采用UHDC 的鋼筋不接觸式搭接節(jié)點(diǎn)的受彎試驗(yàn)研究

鄒勇，朱宇鋒，曹淑上，楊若愚

（1 重慶市建筑科學(xué)研究院有限公司，重慶 400042；2 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400044；3 鎮(zhèn)江市房屋安全和抗震技術(shù)指導(dǎo)中心，江蘇鎮(zhèn)江 212141）

0 引言

我國(guó)在“十三五”規(guī)劃[1]中就提出要提高環(huán)境質(zhì)量，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境綜合治理，要堅(jiān)持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國(guó)策。傳統(tǒng)建筑業(yè)采用粗放式施工方式，能耗、物耗高，施工機(jī)械化程度低，易引起噪音、粉塵等污染，破壞生態(tài)環(huán)境。而采用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，發(fā)展建筑工業(yè)化能夠顯著減少建筑垃圾，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)減少污染。

為保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的承載力、延性和抵抗地震等動(dòng)荷載的能力，其中，節(jié)點(diǎn)的連接是關(guān)鍵問(wèn)題之一。鋼筋套筒灌漿連接是將高強(qiáng)、快硬的無(wú)收縮無(wú)機(jī)漿料填充在鋼筋與專用套筒連接件之間，漿料凝固硬化后形成的鋼筋連接，是最常見(jiàn)的預(yù)制裝配連接方式。但是，由于施工時(shí)鋼筋在接頭處可能存在位置上的偏差，則會(huì)出現(xiàn)難以順利安裝的問(wèn)題。因此，研究者提出了各種解決方案，如大套筒約束漿錨搭接接頭[2]，即在搭接鋼筋外放置大尺寸套筒并將灌漿料注入套筒，通過(guò)鋼筋與灌漿料間的粘結(jié)及套筒的套箍作用實(shí)現(xiàn)高效連接。即使如此，預(yù)制件的鋼筋之間仍然需要保持較小的距離。

濕接縫是工程中最常用的節(jié)點(diǎn)連接方法，傳統(tǒng)施工采用普通混凝土作為濕接縫材料，然而普通混凝土的抗拉性能差，構(gòu)件節(jié)點(diǎn)在濕接縫處易出現(xiàn)受拉開(kāi)裂、鋼筋拔出的現(xiàn)象[1]。節(jié)點(diǎn)區(qū)受拉性能較好的材料，有望免除套筒，形成不接觸式的搭接節(jié)點(diǎn)。

同濟(jì)大學(xué)課題組以礦物摻合料、水泥、砂等構(gòu)成基體，以隨機(jī)分布的短纖維作為增韌材料制備了新型水泥基材料——超高延性水泥基復(fù)合材料UHDC(Ultra High Ductile Concrete)。UHDC 是Engineered Cementitious Composites (ECC)[3]的一種，其平均抗壓強(qiáng)度介于30～150MPa，平均抗拉強(qiáng)度介于5～15MPa，平均拉伸應(yīng)變可達(dá)6%～12%以上，接近建筑鋼材水平。其具有的良好拉伸應(yīng)變硬化能力和多重裂縫開(kāi)裂性能，在工程中能夠有效改善濕接縫處的受力性能，實(shí)現(xiàn)無(wú)筋搭接，提高結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性[4-6]。

李慶華、徐世烺團(tuán)隊(duì)[7]深入研究了超高韌性水泥基復(fù)合材料和鋼筋的粘結(jié)-滑移性能、超高韌性水泥基復(fù)合材料在受彎構(gòu)件中替代受拉鋼筋的效果及其抗疲勞性能和抗震性能。Li,V.C 和Fischer[3]的研究表明鋼筋與ECC 的變形協(xié)調(diào)能力明顯好于鋼筋與混凝土。Xu 等[8]對(duì)混凝土梁和使用鋼筋增強(qiáng)的超高韌性水泥基復(fù)合材料梁進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)ECC 在改善梁的延性、減小裂縫寬度等方面的作用明顯。

筆者擬利用UHDC 材料的優(yōu)異性能，研發(fā)預(yù)制構(gòu)件的不接觸式搭接節(jié)點(diǎn)。因此，本文進(jìn)行了采用UHDC 連接的節(jié)點(diǎn)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，對(duì)力學(xué)性能、搭接效果和長(zhǎng)度進(jìn)行了分析，為后續(xù)裝配式結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)提供參考。

