套筒灌漿連接預(yù)制混凝土框架柱接頭斜截面抗剪性能試驗研究*

薛偉辰,雷 杰,孫 哲

(同濟(jì)大學(xué)建筑工程系,上海 200092)

0 引言

預(yù)制柱是預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)中豎向承重構(gòu)件,預(yù)制柱性能對框架結(jié)構(gòu)的安全有重大影響[1]。上、下層預(yù)制柱一般通過可靠的連接方式形成整體。在預(yù)制柱連接構(gòu)造上,套筒灌漿連接具有連接性能可靠、鋼筋搭接長度較短等優(yōu)點,成為目前國內(nèi)預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較廣泛的連接方式,也是JGJ 1—2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]重點推薦的連接方式。本文所研究的預(yù)制柱接頭是指接縫及接縫附近的預(yù)制構(gòu)件部分。

在框架柱受力性能中,抗剪性能是其中最值得關(guān)注的重點內(nèi)容[3]。按剪力引起的破壞形態(tài)不同,可把剪切問題分為2類:一類是指剪力造成橫穿構(gòu)件的斜裂縫,稱為斜截面剪切;另一類是剪力造成某一薄弱界面的水平通縫,稱為界面剪切。國內(nèi)外學(xué)者[4-7]已針對不同界面構(gòu)造的預(yù)制混凝土柱接縫的抗剪性能開展大量試驗研究,研究表明,接縫抗剪承載力隨界面粗糙度的增大而增大,界面摩擦力與構(gòu)件軸壓力為線性關(guān)系。預(yù)制混凝土構(gòu)件接縫的計算理論研究表明,預(yù)制混凝土構(gòu)件接縫的抗剪機(jī)理主要包括界面摩擦機(jī)理、剪切摩擦機(jī)理、鋼筋銷栓抗剪機(jī)理和剪力鍵機(jī)理。關(guān)于混凝土柱斜截面剪切的研究相對較少,且主要集中在現(xiàn)澆混凝土(RC)柱。Moretti等[8]開展8根混凝土短柱試驗,軸壓比為0.3,研究縱筋配筋率、箍筋配筋率對柱接頭抗剪性能的影響,研究表明,縱向配筋率高(4%)的柱剛度退化較快,箍筋配筋率的提高(1.9%)有利于提高柱的延性。余波等[3]利用38組試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,分別確定了混凝土、箍筋和拱模型的抗剪承載力貢獻(xiàn)系數(shù)近似取值,建立了RC柱抗剪承載力簡化模型。解詠平等[9]針對6個不同截面尺寸的鋼筋混凝土短柱開展單調(diào)和低周反復(fù)加載抗剪試驗,軸壓比為0.4,結(jié)果表明,鋼筋混凝土柱抗剪承載力的安全儲備系數(shù)隨截面尺寸的增大而降低,提出考慮截面尺寸影響系數(shù)的鋼筋混凝土柱抗剪承載力實用計算公式。李立仁等[10]通過16根1/4縮尺高強(qiáng)混凝土柱試驗,研究了高強(qiáng)混凝土框架柱的抗剪性能,試驗結(jié)果表明,剪跨比對開裂剪力基本無影響,框架柱抗剪強(qiáng)度隨軸壓比增大而增加,此外,對剪跨比較大的框架柱,現(xiàn)行規(guī)范的框架柱抗剪強(qiáng)度計算公式偏不安全。黃慎江等[11]開展了12根鋼筋混凝土約束短柱試驗與分析,軸壓比為0.25,建立了彎、剪、壓復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下構(gòu)件受力分析的力學(xué)模型,分析抗剪承載力計算公式中混凝土斜壓柱體、軸壓力和桁架機(jī)構(gòu)3部分對抗剪承載力的貢獻(xiàn),隨著剪跨比增大,由混凝土斜壓柱體和軸壓力貢獻(xiàn)組成的壓力拱機(jī)構(gòu)承受的剪力逐漸減小,而桁架機(jī)構(gòu)承受的剪力相對逐漸增大。與現(xiàn)澆框架柱整澆施工工藝不同,預(yù)制柱通過合理構(gòu)造措施連接成整體,因此接頭的抗剪承載力取斜截面剪切、界面剪切兩者的較低值。國內(nèi)外學(xué)者針對帶有拼縫的預(yù)制混凝土柱接頭抗剪性能已開展試驗與理論研究。鄧艾等[12]應(yīng)用中國規(guī)范《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》及日本規(guī)范《預(yù)制建筑技術(shù)集成—第四冊—R-PC的設(shè)計》中的抗剪承載力計算公式計算了6種常用截面、4種剪跨比、4種軸壓比共96組截面的預(yù)制柱承載力,通過有限元軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬,提出改進(jìn)的柱接頭抗剪承載力計算公式。楊勇等[13]開展7根預(yù)制型鋼混凝土(PPSRC)柱試驗,軸壓比為0,研究剪跨比、混凝土強(qiáng)度和截面形式對PPSRC柱接頭抗剪性能的影響,提出預(yù)制型鋼混凝土柱接頭抗剪承載力計算公式。Wang等[14]開展4根跨深比0.85的預(yù)制橋柱墩試驗,軸壓比為0.05,試件均采用套筒連接器,主要研究了不同接縫材料、剪力鍵、鋼筋強(qiáng)度等級的鋼筋對橋柱墩接頭抗剪承載力的影響。研究發(fā)現(xiàn),環(huán)氧樹脂的黏結(jié)強(qiáng)度低于高強(qiáng)度砂漿,低強(qiáng)縱向鋼筋顯著降低了受剪承載力,剪力鍵對預(yù)制橋柱墩剪切損傷裂縫發(fā)展的限制效果有限,提出了基于試驗數(shù)據(jù)的接頭抗剪承載力計算公式。

