預(yù)制柱現(xiàn)澆超高性能混凝土塑性鉸區(qū)的循環(huán)效應(yīng)

文／張倜 上海綠地建設(shè)（集團）有限公司 上海 200000

引言：

隨著裝配式建筑的大力推廣和發(fā)展，混凝土預(yù)制構(gòu)件在房建中的應(yīng)用也愈加廣泛，形成了全預(yù)制裝配式和預(yù)制裝配整體式兩大結(jié)構(gòu)體系。在預(yù)制裝配整體式結(jié)構(gòu)中，節(jié)點處常通過套筒灌漿、漿錨等加固連接方式進行剛性連接，傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中的綁扎搭接并不適用。

超高性能混凝土(UHPC)有著高抗壓強度、高韌性、高耐久性和良好的裂縫控制能力，且與鋼筋之間較高的粘結(jié)強度可顯著減少鋼筋的錨固和搭接長度，使得在預(yù)制建筑中采用綁扎搭接變?yōu)榭赡堋４送?，UHPC 連接技術(shù)比傳統(tǒng)的套管灌漿、漿錨連接等允許偏差更大，且操作簡單，有較好的整體性和抗震性能。本文通過研究模擬地震作用下不同鋼筋搭接長度、軸壓比和配箍率的UHPC 連接柱的循環(huán)效應(yīng)，為以后在預(yù)制建筑中推廣UHPC 連接技術(shù)提供了經(jīng)驗。

1.實驗介紹

1.1 試件簡介

UHPC 連接柱由預(yù)制柱身、預(yù)制基礎(chǔ)和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)三部分組成，預(yù)制基礎(chǔ)與預(yù)制柱身之間通過縱筋綁扎搭接，而后現(xiàn)澆超高性能混凝土形成整體?，F(xiàn)場設(shè)計并制作了六根懸臂式UHPC 連接柱，且為了與整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)進行對比，還制作了一根連續(xù)的懸臂式RC 柱。所有柱的橫截面均為250mm×250mm（b×h），有效長度H 為1000mm，剪跨比為4。預(yù)制柱和預(yù)制基礎(chǔ)部分縱筋均采用6 根直徑為20mm 的HRB400 級鋼筋進行連接，現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)部分（高度為200mm）鋼筋配筋率ρ=5.4%，并采用直徑為8mm 的HPB300 級鋼筋作為箍筋進行縱向加固，柱尺寸及構(gòu)造如圖1 所示[1]。

圖1 柱尺寸及構(gòu)造

試件名稱主要由三個部分組成，分別代表縱筋的搭接長度、箍筋間距和軸壓比這三個研究變量。其中縱筋的搭接長度以鋼筋直徑的倍數(shù)來表示，軸壓比用字母H 和L分別表示高（0.4）和低（0.2）軸向載荷比，樣品相關(guān)信息見表1。

表1 試件樣品相關(guān)信息

1.2 材料簡介

為了UHPC 連接柱獲得較好的強度及延性，在混凝土中加設(shè)鋼纖維，固定0.35 的水膠比和2%的鋼纖維體積比，鋼纖維的幾何尺寸及力學(xué)參數(shù)如表2 所示?，F(xiàn)澆混凝土及UHPC 試塊采用相同的養(yǎng)護條件及齡期，并做好標養(yǎng)試塊和同條件養(yǎng)護試塊。預(yù)制柱、預(yù)制基礎(chǔ)、現(xiàn)澆柱均采用C40P.0 混凝土，柱中縱筋和箍筋的力學(xué)性能如表3 所示。

表2 鋼纖維幾何尺寸和力學(xué)參數(shù)

表3 縱筋、箍筋力學(xué)性能

1.3 儀器設(shè)備及加載方式

試件基礎(chǔ)由鋼梁通過錨栓固定在地基上，側(cè)邊放置鋼框架，并用螺栓將鋼框架和鋼梁擰緊，以防基礎(chǔ)在加載過程中發(fā)生滑移現(xiàn)象。軸向通過液壓千斤頂施加荷載，模擬獨立柱上承受的集中荷載，橫向循環(huán)荷載通過側(cè)向驅(qū)動器進行施加，模擬在地震情況下柱體受到橫向地震波的作用，側(cè)向位移通過位移記錄裝置進行計量。加載裝置如圖2 所示。