1 材性試驗(yàn)

1.1 鋼筋性能

本文試驗(yàn)縱筋采用HRB400 月牙肋鋼筋，屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為360MPa。根據(jù)規(guī)范，同直徑鋼筋每種截取三根長(zhǎng)度為500mm 的鋼筋進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。節(jié)點(diǎn)采用直徑12mm 的鋼筋，屈服強(qiáng)度平均值為466MPa，平均極限承載力為65.1kN；鋼筋的拉伸試驗(yàn)表明鋼筋具有明顯的彈性階段、屈服階段及強(qiáng)化階段。

1.2 UHDC 性能

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)方法》[9]的相關(guān)規(guī)定，UHDC 材料的力學(xué)性能測(cè)試分為直接拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)及抗折試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的UHDC 拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1 所示，拉伸性能參數(shù)見(jiàn)表1。結(jié)果表明，UHDC 材料具有拉伸應(yīng)變強(qiáng)化和多縫開(kāi)裂特征，材料的軸拉強(qiáng)度平均值為7.78MPa，是普通混凝土的3～4 倍。

圖1 UHDC材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表1 節(jié)點(diǎn)UHDC材料拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

UHDC 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)抗折荷載-位移曲線如圖2 所示。經(jīng)過(guò)彈性階段后，梁跨中不斷出現(xiàn)裂縫，曲線在波動(dòng)中上升；加載后期某一條裂縫發(fā)展為主裂縫，寬度持續(xù)擴(kuò)展，曲線達(dá)到極限荷載后斜率下降。節(jié)點(diǎn)的UHDC 抗折性能參數(shù)見(jiàn)表2。結(jié)果表明，UHDC材料具有彎曲強(qiáng)化特征，材料的抗折強(qiáng)度平均值為16.46MPa，同樣是普通混凝土的3～4 倍。

圖2 UHDC材料的抗折荷載-位移曲線

表2 節(jié)點(diǎn)UHDC材料抗折性能參數(shù)

節(jié)點(diǎn)抗壓試驗(yàn)所得力學(xué)性能參數(shù)如表3 所示。

表3 節(jié)點(diǎn)UHDC材料抗壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.3 混凝土性能

節(jié)點(diǎn)采用標(biāo)號(hào)C30 混凝土。為測(cè)量混凝土強(qiáng)度，澆筑3 個(gè)150×150×150mm 的混凝土立方體試塊，養(yǎng)護(hù)28 天后進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)混凝土強(qiáng)度滿足C30 要求。

2 預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

2.1 試件設(shè)計(jì)與制作

預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)受彎試驗(yàn)包括4 根UHDC 連接預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)和1 根現(xiàn)澆混凝土對(duì)照節(jié)點(diǎn)，幾何尺寸及配筋情況見(jiàn)圖3。節(jié)點(diǎn)截面尺寸均為200×150mm，長(zhǎng)度為1000mm，縱筋采用直徑12mm的HRB400 帶肋鋼筋。預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)混凝土段箍筋采用直徑8mm的熱軋光圓鋼筋HPB300，間距為50mm，底部等間距放置4 根搭接鋼筋，直鉤段彎起48mm（4d）?，F(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)全長(zhǎng)布置箍筋，底部鋼筋直鉤段彎起48mm（4d）。試驗(yàn)變量為UHDC 段鋼筋的搭接長(zhǎng)度，采用的搭接長(zhǎng)度為48mm（4d）、72mm（6d）、96mm（8d）和120mm（10d）。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4。

圖3 UHDC節(jié)點(diǎn)幾何尺寸圖

表4 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)裝置與方案

為驗(yàn)證UHDC 搭接鋼筋在偏心受拉下的受力情況，采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。采用位移計(jì)測(cè)量在支座、跨中、加載節(jié)點(diǎn)下滾軸中心的豎向位移以及鋼筋拔出的水平位移，采用應(yīng)變片測(cè)量UHDC 段搭接鋼筋的應(yīng)變，同時(shí)采用動(dòng)態(tài)數(shù)字采集系統(tǒng)記錄試驗(yàn)荷載。位移計(jì)與應(yīng)變片布置如圖4 和圖5 所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)位移測(cè)點(diǎn)布置