美國ACI 318-1[15]、中國《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[16]要求,對于裝配整體式結(jié)構(gòu)的控制區(qū)域,接縫要實現(xiàn)強(qiáng)連接,保證不在接縫處發(fā)生破壞,即要求接縫的承載力設(shè)計值大于被連接構(gòu)件的承載力設(shè)計值,因此接頭的承載力通常取為斜截面抗剪承載力和接縫抗剪承載力的較小值。國內(nèi)外規(guī)范也給出了框架柱接頭斜截面抗剪計算的相關(guān)規(guī)定。ACI 318-1[15]假定RC柱接頭的斜截面抗剪承載力由混凝土和鋼筋2部分貢獻(xiàn)組成;加拿大規(guī)范CSA A23.3—2004[17]在此基礎(chǔ)上,建立了RC柱接頭的斜截面抗剪承載力計算模型;歐洲規(guī)范EN 1992-1-1—2004[18]基于試驗數(shù)據(jù)擬合分析,建立了RC柱接頭斜截面抗剪承載力計算公式。中國規(guī)范GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(2015年版)[19]進(jìn)一步考慮了軸壓力對RC柱接頭斜截面抗剪承載力的影響。上述框架柱接頭斜截面抗剪計算公式主要是基于現(xiàn)澆混凝土柱試驗及相關(guān)數(shù)據(jù)擬合。

綜上可見,目前預(yù)制混凝土框架柱接頭斜截面抗剪性能研究中仍存在以下問題:針對套筒灌漿連接預(yù)制混凝土柱接頭抗剪試驗研究相對較少,且大多數(shù)足尺試驗的軸壓比都<0.3,且未考慮不同軸壓比影響。目前各國給出的框架柱接頭斜截面抗剪計算公式主要基于現(xiàn)澆混凝土柱試驗,而對帶拼縫的預(yù)制柱接頭抗剪承載力缺乏針對性研究。

為研究不同參數(shù)對預(yù)制混凝土柱接頭抗剪性能的影響,設(shè)計了6個套筒連接的預(yù)制混凝土框架柱接頭抗剪試件。6個試件的設(shè)計參數(shù)包括軸壓比(0,0.2,0.4,0.6)、混凝土強(qiáng)度等級(C30,C40,C50)。根據(jù)試驗結(jié)果,分析框架柱接頭試件的荷載-滑移曲線、抗剪剛度、抗剪承載力指標(biāo)。最后基于試驗結(jié)果,驗證中國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(2015年版)、歐洲規(guī)范EN-2014中現(xiàn)澆混凝土柱受剪承載力計算公式對帶拼縫的預(yù)制框架柱接頭受剪承載力計算的適用性。

