纖維增強(qiáng)混凝土連接的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)性能綜述

安曉鵬，李清海，武 斌

(1.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，綠色建材國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024； 2.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，中建材中巖科技有限公司，北京 100024)

0 引 言

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外有了廣泛的應(yīng)用，已成為建筑工業(yè)化的重要組成部分，且裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化程度高、施工速度快和環(huán)境影響小等優(yōu)勢(shì)正在逐步凸顯。近年來，我國(guó)正在以裝配式建筑為基礎(chǔ)，不斷地推動(dòng)建筑工業(yè)化的發(fā)展。2016年，我國(guó)頒布GB/T 51231—2016《裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]，對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和工程建造進(jìn)行了規(guī)范和引導(dǎo)，裝配式混凝土建筑的安全性也受到越來越多的關(guān)注。對(duì)于裝配式混凝土建筑，構(gòu)件之間的連接對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能的影響較大[2]，尤其是在地震荷載作用下，預(yù)制構(gòu)件連接處失效和破壞是引起建筑物整體倒塌的重要原因[3-4]。為了提升裝配式混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)性能，研究者提出了預(yù)應(yīng)力鋼絞線壓花錨連接[5]、節(jié)點(diǎn)區(qū)附加型鋼[6]、設(shè)置彎起鋼筋和焊接錨固板等方法。這些方法雖然能夠增強(qiáng)裝配式建筑的整體性能，但往往造成連接區(qū)域鋼筋擁擠、箍筋難以安裝等問題[7]。普通混凝土作為使用量最大的建筑材料，有滿足建筑需求的抗壓強(qiáng)度，但也存在抗拉性能較差和耗能高的問題，而纖維增強(qiáng)混凝土則表現(xiàn)出較高韌性，且在土木工程中已有廣泛的應(yīng)用。纖維增強(qiáng)混凝土在裝配式混凝土建筑中的研究和應(yīng)用也越來越多，使用纖維增強(qiáng)混凝土連接預(yù)制混凝土構(gòu)件可提高裝配式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)韌性，改變裝配式建筑破壞形式，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)承載力和抗震性能。

本文分別對(duì)普通纖維混凝土、超高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(ECC)和超高性能混凝土(UHPC)在連接的預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的承載力、開裂形式、破壞形式及剛度退化等性能的影響進(jìn)行了總結(jié)，有利于推動(dòng)纖維增強(qiáng)混凝土在裝配式建筑中進(jìn)一步研究和應(yīng)用。

1 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接研究進(jìn)展

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的性能與節(jié)點(diǎn)連接有直接的關(guān)系，尤其梁-柱連接在裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，節(jié)點(diǎn)連接不僅與建筑物局部受力、傳力行為相關(guān)，也對(duì)建筑物整體性能有較大的影響。理想的節(jié)點(diǎn)連接應(yīng)有效保證構(gòu)件之間荷載傳遞和限制構(gòu)件之間的相對(duì)位移，提升結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性[8]。20世紀(jì)60年代，波特蘭水泥協(xié)會(huì)(PCA)對(duì)預(yù)制裝配式混凝土節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，該研究涵蓋了預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的連續(xù)性、預(yù)制混凝土柱頂端承載力、梁-梁和梁-柱連接等主題[9-10]。20世紀(jì)80年代，PCA針對(duì)多種常用的梁-柱連接形式，研究了各種連接形式的剛度、強(qiáng)度和韌性等關(guān)鍵參數(shù)[11]。此后，美國(guó)和日本聯(lián)合對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行了研究[12]，并在實(shí)驗(yàn)和理論研究的基礎(chǔ)上，提出了裝配式結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)推薦準(zhǔn)則，同時(shí)，也在新材料應(yīng)用、裝配式工程技術(shù)等方面做了一定的研究[13]。該研究中，美國(guó)的研究者主要通過節(jié)點(diǎn)韌性連接方式提高預(yù)制構(gòu)件抗非彈性破壞能力，而日本研究者則側(cè)重于節(jié)點(diǎn)強(qiáng)連接。通常，梁-柱連接的設(shè)計(jì)應(yīng)避免節(jié)點(diǎn)處發(fā)生破壞，尤其是在地震高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，非線性破壞區(qū)域與柱之間的距離應(yīng)至少達(dá)到構(gòu)件深度的一半[14]。如新西蘭預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，要求通過相應(yīng)的承載力設(shè)計(jì)方法，以保證受彎屈服區(qū)域遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)區(qū)域。通過增強(qiáng)柱和節(jié)點(diǎn)的承載力，將受彎屈服控制在梁端塑性鉸區(qū)域，可有效提升結(jié)構(gòu)的抗震能力[15]。研究者通過在梁柱鋼筋端部焊接錨固板或設(shè)置彎起鋼筋的形式，提高節(jié)點(diǎn)處鋼筋的抗拔能力，從而增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)承載能力，使得梁塑性鉸向遠(yuǎn)離柱和節(jié)點(diǎn)的方向移動(dòng)[16-17]。但是，多數(shù)研究仍集中在加強(qiáng)配筋和增強(qiáng)鋼筋承載力的角度提升裝配式混凝土節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度，增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，研究者提出了通過改變和提升后澆連接處混凝土本身性能，移動(dòng)預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)塑性鉸位置的方法，提高結(jié)構(gòu)的承載能力。裝配式預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)梁-柱節(jié)點(diǎn)連接處使用纖維混凝土澆筑，如超高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(ECC)、高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(HPFRCC)、韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(DFRCC)、纖維增強(qiáng)混凝土(FRC)和超高性能混凝土(UHPC)等，可有效提高結(jié)構(gòu)抗震性能。

