基于UHPC連接的裝配式墻體結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)研究

夏鑫磊 盧辰 許大鵬 宣鋒

上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 200082

引言

近年來(lái)，裝配式結(jié)構(gòu)在民建和橋梁等領(lǐng)域發(fā)展迅速［1］，有大量的研究和應(yīng)用案例［2］，而對(duì)于地下結(jié)構(gòu)，尤其地下構(gòu)筑物而言，應(yīng)用相對(duì)較少，采用的技術(shù)方案接近20 世紀(jì)90年代的裝配式方案。隨著國(guó)家政策的支持［3］，綠色施工和人員要求的提高，地下結(jié)構(gòu)采用裝配式建造的需求逐漸提高，因此有必要針對(duì)地下結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，研究適用的裝配式方案，滿(mǎn)足地下結(jié)構(gòu)特殊的受力模式和較高的防水要求。

超高性能混凝土（UHPC）是一種新型的水泥基材料，其擁有高強(qiáng)度、高韌性、低孔隙率的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)已出臺(tái)了對(duì)應(yīng)的材料試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（征求意見(jiàn)稿）。相關(guān)研究表明鋼筋在UHPC 中錨固長(zhǎng)度達(dá)到10 倍鋼筋直徑時(shí)可滿(mǎn)足要求［4］，該特性與采用濕法連接的裝配式混凝土構(gòu)件相匹配，且相較于傳統(tǒng)的連接技術(shù)，UHPC 連接具有后澆帶更窄、連接更可靠、布置更靈活等優(yōu)勢(shì)。為了在地下工程構(gòu)筑物中推進(jìn)裝配式應(yīng)用，掌握基于UHPC連接的裝配式墻體結(jié)構(gòu)性能，本文結(jié)合實(shí)際工程，對(duì)基于UHPC連接的裝配式墻體進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 裝配式墻體設(shè)計(jì)方案

1.1 裝配式墻體結(jié)構(gòu)形式

地下構(gòu)筑物墻體的受力模式主要以面外受彎為主，本次試驗(yàn)采用懸臂受力的基于UHPC 連接裝配式墻體試件Ⅰ，試件Ⅰ由預(yù)制普通混凝土墻板、預(yù)制墻體內(nèi)鋼筋籠、現(xiàn)澆普通混凝土底板、現(xiàn)澆底板豎向預(yù)留鋼筋和后澆筑UHPC 五個(gè)部分組成。為了對(duì)比裝配式墻體和現(xiàn)澆墻體的結(jié)構(gòu)性能，本次試驗(yàn)澆筑了現(xiàn)澆試件Ⅱ，試件Ⅱ尺寸和配筋與試件Ⅰ一致，采用整體澆筑，兩組試件寬度均為1m。圖1 為本次試件的結(jié)構(gòu)尺寸和配筋構(gòu)造，表1 為對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖1 試件結(jié)構(gòu)形式（單位： mm）Fig.1 Form of parameters（unit：mm）

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Parameters of specimens

作為地下結(jié)構(gòu)墻體，考慮結(jié)構(gòu)受力和防水要求，分別對(duì)試件Ⅰ中預(yù)制構(gòu)件的混凝土表面和現(xiàn)澆混凝土底板與UHPC 結(jié)合面進(jìn)行了6mm 高差的鑿毛處理?？紤]規(guī)范［5］中對(duì)預(yù)制墻體拼縫的要求，對(duì)預(yù)制墻板與UHPC結(jié)合處采用了剪力鍵的設(shè)計(jì)，而底板結(jié)合處則采用平面設(shè)計(jì)來(lái)形成對(duì)比，以驗(yàn)證剪力鍵設(shè)計(jì)的必要性。

1.2 試件制作和材料參數(shù)

圖2 為試件預(yù)制部分的制作過(guò)程，在預(yù)制構(gòu)件廠(chǎng)進(jìn)行預(yù)制墻體的制作，并預(yù)埋應(yīng)變測(cè)試設(shè)備，本次試驗(yàn)采用分布式傳感光纖傳感技術(shù)進(jìn)行鋼筋的應(yīng)變監(jiān)測(cè)。同期在水廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行底板的澆筑和鋼筋的預(yù)留。在水廠(chǎng)進(jìn)行試件安裝，二次支模以及澆筑UHPC，待UHPC 養(yǎng)護(hù)完成后開(kāi)展加載試驗(yàn)，同期進(jìn)行了混凝土、鋼筋、UHPC 的材料試驗(yàn)，結(jié)果如表2 ～表4 所示。