圖5 節(jié)點(diǎn)應(yīng)變片的編號(hào)及布置

正式試驗(yàn)前，先對(duì)試件進(jìn)行10kN 的預(yù)加載，持載2min，各測(cè)點(diǎn)及設(shè)備均處于工作狀態(tài)后緩慢卸載。試驗(yàn)采用位移控制加載，前期加載速率采用0.5mm/min，后期加載速率采用1.0mm/min，試件承載力首次下降到峰值荷載的85%或試件破壞時(shí)停止加載。

2.3 預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.1 破壞模式

節(jié)點(diǎn)破壞模式見(jiàn)圖6。試驗(yàn)結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)僅在中部產(chǎn)生裂縫?，F(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)B-0 混凝土壓潰現(xiàn)象明顯，裂縫較多；預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)B-3 和B-4 試件上表面混凝土壓潰現(xiàn)象較明顯，B-1 和B-2 試件無(wú)明顯壓潰現(xiàn)象。由于UHDC 中纖維承擔(dān)拉力，提高了節(jié)點(diǎn)抗彎承載能力，預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)裂縫更少且大部分集中在UHDC 段及交界面處。預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)的豎向裂縫均集中在跨中和交界面處，B-1、B-2 和B-4均為交界面處裂縫過(guò)大導(dǎo)致試件破壞，B-3 為跨中的UHDC 處裂縫過(guò)大導(dǎo)致試件破壞，斜裂縫較少且裂縫寬度較小。預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)，在節(jié)點(diǎn)底UHDC 與混凝土的兩個(gè)交界面上均出現(xiàn)整齊的直線段貫通裂縫，寬度較大，說(shuō)明兩種材料交界面為預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)薄弱處。

圖6 節(jié)點(diǎn)破壞圖

2.3.2 承載力

節(jié)點(diǎn)的荷載-撓度曲線見(jiàn)圖7，開(kāi)裂荷載和峰值荷載見(jiàn)表5。由圖7、表5 可得，現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)B-0的開(kāi)裂荷載和峰值荷載都是最大的。B-0、B-2 和B-4 試件的開(kāi)裂荷載接近，B-1 和B-3 試件的開(kāi)裂荷載較低。由于UHDC 材料中的纖維是在試件產(chǎn)生裂縫后工作的，故開(kāi)裂荷載的大小影響的是纖維工作的起始時(shí)間。隨著UHDC 搭接長(zhǎng)度的增大，預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)的峰值荷載逐漸增大，這是因?yàn)閁HDC 搭接段的長(zhǎng)度增加，鋼筋與UHDC 的接觸面積增大，鋼筋的粘結(jié)錨固效果也有所增強(qiáng)，UHDC 的“類箍筋”性能得到發(fā)揮，試件的承載力也就越大。但由于兩種材料交界面為薄弱處，粘結(jié)強(qiáng)度過(guò)小，導(dǎo)致預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)UHDC 段纖維未承擔(dān)較多拉力便破壞，未充分展開(kāi)多裂縫。

圖7 節(jié)點(diǎn)的荷載撓度曲線圖

表5 節(jié)點(diǎn)的各狀態(tài)下荷載匯總表（kN）

對(duì)于預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)，由于縱向鋼筋未完全屈服，預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)的承載力均小于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)。對(duì)各試件的承載力進(jìn)行分析，擬合出預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)的承載力與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)承載力的比值關(guān)系曲線，如圖8 所示，曲線的計(jì)算公式如式（1）所示。

圖8 峰值承載力比散點(diǎn)圖及擬合曲線

式中，F(xiàn) 為預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)的極限承載力，F(xiàn)0為現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的極限承載力。

該曲線R2=1.00，數(shù)據(jù)擬合良好。若預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)想達(dá)到與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)同等承載力程度，即F=F0，則由式（1）可以得到：

本文采用的鋼筋直徑d=12mm，計(jì)算可得搭接長(zhǎng)度l=14x12=168mm。故理想狀態(tài)下，預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)想達(dá)到“等同現(xiàn)澆”目標(biāo)，搭接長(zhǎng)度至少為168mm。