2 普通纖維增強(qiáng)混凝土

在混凝土中加入如鋼纖維、玻璃纖維、有機(jī)纖維和碳纖維等可提升混凝土抗拉強(qiáng)度和韌性。根據(jù)其纖維種類和混凝土性能差異，纖維混凝土現(xiàn)已分為較多的類別，本節(jié)中只針對(duì)以普通鋼纖維混凝土為主的常規(guī)性能纖維增強(qiáng)混凝土。Soubra等[18]研究了鋼纖維混凝土后澆梁-柱節(jié)點(diǎn)連接的預(yù)制混凝土梁-柱構(gòu)件的性能，結(jié)果表明，鋼纖維混凝土連接構(gòu)件承載力明顯高于普通混凝土連接構(gòu)件，且前者耗能是對(duì)照組10倍以上。研究者發(fā)現(xiàn)雖然鋼纖維混凝土后澆裝配式梁-柱構(gòu)件在新舊混凝土界面處容易產(chǎn)生裂縫，但構(gòu)件整體延性和耗能仍高于普通混凝土整體現(xiàn)澆構(gòu)件[19]。Abdul等[20]對(duì)比了抗壓強(qiáng)度均為50 MPa的普通混凝土和鋼纖維混凝土后澆的裝配式梁-柱節(jié)點(diǎn)性能，發(fā)現(xiàn)鋼纖維混凝土后澆構(gòu)件破壞后節(jié)點(diǎn)處裂縫明顯少于普通混凝土后澆構(gòu)件；在新舊混凝土界面處，普通混凝土后澆構(gòu)件裂縫寬度達(dá)到25 mm，而鋼纖維混凝土后澆構(gòu)件直至整體破壞時(shí)才出現(xiàn)裂縫。圖1為普通混凝土和鋼纖維混凝土后澆裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)破壞形式對(duì)比[21]，普通混凝土后澆節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)明顯的剪切破壞，而鋼纖維后澆節(jié)點(diǎn)只有少量裂縫，構(gòu)件在梁端發(fā)生破壞，鋼纖維混凝土有效地保護(hù)了梁柱核心區(qū)，對(duì)提高裝配式結(jié)構(gòu)抗震性能有較大正面效應(yīng)。

圖1 裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)破壞形式[21]Fig.1 Failure modes of precast concrete beam-column joint[21]

3 超高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(ECC)