圖2 加載裝置簡易示意圖

在縱筋屈服前，每周期僅增加10kN 的荷載，以便獲得縱筋開始屈服時的側(cè)向位移。縱筋屈服后，通過側(cè)向位移值控制加載量。當試件失去15%的橫向承載能力或試件發(fā)生脆性破壞時，試驗終止。加載點和試件基礎(chǔ)間的橫向位移是通過固鋼框架上的位移傳感器測量而得，現(xiàn)澆區(qū)域內(nèi)的應(yīng)變情況通過放置在縱筋和箍筋上的應(yīng)變片進行測量，應(yīng)變片位置如圖3 所示。

圖3 應(yīng)變片位置圖

2.結(jié)果分析

2.1 觀察結(jié)果和失效分析

對于RC 試件，當側(cè)向載荷達到65kN 時，樁身出現(xiàn)彎曲裂紋。當達到110kN 時，彎曲裂紋發(fā)展成為斜向裂紋。在位移加載階段，柱底混凝土保護層脫落，裂縫沿縱筋延伸方向發(fā)展。當側(cè)向位移值達到45mm 左右時，斜向裂縫發(fā)展增加，且混凝土破碎嚴重，試件發(fā)生脆性破壞。

對于UHPC連接試件，當側(cè)向荷載達到55-80kN時，樁身出現(xiàn)彎曲裂縫。在預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆UHPC 交界處因應(yīng)力集中出現(xiàn)裂縫，但裂縫寬度和長度均小于同荷載作用下的R-50-H 試件，這體現(xiàn)了現(xiàn)澆的UHPC 與預(yù)制構(gòu)件間良好的粘結(jié)性能。其裂縫發(fā)展規(guī)律與R-50-H 試件相似，但產(chǎn)生的裂縫較少，最終裂縫形式主要為剪切裂縫，還未發(fā)展成為沿縱筋方向發(fā)展的斜向裂縫。

試件U-6-50-H、U-8-50-H、U-8-50-L、U-8-100-H、U-8-150-H 由于縱筋搭接長度不夠，導(dǎo)致在縱筋進入塑性硬化階段時，UHPC 與縱筋之間的粘結(jié)作用逐漸退化，最終產(chǎn)生脆性破壞，未能充分利用兩者之間共同作用。此外，在U-8-100-H、U-8-150-H 試件的現(xiàn)澆區(qū)域由于配箍率較低，導(dǎo)致沿縱筋方向的剪切破壞較明顯。而試件U-12-50-H 在循環(huán)荷載作用下發(fā)生塑性破壞，說明12d 的搭接長度可以完全避免UHPC 與縱筋間的相互滑移，能夠充分利用兩者間的共同作用。

2.2 滯回曲線

R-50-H 試件的荷載-位移滯回曲線如圖4 所示，在位移加載階段由于斜向裂紋和剪切裂紋的快速發(fā)展，試件的滯回曲線極不穩(wěn)定，當位移率在從3%增加到4%，側(cè)向承載力急劇下降。

圖4 R-50-H 滯回曲線

UHPC 連接試件的滯回曲線均相對穩(wěn)定（以圖5：U-8-50-H 試件為例）。在位移加載階段，滯回曲線壓延效應(yīng)越顯著，則每個加載周期的強度退化越快，UHPC

圖5 U-8-50-H 滯回曲線

處縱筋搭接長度和配箍率越小，縱筋與UHPC 間的粘結(jié)強度退化得越快。在相同軸向荷載作用下，當UHPC 縱筋搭接長度為8d時，其側(cè)向承載力和延性與試件R-50-H相當，滯回曲線相對穩(wěn)定。

2.3 骨架曲線

對三種變量變化下柱的骨架曲線進行對比和分析，結(jié)果如圖6 所示。除U-8-50-L 試件外，其余試件在側(cè)向載荷達到110-130kN 前骨架曲線均保持大體一致。在側(cè)向載荷達到極值后，由于混凝土開裂破壞以及鋼筋屈服，塑性損傷越來越大，試件的側(cè)向剛度迅速下降。UHPC連接試件（除U-8-50-L）的載荷峰值在150kN-165kN 之間，與RC 試件R-50-H 相當或更大。