圖2 預(yù)制構(gòu)件的制作Fig.2 Fabrication of prefabricated parts

表2 混凝土參數(shù)Tab.2 Parameters of concrete

表3 鋼筋參數(shù)Tab.3 Parameters of steel

表4 UHPC參數(shù)Tab.4 Parameters of UHPC

2 試驗(yàn)方案及過(guò)程

2.1 試驗(yàn)方案

圖3 顯示了本次試驗(yàn)的加載方案，測(cè)試采用懸臂受力的加載方式，在反力墻的支撐下，荷載由液壓千斤頂提供，并通過(guò)工字鋼分配梁使荷載轉(zhuǎn)換為線(xiàn)性荷載，且在分配梁和試件之間加入一塊1.0m×0.3m ×0.02m 的木襯墊，使荷載更均勻傳遞從而減少試件受到的局壓。各點(diǎn)所受到的彎矩值以及試件在完全彈性條件下的撓度和考慮混凝土塑性條件下的撓度參考值可分別按照彈性力學(xué)的方法進(jìn)行計(jì)算得到。

圖3 懸臂加載方案Fig.3 Cantilever loading scheme

試件采用靜力分級(jí)加載，加載制度的制定依據(jù)相應(yīng)規(guī)范［8］進(jìn)行，加載示意見(jiàn)圖4，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表5（以現(xiàn)澆試件計(jì)算的結(jié)構(gòu)性能檢測(cè)參數(shù)），考慮實(shí)際加載時(shí)穩(wěn)定載荷與各級(jí)載荷有一定的差值，最終記錄以穩(wěn)定時(shí)的加載值為準(zhǔn)。試驗(yàn)過(guò)程記錄的靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括荷載、試件位移和鋼筋應(yīng)變。如圖3 所示，荷載由置于千斤頂和反力墻上的壓力傳感器提供，試件位移由五組間距400mm的百分表提供。鋼筋應(yīng)變由提前埋置于預(yù)制構(gòu)件中的分布式光纖傳感通過(guò)采集儀記錄，光纖傳感器分辨率為5mm，誤差為±10με。

表5 試驗(yàn)檢測(cè)參數(shù)Tab.5 Test detection parameters

圖4 加載示意Fig.4 Loading diagram

本次試驗(yàn)中，截面O 為加載截面，有3 個(gè)截面為重點(diǎn)考察的破壞控制截面：截面A 為預(yù)制墻體和UHPC 連接截面，進(jìn)行了鑿毛處理；截面B 為現(xiàn)澆底板翻口和UHPC 的連接截面，未進(jìn)行鑿毛處理；截面C 為懸臂試件根部截面，為受力最大的位置。在彈性條件下，三處截面的彎矩值與荷載F 的關(guān)系為：MA＝1.5F，MB＝1.85F，MC＝2.0F。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象分析

圖5 為兩組試件的裂縫分布情況，圖6 為卸載后兩組試件的情況。對(duì)于試件Ⅰ，混凝土開(kāi)裂首先發(fā)生在A 截面上方；隨著荷載增大，在A、B兩處截面均發(fā)生了開(kāi)裂，同時(shí)在首道裂縫上方有新裂縫產(chǎn)生；當(dāng)荷載進(jìn)一步增大，現(xiàn)有裂縫向受壓區(qū)發(fā)展，主裂縫位于根部C 截面上方5mm 處；在達(dá)到極限承載力110kN 時(shí)，裂縫寬度為1.2mm，此時(shí)O 截面位移為32.10mm。對(duì)于試件Ⅱ，混凝土開(kāi)裂首先位于B截面上方；隨著荷載增大，在首道裂縫上方陸續(xù)出現(xiàn)裂縫，分布均勻并不斷發(fā)展；荷載進(jìn)一步增大，主裂縫位于根部C截面，達(dá)到極限承載力80kN時(shí)，裂縫寬度約為1.5mm（與底板交界，裂縫寬度離散型較大，此處表示平均寬度），O 截面位移為47.41mm。

圖5 裂縫分布Fig.5 Crack distribution

圖6 試件卸載后情況Fig.6 Specimen after unloading

對(duì)比A、B兩處截面可知，不論是否對(duì)表面進(jìn)行鑿毛處理，試件Ⅰ的開(kāi)裂位置并未出現(xiàn)在預(yù)制混凝土和后澆筑UHPC的界面處，且達(dá)到極限承載力時(shí)，主裂縫位于C截面附近，界面處開(kāi)裂并未明顯發(fā)展，表明UHPC與先澆混凝土的粘結(jié)可靠，界面抗拉強(qiáng)度高于普通混凝土的抗拉強(qiáng)度，沒(méi)有對(duì)該裝配式連接節(jié)點(diǎn)造成削弱。從兩組試件的試驗(yàn)情況可知，兩組試件在外荷載作用下的整體表現(xiàn)和失效模式基本一致，但試件Ⅰ的承載力和相同外荷載下的抗變形能力均高于試件Ⅱ，UHPC作為連接材料，在加載過(guò)程中均未發(fā)生開(kāi)裂，表明能保證采用該連接方式的裝配式試件力學(xué)性能不低于現(xiàn)澆試件，同時(shí)也說(shuō)明了試件Ⅰ中普通鋼筋在UHPC中的錨固具有可靠性。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