超高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(ECC)是美國(guó)密歇根大學(xué)Victor Li及其團(tuán)隊(duì)基于材料微觀性能和細(xì)觀力學(xué)原理設(shè)計(jì)的新型水泥基材料，該材料具有高拉伸應(yīng)變-硬化能力，改變了傳統(tǒng)水泥基材料拉應(yīng)力作用下單裂紋開裂的模式，具有極高的斷裂能，且達(dá)到極限荷載時(shí)，裂縫寬度低于100 μm。通常，ECC 的極限拉應(yīng)變?yōu)?%～7%，抗拉強(qiáng)度約4～6 MPa，此外，ECC 具有較好的工作性能[22-23]。ECC優(yōu)異的抗拉性能主要是通過摻入較高長(zhǎng)細(xì)比的聚合物纖維實(shí)現(xiàn)的，常用的纖維有聚乙烯醇纖維(PVA)、聚乙烯纖維(PE)和聚丙烯纖維(PP)。國(guó)內(nèi)外對(duì)ECC連接混凝土裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)方面進(jìn)行了研究，與普通混凝土相比，采用ECC澆筑混凝土裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)能顯著提高結(jié)構(gòu)整體的極限承載能力和極限位移[24-25]。同時(shí)，采用不同纖維配制的ECC均對(duì)混凝土裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)有明顯的增強(qiáng)作用，相關(guān)研究表明，ECC-PE澆筑梁-柱節(jié)點(diǎn)可提高結(jié)構(gòu)耗能能力[26]；ECC-PVA澆筑梁-柱節(jié)點(diǎn)能夠提高結(jié)構(gòu)抗震性能，提升極限承載力、延性和剪切強(qiáng)度[25]；ECC-PP澆筑梁-柱節(jié)點(diǎn)能夠替代節(jié)點(diǎn)處部分鋼筋的彎起構(gòu)造[27]。除ECC自身的良好韌性和多裂縫發(fā)展特性外，纖維的摻入降低了鋼筋拔出過程中混凝土基體的破壞程度，使得ECC與鋼筋之間的粘結(jié)性能優(yōu)于普通混凝土[28-29]，這也會(huì)增強(qiáng)ECC澆筑的混凝土裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的承載能力。

3.1 裂縫和破壞形式

研究者對(duì)ECC澆筑的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)梁-柱節(jié)點(diǎn)的裂縫和破壞形式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，梁柱框架在達(dá)到極限承載力后呈塑性破壞形式，主要破壞區(qū)域集中在梁端的塑性鉸位置，其破壞機(jī)制滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”“強(qiáng)柱弱梁“的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總則。Gou等[30]對(duì)比了普通混凝土整體現(xiàn)澆、普通混凝土后澆梁-柱節(jié)點(diǎn)和低收縮ECC后澆梁-柱節(jié)點(diǎn)在循環(huán)荷載作用下的性能差異，結(jié)果顯示，普通混凝土后澆梁-柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)件提前出現(xiàn)首條裂縫，且首條裂縫出現(xiàn)時(shí)荷載僅為整體現(xiàn)澆構(gòu)件的1/2，但低收縮ECC后澆梁-柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)件首條裂縫出現(xiàn)時(shí)的荷載與整體現(xiàn)澆構(gòu)件一致。此外，該研究還對(duì)比了不同鋼筋構(gòu)造形式的ECC后澆節(jié)點(diǎn)性能，結(jié)果顯示，鋼筋構(gòu)造形式對(duì)首條裂縫出現(xiàn)荷載的影響較小，這表明ECC后澆節(jié)點(diǎn)能保證與整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)一致的性能，無須額外增加配筋或改變端部鋼筋錨固形式。同時(shí)，ECC后澆節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的首條斜向剪切裂縫出現(xiàn)時(shí)荷載明顯高于普通混凝土后澆節(jié)點(diǎn)構(gòu)件。Choi等[6]設(shè)計(jì)了一種通過在梁-柱節(jié)點(diǎn)處設(shè)置方型鋼加強(qiáng)并采用ECC后澆的預(yù)制混凝土梁-柱節(jié)點(diǎn)連接形式，與整體現(xiàn)澆混凝土梁-柱構(gòu)件節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生斜向剪切裂縫不同，其裂縫主要集中在遠(yuǎn)離梁-柱節(jié)點(diǎn)的塑性鉸區(qū)域，隨著荷載的增大，裂縫區(qū)域向節(jié)點(diǎn)處擴(kuò)張，同時(shí)裂縫寬度明顯低于現(xiàn)澆構(gòu)件；同時(shí)，Choi等還比較了ECC不同后澆長(zhǎng)度對(duì)梁-柱的影響，結(jié)果表明，縮短后澆混凝土長(zhǎng)度引起塑性鉸區(qū)域向梁-柱節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，但同等后澆長(zhǎng)度情況下，梁端部設(shè)置彎起鋼筋會(huì)在一定程度上阻止塑性鉸區(qū)域向梁-柱節(jié)點(diǎn)移動(dòng)。Lu等[24]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)位移角為1%時(shí)，后澆ECC與預(yù)制混凝土界面處出現(xiàn)可見裂縫，但隨著荷載的增加裂縫寬度未見明顯增大，作者認(rèn)為該裂縫是由后澆ECC與預(yù)制混凝土彈性模量的差異引起，并不是界面連接失效引起。此外，ECC后澆構(gòu)件表現(xiàn)為多裂縫開裂形式，且裂縫寬度明顯小于普通混凝土后澆構(gòu)件[31]，產(chǎn)生裂縫后纖維的連接作用產(chǎn)生了積極的作用。圖2(a)、(b)分別為普通混凝土和ECC后澆試件最終破壞形式，在節(jié)點(diǎn)鋼筋布置一致的情況下，普通混凝土后澆構(gòu)件為典型的梁-柱節(jié)點(diǎn)剪切破壞，而ECC后澆構(gòu)件為梁端部開裂破壞，且未見明顯的混凝土壓碎的現(xiàn)象。