圖6 骨架曲線圖

在達到極值后，縱筋搭接長度或箍筋率較大的UHPC 連接試件延性更好。8d 搭接長度的UHPC 試件與RC 試件側(cè)向剛度和延性已大體一致[2]。

U-8-50-L 試件由于軸壓比僅為其余試件的一半，故其側(cè)向剛度和延性均低于R-50-H 和U-8-50-H 試件，在峰值荷載作用下，UHPC 與預(yù)制基礎(chǔ)的界面發(fā)生滑移，未能充分利用縱筋和混凝土本身的材料性能和兩者之間的共同作用。

2.4 應(yīng)變情況

在加載過程中，試件內(nèi)部應(yīng)變片同步記錄了縱筋和箍筋的應(yīng)變情況。通過數(shù)據(jù)觀察，在8d 的搭接長度下，UHPC 連接試件可以實現(xiàn)縱筋的拉伸屈服，且應(yīng)變隨搭接長度的增加而增大。在相同的位移率下，UHPC 的縱筋應(yīng)變值小于現(xiàn)澆試件（R-50-H）的縱筋應(yīng)變值。這證明了UHPC 比傳統(tǒng)的混凝土有著更高的抗拉強度和良好的裂縫控制能力。在所有試件達到峰值荷載作用時，UHPC 連接試件的箍筋應(yīng)變值普遍小于現(xiàn)澆試件（R-50-H）。且隨著搭接長度和配箍率的增加，箍筋的應(yīng)變值隨之減小。

2.5 殘余位移

橫向殘余位移是評估震后鋼筋混凝土柱損傷和使用性能的一個重要參數(shù)。各試件峰值荷載作用下的殘余位移如圖7 所示，其中藍色部分為殘余位移與峰值位移的比值。由圖可知，UHPC 連接試件的峰值位移比R-50-H 試件高25%～60%左右，但殘余位移與峰值位移的比值在16%～41%之間，小于R-50-H 試件的48%。

圖7 位移圖

因此可知，UHPC 連接試件在地震作用下具有較高的抗震性能和較好的抗損壞能力，比傳統(tǒng)混凝土有更大的承載能力和彈性應(yīng)變恢復(fù)能力，震后的修復(fù)難度較小，費用較低，是一種優(yōu)質(zhì)的預(yù)制構(gòu)件連接材料[3]。

小結(jié)：

（1）UHPC 連接試件的循環(huán)效應(yīng)以彎曲變形為主，但搭接長度為6d 和8d 連接柱由于混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)退化而失效，發(fā)生脆性破壞。當搭接長度為12d 時，粘結(jié)退化可以消除，從而產(chǎn)生塑性破壞。

（2）隨著縱筋搭接長度和配箍率的增加，UHPC 連接試件的側(cè)向承載力和延性也隨之增加[4]。8d 搭接長度的UHPC 連接試件可以達到與現(xiàn)澆柱等效的延性。

（3）塑性鉸UHPC 連接試件軸壓比較低，不利用充分利用鋼筋和混凝土的材料性能，在側(cè)向荷載作用下，UHPC 與預(yù)制基礎(chǔ)連接的界面易產(chǎn)生剪切滑移，從而導(dǎo)致試件的承載力和延性較低[5]。

（4）峰值荷載作用下，UHPC 連接構(gòu)件峰值位移比R-50-H 試件高，但殘余位移與峰值位移的比值卻比R-50-H 試件的低。說明UHPC 連接構(gòu)件具有較高的抗震性能和較好的抗損傷能力。

結(jié)語：

在控制好縱筋搭接長度、軸壓比和配箍率的前提下，預(yù)制構(gòu)件后澆UHPC 能增強塑性鉸處的側(cè)向承載力和延性，達到或超過同等級現(xiàn)澆RC 構(gòu)件，使得可在預(yù)制建筑中采用傳統(tǒng)的綁扎搭接技術(shù)。從而可以簡化操作流程，降低現(xiàn)場施工的技術(shù)要求，增強結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的整體性和可靠性，為裝配式建筑的研究和推廣提供了一些技術(shù)建議。