從試驗(yàn)現(xiàn)象可知，兩組試件均保持了良好的整體性能，但承載性能和變形能力存在一定的區(qū)別，為了進(jìn)一步摸清裝配式墻體的受力特點(diǎn)，通過(guò)埋設(shè)在預(yù)制墻板內(nèi)的分布式光纖測(cè)得的應(yīng)變和位移計(jì)測(cè)得的位移進(jìn)行分析。

3.1 荷載-應(yīng)變關(guān)系

圖7 為試件Ⅰ中受拉鋼筋和受壓鋼筋的應(yīng)變值沿截面高度隨荷載變化的分布曲線(xiàn)。圖中：（1）截面高度0m 處對(duì)應(yīng)試件O 截面，O 截面以下取正值；（2）本次采用的分布式光纖測(cè)量精度為5cm，即每一處測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變?yōu)樵擖c(diǎn)沿光纖前后2.5cm應(yīng)變的平均值。從圖中可以看出，曲線(xiàn)的整體趨勢(shì)接近懸臂構(gòu)件應(yīng)變分布規(guī)律，拉、壓鋼筋的應(yīng)變分別在預(yù)制構(gòu)件、UHPC、底板上翻口部分沿截面高度均勻變化，但在相互交接的位置有明顯的轉(zhuǎn)折，受拉鋼筋的應(yīng)變變化較為明顯。在試件受彎過(guò)程中，普通混凝土開(kāi)裂后受拉區(qū)的應(yīng)力大部分由鋼筋承擔(dān)，由于UHPC 的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于普通混凝土的抗拉強(qiáng)度，此時(shí)UHPC 段內(nèi)受拉區(qū)的應(yīng)力由UHPC和鋼筋共同承擔(dān)，即直觀表現(xiàn)為UHPC 段內(nèi)鋼筋的受拉應(yīng)變有大幅的減少。而對(duì)于受壓區(qū)，混凝土和受壓鋼筋在試件失效前均處于共同工作的狀態(tài)，雖然UHPC 的彈性模量高于普通混凝土，但整體的應(yīng)變變化趨勢(shì)相較受拉區(qū)平緩。

圖7 鋼筋應(yīng)變分布Fig.7 Strain distribution of steel bars

3.2 荷載-位移關(guān)系

圖8 為兩組試件各截面的水平位移值沿截面高度隨荷載變化的分布曲線(xiàn)。可以看出，兩組試件位移變化均勻，整體趨勢(shì)一致，符合懸臂構(gòu)件的位移變化規(guī)律。試件Ⅰ的整體剛度較試件Ⅱ在彈性階段高出約50%，極限承載力高出約35%。試件Ⅰ的位移值在截面高度1.6m處，曲線(xiàn)出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折，1.6m 處截面位于UHPC和和預(yù)制混凝土交接面下部50mm處，表明UHPC段的剛度高于預(yù)制段，兩者剛度之比約為2.20，與UHPC與普通混凝土彈性模量比值2.31 對(duì)應(yīng)。由此可見(jiàn)試件Ⅰ剛度提高的來(lái)源為根部UHPC 段剛度的提高，使試件的水平位移減少，預(yù)制段與現(xiàn)澆混凝土的結(jié)構(gòu)響應(yīng)基本一致。

圖8 水平位移分布Fig.8 Distribution of horizontal displacement of specimen

圖9 為兩組試件在截面O 處的水平位移隨荷載的變化曲線(xiàn)。文獻(xiàn)［9］指出，對(duì)于裝配式受彎構(gòu)件而言，界面的失效會(huì)導(dǎo)致裝配式受彎構(gòu)件在原有撓曲的基礎(chǔ)上發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使其產(chǎn)生的撓度大于整澆試件的撓度，且粘結(jié)的失效會(huì)使位移曲線(xiàn)發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折。從本次試件的曲線(xiàn)可以看出，試件Ⅰ在受荷過(guò)程中，位移曲線(xiàn)從彈性階段到屈服階段均沒(méi)有發(fā)生明顯剛度和位移突變，表明預(yù)制構(gòu)件和UHPC 界面的粘結(jié)具有可靠性。