圖2 普通混凝土和ECC后澆裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)破壞形式[30]Fig.2 Failure modes of precast concrete beam-column joint[30]

綜上所述，ECC后澆的預(yù)制混凝土構(gòu)件在首條裂縫出現(xiàn)時(shí)荷載與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)一致，優(yōu)于普通混凝土后澆的梁-柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)件；ECC后澆的預(yù)制混凝土構(gòu)件在荷載作用下，裂縫主要出現(xiàn)區(qū)域遠(yuǎn)離梁-柱節(jié)點(diǎn)連接處，節(jié)點(diǎn)處以微裂縫為主；達(dá)到極限荷載時(shí)，ECC后澆構(gòu)件為梁端塑性破壞，避免了節(jié)點(diǎn)處剪切破壞的不利狀況的發(fā)生。

3.2 承載力和滯回特性

滯回曲線是循環(huán)作用下的荷載-位移曲線，反映構(gòu)件反復(fù)力作用下的變形特征、剛度退化和能量消耗等特征。采用ECC現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)連接的混凝土構(gòu)件的滯回曲線較整體普通混凝土現(xiàn)澆構(gòu)件，往往更飽滿，即同等抗壓強(qiáng)度時(shí)，ECC現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)構(gòu)件具有較大的極限承載力和變形能力[32]。當(dāng)梁-柱構(gòu)件達(dá)到最大荷載后，采用ECC澆筑節(jié)點(diǎn)的構(gòu)件承載力峰值退化速率低于普通混凝土構(gòu)件[33]。與ECC取代普通混凝土澆筑梁-柱節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)澆構(gòu)件相比，預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)使用ECC后澆節(jié)點(diǎn)也同樣對(duì)構(gòu)件極限承載力和變形能力有正面效應(yīng)。研究者對(duì)比了ECC節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)澆梁-柱構(gòu)件和ECC后澆節(jié)點(diǎn)的裝配式構(gòu)件在循環(huán)荷載作用下的性能表現(xiàn)，結(jié)果顯示，當(dāng)達(dá)到極限承載力后，隨著位移角的增大，現(xiàn)澆構(gòu)件承載力沒有明顯的降低，而后澆ECC預(yù)制構(gòu)件承載力略有降低，同時(shí)，不同的節(jié)點(diǎn)鋼筋布置形式對(duì)ECC后澆梁-柱構(gòu)件在彈性階段和荷載峰值的影響較小[34]，此外，增大梁-柱節(jié)點(diǎn)處ECC澆筑區(qū)域?qū)︻A(yù)制混凝土梁柱構(gòu)件極限承載力的影響較小，但明顯增強(qiáng)構(gòu)件的韌性和變形能力[6]。圖3為Xu等[31]通過對(duì)比試驗(yàn)得到的不同澆筑形式、材料的梁-柱構(gòu)件滯回曲線和骨架曲線，從圖中可知，ECC后澆節(jié)點(diǎn)能夠使裝配式梁-柱構(gòu)件滯回曲線更飽滿、穩(wěn)定，優(yōu)于圖2(b)中普通混凝土后澆節(jié)點(diǎn)構(gòu)件；但裝配式梁-柱構(gòu)件反向承載力較現(xiàn)澆構(gòu)件明顯降低，這與相關(guān)研究結(jié)果一致[34]，反向極限承載力下降約10%。由此可知，ECC后澆裝配式梁-柱體系整體承載力和變形能力能夠與現(xiàn)澆混凝土體系保持一致的性能，但反向荷載承載能力較現(xiàn)澆體系有所下降。

