ)備.今后仍需深入開(kāi)展節(jié)點(diǎn)界面摩擦動(dòng)力性能的相關(guān)試驗(yàn)研究，為相關(guān)規(guī)范的完善和修訂提供參考依據(jù).

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Experimental Study on Friction Performance of IntegralPrefabricated Prestressed Slab-column Joints

WU Lili1,2?，WANG Rui1,2，XIE Linghui1,2，JIA Lina1,2

(1.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining and Technology，Beijing 100083,China; 2. School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China)

The influences of cement-based material (such as fine aggregate concrete) strength，prestressing，additive admixture and other factors on the friction performances of the integral prefabricated prestressed slab-column joint structures were analyzed through experimental study on 6 joints. The difference between the slab column joints with and without fine stone concrete cement material was also compared. The results show that fine stone concrete at the slab column joints can significantly improve the friction performance. The friction performance was increased by more than 35% when compared with that of the joint specimen without filling materials. Cement material strength，prestress and additive admixture can affect the friction performance of the node to various degrees. When the cubic strength of the fine aggregate concrete increased from 30 MPa to 40 MPa，the friction performance at the joint interface increased by about 9.8%. When the prestress increased from 300 kN to 450 kN，the friction performance of the joint interface increased by around 55.1%. The expansion agent can also improve the friction performance of the joint interface，but the effects are just a little.

integral prefabricated；slab-column joints；friction performance；prestressing；additive admixture

TU392.4；TU317.1

A

1674-2974(2017)11-0046-09

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.11.006

2016-09-19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278488),National Natural Science Foundation of China(51278488)；煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題項(xiàng)目(SKLCRSM14KFB05),Open Projects of State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining ,China University of Mining (SKLCRSM14KFB05)；北京高等學(xué)校青年英才計(jì)劃項(xiàng)目(YETP0942)，Beijing Higher Education Young Elite Teacher Project(YETP0942)

吳麗麗(1977—)，女，江西南昌人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)副教授，博士生導(dǎo)師

?通訊聯(lián)系人，E-mail: jennywll@163.com