圖9 截面O 處荷載-位移曲線(xiàn)Fig.9 Load-displacement curve at section O

4 受彎設(shè)計(jì)方法

試驗(yàn)過(guò)程表明接縫界面有良好的粘結(jié)性能，可假定試件受彎變形后滿(mǎn)足平截面假定，從而可在普通混凝土受彎構(gòu)件的基礎(chǔ)上推導(dǎo)該類(lèi)裝配式構(gòu)件的受彎計(jì)算方法。在設(shè)計(jì)計(jì)算中，預(yù)制區(qū)段內(nèi)受彎截面可按普通混凝土構(gòu)件計(jì)算，UHPC 區(qū)段可按考慮UHPC為理想彈塑性材料的受彎截面計(jì)算。圖10、圖11 分別為正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)下，預(yù)制段和UHPC 段的應(yīng)變分布。在正常使用極限狀態(tài)下，考慮普通混凝土極限拉應(yīng)變?yōu)榘磸椥杂?jì)算峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)應(yīng)變的2倍（簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)，也可不考慮普通混凝土對(duì)抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)），可以近似得到：

圖10 正常使用極限狀態(tài)下應(yīng)變分布Fig.10 Strain distribution in the service ability limit states

圖11 承載能力極限狀態(tài)下應(yīng)變分布（左為預(yù)制段， 右為UHPC 段）Fig.11 Strain distribution in the ultimate limit states

預(yù)制段：

UHPC段：

在承載能力極限狀態(tài)下，可忽略普通混凝土受拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，但需考慮UHPC 材料的抗拉強(qiáng)度，可近似得到：

預(yù)制段：

UHPC段：

式中：σ表示壓應(yīng)力；τu表示拉應(yīng)力；ε 表示應(yīng)變；x表示混凝土受壓區(qū)高度；A表示鋼筋面積；M為截面受到的彎矩；b 表示計(jì)算寬度；h 表示截面高度，h0表示截面有效高度；下角標(biāo)c表示混凝土，cs表示受壓區(qū)鋼筋，s表示受拉區(qū)鋼筋，u表示UHPC段內(nèi)對(duì)應(yīng)屬性。

對(duì)于本次試驗(yàn)的試件Ⅰ，采用上述方法可以計(jì)算得到：（1）在試驗(yàn)開(kāi)裂荷載（取70kN）下，截面A 處的預(yù)制混凝土內(nèi)的鋼筋應(yīng)變和UHPC 內(nèi)的鋼筋應(yīng)變分別為375με 和94με；（2）在試驗(yàn)極限承載力（取110kN）下，截面A處的預(yù)制混凝土內(nèi)的鋼筋應(yīng)變和UHPC 內(nèi)的鋼筋應(yīng)變分別為804με 和264με，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

目前，裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念基本為做到等同現(xiàn)澆，從本次試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用UHPC作為連接材料的裝配式節(jié)點(diǎn)，UHPC 可以提高連接段的剛度從而提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，做到了高于現(xiàn)澆。因此在工程設(shè)計(jì)中，如果以等同現(xiàn)澆作為設(shè)計(jì)理念出發(fā)，在滿(mǎn)足鋼筋在UHPC中錨固長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上，可完全按照現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，無(wú)需進(jìn)行UHPC 和連接界面的復(fù)核。更好的方式是利用UHPC 的材料性能，可以更好地控制結(jié)構(gòu)變形和工程費(fèi)用，例如如果將本次試驗(yàn)的構(gòu)件用于工程應(yīng)用，根部的UHPC可以看做是減少了構(gòu)件的計(jì)算高度，可減少預(yù)制構(gòu)件的厚度或配筋以達(dá)到與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)性能，計(jì)算時(shí)分別驗(yàn)證預(yù)制段和UHPC段即可。

5 結(jié)論

本文進(jìn)行了2m 高度基于UHPC 連接的裝配式墻體和現(xiàn)澆墻體的懸臂加載試驗(yàn)，考察了試件的結(jié)構(gòu)性能，并分析了裝配式墻體和現(xiàn)澆墻體在承載力、應(yīng)變、結(jié)構(gòu)變形等方面的區(qū)別，提出了基于UHPC連接的裝配式墻體的受彎計(jì)算方法，主要獲得了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1.通過(guò)裝配式墻體和現(xiàn)澆墻體的對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了采用UHPC 作為裝配式連接材料的可靠性，也驗(yàn)證了采用UHPC連接形式的可靠性。

2.對(duì)于相同配筋條件下的裝配式墻體和現(xiàn)澆墻體，裝配式墻體的承載能力和抗變形能力均優(yōu)于現(xiàn)澆墻體，做到了“高于現(xiàn)澆”的裝配式節(jié)點(diǎn)，UHPC與預(yù)制混凝土的連接可靠，粘結(jié)強(qiáng)度高于普通混凝土抗拉強(qiáng)度，且受荷過(guò)程未發(fā)生塑性開(kāi)裂。

3.給出了基于UHPC 連接的裝配式墻體受彎計(jì)算方法，與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。出于UHPC材料的優(yōu)異性，在后續(xù)的裝配式工程應(yīng)用中，可以合理利用節(jié)點(diǎn)剛度，優(yōu)化裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。