1 試驗設(shè)計

1.1 試件設(shè)計

以13層框架結(jié)構(gòu)工程為背景,設(shè)計了6個帶接縫的預(yù)制混凝土框架柱接頭抗剪試件,試驗參數(shù)如表1所示。試件尺寸及配筋均相同,如圖1所示,其中預(yù)制柱采用套筒連接,接縫面尺寸為300mm×300mm;采用高強(qiáng)灌漿料連接,坐漿層厚度為20mm。

表1 試件參數(shù)

圖1 試件施工

1.2 施工流程

預(yù)制混凝土框架柱接頭試件施工順序為:①預(yù)制上、下柱工廠預(yù)制;②預(yù)制下柱就位;③預(yù)制上柱吊裝,通過上柱底部的套筒和下柱伸出頂面的鋼筋形成初步連接;④在預(yù)制上柱與下柱間的拼縫處、預(yù)制上柱套筒內(nèi)灌注高強(qiáng)砂漿。

1.3 加載方案

試驗在靜力臺座上進(jìn)行。試驗加載分為豎向和橫向加載2部分,加載時先將豎向荷載加至軸壓比對應(yīng)的荷載值,保持不變;采用200t液壓千斤頂沿水平方向施加荷載,加載裝置如圖2所示。施加的水平推力為單向荷載,按GB/T 50152—2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[20]中規(guī)定的靜力加載制度進(jìn)行加載,每級增量為50kN。

圖2 加載裝置

1.4 測試方案

試驗的測試內(nèi)容包括:①連接鋼筋的應(yīng)變;②接縫平面處法向位移及切向位移。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 受力過程與破壞形態(tài)

試件受力過程可概括為彈性階段、開裂滑移階段、極限階段和破壞階段。試件的彈性階段荷載為極限荷載的0.2～0.5倍。此時,試件接頭基本未發(fā)生法向分離,連接鋼筋應(yīng)變值很小。在開裂滑移階段,預(yù)制柱下柱的頂部出現(xiàn)角度約為45°的斜裂紋,伴隨有輕微混凝土開裂的響聲,隨著荷載的增加,已有斜裂縫不斷向兩側(cè)延伸擴(kuò)展,并不斷有新的斜裂縫出現(xiàn),此時連接鋼筋的應(yīng)變不斷增大,當(dāng)荷載達(dá)到0.7～0.9倍的極限荷載時,預(yù)制下柱的頂部出現(xiàn)多條約為45°的斜裂紋,斜裂縫間形成混凝土斜壓柱體。此后,隨著荷載持續(xù)增大,連接鋼筋逐漸屈服,預(yù)制柱接頭在拼縫處剪切和法向位移迅速增大,預(yù)制下柱的頂部形成一條明顯的斜裂縫,試件達(dá)到極限荷載。當(dāng)試件水平剪力達(dá)到極限值后,水平剪力隨著預(yù)制柱接頭在拼縫處剪切相對于位移的增大而逐漸下降,預(yù)制下柱在拼縫界面處的混凝土開始逐漸剝落,直至破壞。預(yù)制混凝土柱接頭試件的破壞均以預(yù)制下柱的頂部混凝土被推出、剝落為標(biāo)志,如圖3所示。拼縫界面由于預(yù)制下柱頂部斜向裂縫的擴(kuò)大導(dǎo)致出現(xiàn)接縫處的貫通裂縫?！堆b配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]針對預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的主要連接區(qū)域,要求接縫實現(xiàn)強(qiáng)連接,即要求接縫的承載力設(shè)計值大于被連接構(gòu)件的承載力設(shè)計值。試驗結(jié)果表明,預(yù)制柱接縫的抗剪承載力大于斜截面抗剪承載力,實現(xiàn)了預(yù)設(shè)失效模式。

圖3 試件破壞形態(tài)