3.3 承載力/剛度退化

結(jié)構(gòu)承載力和剛度的退化性能關(guān)系到建筑結(jié)構(gòu)受較大荷載(如地震荷載等)作用后，是否仍能不發(fā)生倒塌，其對(duì)結(jié)構(gòu)安全性能的影響較大[35]。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中也對(duì)該性能做了具體的要求，如美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)ACI T1.1-01中推薦，當(dāng)位移角達(dá)到3.5%后，承載力應(yīng)高于初始承載力的75%。實(shí)驗(yàn)研究表明，ECC后澆節(jié)點(diǎn)的預(yù)制混凝土裝配式梁-柱構(gòu)件均能達(dá)到上述要求，且該比例往往高于85%[6,31]，同時(shí)，ECC后澆構(gòu)件承載力退化低于同樣構(gòu)造的普通混凝土后澆構(gòu)件。相同強(qiáng)度的ECC與普通混凝土相比，受同樣荷載作用后，ECC的殘余抗壓強(qiáng)度高于普通混凝土[36]，且在循環(huán)荷載的加載過程中，ECC后澆節(jié)點(diǎn)構(gòu)件承載力退化速率明顯低于普通混凝土現(xiàn)構(gòu)件[6]，此外，ECC基體與鋼筋之間較強(qiáng)的粘結(jié)力也對(duì)此有一定的影響[37]。由于ECC的彈性模量通常低于普通混凝土，則ECC后澆節(jié)點(diǎn)的裝配式梁-柱構(gòu)件的初始剛度往往低于現(xiàn)澆混凝土以及普通裝配式構(gòu)件，此外，ECC和預(yù)制混凝土界面粘結(jié)狀況是否對(duì)裝配式構(gòu)件初始剛度有影響并不明確。然而，ECC的應(yīng)變硬化特性使得ECC后澆構(gòu)件剛度退化速率低于普通構(gòu)件[6]，當(dāng)構(gòu)件位移角達(dá)到3%時(shí)，ECC后澆節(jié)點(diǎn)構(gòu)件剛度高于普通裝配式構(gòu)件和現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件。

因此，ECC后澆梁-柱節(jié)點(diǎn)可有效降低結(jié)構(gòu)經(jīng)受較強(qiáng)地震荷載作用時(shí)倒塌的風(fēng)險(xiǎn)，提高裝配式預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能，但是，ECC材料組成、細(xì)觀性能與構(gòu)件宏觀性能的關(guān)系及影響機(jī)理研究較少。

圖3 不同澆筑形式、材料的梁-柱構(gòu)件滯回曲線和骨架曲線[31]Fig.3 Hysteretic and envelop curves for different cast type and materials[31]

4 超高性能混凝土(UHPC)

20世紀(jì)90年代，Richard 等[37]使用水泥、硅灰、石英砂粉、纖維和減水劑等原材料，在較低水灰比的狀況下，配制形成了活性粉末混凝土(RPC)，該混凝土有較高的抗壓強(qiáng)度。Larrard 等[38]在活性粉末混凝土的基礎(chǔ)上，采用最緊密堆積原則進(jìn)行配比優(yōu)化設(shè)計(jì)，并首先提出了超高性能混凝土(UHPC)的概念，但仍需對(duì)其進(jìn)行高溫養(yǎng)護(hù)。由于受生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)能耗等因素的限制，UHPC在當(dāng)時(shí)并未實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的應(yīng)用[39]。隨著相關(guān)研究的深入，使用常規(guī)原材料和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，已能夠?qū)崿F(xiàn)超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度高于120 MPa的要求，生產(chǎn)成本得到進(jìn)一步降低[40-41]。目前，超高性能混凝土在橋梁工程[42]、道路工程[43]、建筑工程[44]和加固修復(fù)工程[45]等已經(jīng)得到較廣泛地應(yīng)用。超高性能混凝土(UHPC)抗壓強(qiáng)度通常為120～200 MPa，最高可達(dá)800 MPa，抗拉強(qiáng)度為6～10 MPa，彈性模量為40～70 GPa，其破壞形式與普通鋼纖維混凝土類似，但當(dāng)達(dá)到荷載峰值時(shí)仍有較大的抗彎承載力，此外，UHPC的韌性遠(yuǎn)大于普通混凝土[46]。