2.3.3 撓度

節(jié)點(diǎn)的開(kāi)裂撓度與峰值撓度見(jiàn)表6。可以看出，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的開(kāi)裂撓度較為接近，說(shuō)明UHDC 對(duì)試件開(kāi)裂撓度的影響較小?，F(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)B-0 的峰值撓度小于預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)B-2、B-3 和B-4，說(shuō)明預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)的變形能力更強(qiáng)，且預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)UHDC 搭接長(zhǎng)度越長(zhǎng)，變形能力越強(qiáng)。相較于普通混凝土開(kāi)裂后即退出工作，UHDC 中纖維參與試件受拉，在裂縫開(kāi)展的同時(shí)保持承載力，故預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)峰值位移更大。

表6 節(jié)點(diǎn)的各狀態(tài)下?lián)隙葏R總表（mm）

2.3.4 極限狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)的鋼筋應(yīng)變

各節(jié)點(diǎn)的鋼筋極限應(yīng)變對(duì)比見(jiàn)圖9，如圖可得，鋼筋的搭接長(zhǎng)度小于96mm 時(shí)，鋼筋極限應(yīng)力隨搭接長(zhǎng)度的增大而增大，最終達(dá)到屈服，當(dāng)搭接長(zhǎng)度大于96mm，鋼筋極限應(yīng)力變化不大。這是因?yàn)榇罱娱L(zhǎng)度較小時(shí)，鋼筋與UHDC 間的粘結(jié)性能是決定性因素，搭接長(zhǎng)度越大，鋼筋與UHDC 接觸面積越大，粘結(jié)性能越好。搭接長(zhǎng)度較大時(shí)，對(duì)鋼筋應(yīng)力影響最大的因素為UHDC 與混凝土交界面的抗拉性能，鋼筋與UHDC 間粘結(jié)力的徑向分量較大，而交界面的性能隨搭接長(zhǎng)度的增大變化不大，故鋼筋極限應(yīng)力基本不變。

圖9 各試件底部鋼筋極限應(yīng)變對(duì)比

試驗(yàn)中，現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)底部鋼筋被拉斷，預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)底部鋼筋均未被拉斷，對(duì)比圖9 中各試件底部鋼筋的應(yīng)變值，擬合出預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)底部鋼筋應(yīng)變與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)底部鋼筋應(yīng)變的關(guān)系，如圖10所示，曲線的計(jì)算公式如式（2）所示。

圖10 鋼筋應(yīng)變比散點(diǎn)圖及擬合曲線

式中，ε 為預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)鋼筋的應(yīng)變，ε0為現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)底部鋼筋的應(yīng)變，l 為預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)的搭接長(zhǎng)度，d 為試件的縱向鋼筋直徑。

該曲線R2=0.91，數(shù)據(jù)擬合良好。若預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)想達(dá)到現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的鋼筋承載程度，即ε=ε0，則由式（2）可以得出：

本文采用的鋼筋直徑d=12mm，計(jì)算可得搭接長(zhǎng)度l=25x12=300mm。故理想狀態(tài)下，預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)想達(dá)到“等同現(xiàn)澆”目標(biāo)，搭接長(zhǎng)度至少為300mm。

3 結(jié)論

為了研發(fā)預(yù)制構(gòu)件的不接觸式搭接節(jié)點(diǎn)，本文進(jìn)行了UHDC預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)的四點(diǎn)彎曲靜力試驗(yàn)，并得到如下結(jié)論：

（1）整澆節(jié)點(diǎn)為鋼筋拉斷破壞；UHDC 預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)均為交界面處或者跨中處直線段貫通裂縫過(guò)大導(dǎo)致試件破壞，斜裂縫較少，鋼筋均未被破壞。整澆節(jié)點(diǎn)的承載力最大；隨著搭接長(zhǎng)度的增大，鋼筋的應(yīng)力和應(yīng)變水平提高，預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)承載力不斷增強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上，本文給出了鋼筋利用系數(shù)計(jì)算公式；

（2）相比整澆節(jié)點(diǎn)，UHDC 預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)具有更好的變形能力，且UHDC 搭接長(zhǎng)度增加，節(jié)點(diǎn)的變形能力增強(qiáng)；

（3）由于UHDC 材料的高抗強(qiáng)度和高延伸率，UHDC 連接預(yù)制梁在搭接段未配置箍筋的情況下仍能有效地傳遞彎矩和剪力，但想達(dá)到“等同現(xiàn)澆”的要求，還需要對(duì)關(guān)鍵因素進(jìn)行深入研究，如增大搭接長(zhǎng)度、增大UHDC 的開(kāi)裂強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等。