近年來，UHPC后澆連接預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用主要集中在預(yù)制橋梁方面。Grace 等[47]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，UHPC后澆連接的預(yù)制混凝土T型梁破壞時(shí)，T型梁翼緣混凝土壓碎，而UHPC節(jié)點(diǎn)及界面未發(fā)現(xiàn)明顯的破壞，相關(guān)研究同樣表明，UHPC后澆連接的預(yù)制混凝土橋梁極限承載力取決于預(yù)制混凝土構(gòu)件而非后澆節(jié)點(diǎn)[48]。同時(shí)，采用UHPC連接預(yù)制橋梁構(gòu)件時(shí)，對(duì)連接處鋼筋搭接長(zhǎng)度要求有所較低，Graybeal等[49]報(bào)道鋼筋搭接長(zhǎng)度為150 mm時(shí)，UHPC連接的預(yù)制構(gòu)件能夠滿足設(shè)計(jì)承載力要求，Arafa等[50]研究結(jié)果顯示，當(dāng)鋼筋搭接長(zhǎng)度為200 mm時(shí)，構(gòu)件最終破壞部位為預(yù)制混凝土部分。Maya 等[51]研究了UHPC后澆連接的預(yù)制箱梁橋在不同鋼筋搭接長(zhǎng)度(40/50倍鋼筋直徑)狀況下的性能，結(jié)果顯示，預(yù)制箱梁的破壞形式均為梁上表面混凝土壓碎，且跨中位移均高于整體預(yù)應(yīng)力梁橋承載力計(jì)算值；同時(shí)，雖然UHPC后澆連接箱梁橋的初始抗彎剛度低于整體預(yù)應(yīng)力梁橋，但前者抗彎剛度隨荷載增大的降低速率較低。UHPC后澆部分通常無可見裂縫，但新舊混凝土界面處及界面附近的預(yù)制混凝土部分往往為主要裂縫出現(xiàn)區(qū)域[42,52]，因此，為了更好地發(fā)揮UHPC后澆連接的優(yōu)勢(shì)，宜通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)加強(qiáng)應(yīng)力向UHPC后澆區(qū)域傳遞。

除預(yù)制橋梁外，科研人員對(duì)UHPC連接預(yù)制框架結(jié)構(gòu)方面也有一些研究。UHPC連接的預(yù)制混凝土抗彎性能與現(xiàn)澆混凝土梁相似，且明顯優(yōu)于普通混凝土連接的預(yù)制梁。馮軍驍?shù)萚53]對(duì)比了受拉鋼筋搭接長(zhǎng)度分別為10D、15D、20D、25D、30D和35D(D為受拉鋼筋直徑)時(shí)裝配式梁的受彎性能，結(jié)果顯示，受拉鋼筋搭接長(zhǎng)度對(duì)裝配梁的極限承載力和裂縫開展形式的影響較小，且承載力均大于設(shè)計(jì)值的1.3倍；UHPC后澆段均未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，新舊混凝土界面開裂現(xiàn)象較為明顯。同時(shí)，受拉鋼筋搭接長(zhǎng)度為10D時(shí)，承載力和變形能力已達(dá)到與現(xiàn)澆混凝土一致的水平，該搭接長(zhǎng)度明顯低于ACI-318-11[54]、MC-2010[55]和EHE-08[56]中關(guān)于鋼筋搭接長(zhǎng)度推薦值。由此可見，使用UHPC連接裝配式構(gòu)件可大幅度降低鋼筋搭接長(zhǎng)度，減少裝配式建筑中現(xiàn)澆混凝土量，提高裝配率。Maya等[57]對(duì)比了受拉鋼筋搭接長(zhǎng)度分別為10D、15D和20D(D為受拉鋼筋直徑)時(shí)，UHPC連接裝配梁的破壞形式，結(jié)果顯示，當(dāng)鋼筋搭接長(zhǎng)度為10D，裝配梁為劈裂破壞；當(dāng)鋼筋搭接長(zhǎng)度為15D時(shí)，裝配梁為復(fù)合破壞，即側(cè)面劈裂破壞前受拉鋼筋基本屈服；當(dāng)鋼筋搭接長(zhǎng)度為20D時(shí)，裝配梁為延性破壞，梁上表面混凝土壓碎。因此，受拉鋼筋搭接長(zhǎng)度較短時(shí)，雖然能夠保證裝配梁的承載力，但是適當(dāng)延長(zhǎng)鋼筋搭接長(zhǎng)度對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能有正面影響，同時(shí)，該研究中最大搭接長(zhǎng)度20D仍遠(yuǎn)低于相關(guān)規(guī)范中的推薦值。圖4為裝配梁UHPC后澆段及其附近在受拉面的混凝土形變分布[57]，可以看出，UHPC后澆段形變較小且大小基本一致，而新舊混凝土界面處形變最大，因此，與預(yù)制混凝土梁橋一致[42,52]，提升新舊混凝土界面粘結(jié)力和加強(qiáng)應(yīng)力向UHPC后澆區(qū)域傳遞為UHPC后澆裝配式建筑中應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)。

圖4 裝配梁受拉面混凝土形變[57]Fig.4 Deformations at the tensile chord of precast concrete beam[57]

UHPC后澆連接預(yù)制混凝土梁柱方面的研究相對(duì)較少，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，當(dāng)后澆段設(shè)在梁端，而梁柱節(jié)點(diǎn)為預(yù)制混凝土?xí)r，承載力與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)表現(xiàn)一致，但破壞形式為梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域剪切破壞[58]；當(dāng)后澆段為梁柱節(jié)點(diǎn)時(shí)，當(dāng)達(dá)到極限承載力時(shí)，梁端出現(xiàn)塑性鉸，后澆UHPC梁柱節(jié)點(diǎn)即新舊混凝土界面未發(fā)生明顯破壞[59]。

綜上所述，UHPC連接的預(yù)制混凝土裝配式結(jié)構(gòu)，可達(dá)到與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)一致的承載力，且可較大程度降低受拉鋼筋搭接長(zhǎng)度要求，但適當(dāng)延長(zhǎng)鋼筋搭接長(zhǎng)度和后澆段長(zhǎng)度，可有效提升裝配梁的跨中極限位移，優(yōu)化破壞形式；對(duì)于裝配式框架結(jié)構(gòu)，后澆段宜設(shè)在梁柱節(jié)點(diǎn)處，有利于提升結(jié)構(gòu)抗震性能；新舊混凝土界面及界面附近預(yù)制混凝土區(qū)域是構(gòu)件破壞時(shí)裂縫集中區(qū)域，提升UHPC與普通混凝土粘結(jié)力可有效提升結(jié)構(gòu)整體受力性能。

5 結(jié) 論

(1)普通纖維增強(qiáng)混凝土連接的梁柱構(gòu)件整體承載力、延性和耗能優(yōu)于普通混凝土連接的構(gòu)件，達(dá)到極限荷載時(shí)，梁端形成塑性鉸，梁柱核心區(qū)只有少量裂縫。

(2)ECC連接的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)極限承載力與現(xiàn)澆構(gòu)件一致或優(yōu)于現(xiàn)澆構(gòu)件。首條裂縫出現(xiàn)在新舊混凝土界面，但界面裂縫往往并不是主裂縫，構(gòu)件呈多裂縫破壞模式；ECC連接的裝配式結(jié)構(gòu)初始剛度低于普通混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，但剛度退化率較低；ECC后澆連接節(jié)點(diǎn)可避免預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)剪切破壞。

(3)UHPC連接的裝配式結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)，UHPC部分幾乎無明顯裂縫產(chǎn)生，主要破壞區(qū)域?yàn)樾屡f混凝土界面及界面附近預(yù)制混凝土部分；使用UHPC后澆連接預(yù)制混凝土構(gòu)件，可較大程度縮短連接處鋼筋搭接長(zhǎng)度和后澆段長(zhǎng)度。