2.2 連接鋼筋應(yīng)變

通過測試布置在連接鋼筋上的應(yīng)變測點,得到整個試驗過程中試件的連接鋼筋應(yīng)變關(guān)系曲線,如圖4所示。JT-1,JT-2,JT-3在橫向加載之初連接鋼筋的初始應(yīng)變分別約為-250,-400,-450με,這是由于在相同軸壓比下,混凝土強(qiáng)度等級的不同致使施加的軸向荷載大小不同,因此連接鋼筋的初始應(yīng)變有較大差別。隨著橫向荷載的增加,位于加載頭一側(cè)的混凝土壓應(yīng)變逐漸減小,直至縱筋受拉,在荷載約為630kN時JT-1連接鋼筋受拉屈服,試件JT-2,JT-3的連接鋼筋屈服荷載分別為731,980kN?；诮缑婺Σ量辜魴C(jī)理,軸向荷載的提高對界面的橫向變形提供有效約束,進(jìn)而提高了界面摩擦力。因此,相對于C30試件,C40和C50試件的屈服荷載分別提高約16%,55%。

圖4 荷載-連接鋼筋應(yīng)變曲線

試件JT-4,JT-5,JT-2,JT-6軸壓比分別為0,0.2,0.4,0.6,由于軸向荷載的不同,在橫向加載之初的縱筋應(yīng)變約為0,-200,-400,-500με,連接鋼筋的屈服荷載分別為430,680,731,790kN。

2.3 荷載-滑移曲線

通過布置在預(yù)制柱接頭在拼縫處剪切方向的位移計,測試得到整個試驗過程中試件的荷載-滑移曲線,如圖5所示。各試件的極限承載力如表1所示。

圖5 水平剪力-預(yù)制柱接頭相對剪切滑移曲線

1)試件JT-1～JT-6彈性抗剪剛度接近。由圖5a可見,混凝土強(qiáng)度對預(yù)制柱接頭的彈性抗剪剛度影響不大;由圖5b可見,預(yù)制柱接頭的彈性剛度隨著軸壓比的增大而逐漸增大。

2)試件JT-1～JT-6均具有良好的抗剪承載力;預(yù)制混凝土柱接頭抗剪承載力隨著混凝土強(qiáng)度提高、軸壓比增大而逐漸增大。在混凝土強(qiáng)度等級為C40情況下,預(yù)制柱接頭JT-5(軸壓比為0.2)的峰值荷載比預(yù)制柱接頭JT-4(軸壓比為0)高10.2%,預(yù)制柱接頭JT-2(軸壓比為0.4)的峰值荷載比預(yù)制柱接頭JT-5(軸壓比為0.2)高9.0%,預(yù)制柱JT-6接頭(軸壓比為0.6)的峰值荷載比預(yù)制柱接頭JT-2(軸壓比為0.4)高7.0%。隨著軸壓比增加,預(yù)制柱接頭的抗剪承載力逐漸增加,但抗剪承載力增加幅度逐漸降低。在軸壓比為0.4的情況下,相對于C30試件,C40和C50試件的極限承載力分別提高約16.5%,32.4%。

3 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(2015年版)、歐洲規(guī)范EN 1992-1-1—2014中框架柱接頭斜截面抗剪計算公式對比

我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(2015年版)[19]中給出了矩形截面鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件斜截面抗剪承載力計算方法,如式(1)所示。該方法考慮了混凝土、箍筋和軸壓力作用。

(1)

式中:ft為混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;fyv為箍筋屈服強(qiáng)度;Asv為箍筋面積;s為箍筋間距;b為截面寬度;ho為截面有效高度。與剪力設(shè)計值V相應(yīng)的軸向壓力設(shè)計值N,當(dāng)>0.3fcA時,取 0.3fcA。

歐洲規(guī)范EN 1992-1-1—2014[18]規(guī)定框架柱斜截面抗剪承載力計算方法,如式(2)所示:

(2)

式中:fctk,0.05為混凝土下限特征抗拉強(qiáng)度;Nsd為設(shè)計軸力;ρ為縱向受拉鋼筋配筋率;Ac為混凝土部分截面總面積。

為驗證中國、歐洲規(guī)范中框架柱斜截面抗剪承載力計算方法,基于上述試驗結(jié)果,將采用規(guī)范計算方法求得的柱接頭斜截面抗剪承載力計算值與試驗值進(jìn)行對比,結(jié)果如表3所示。VEXP為試件接頭抗剪承載力試驗值,VGB,VEC分別根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(2015年版)[19]、歐洲規(guī)范EN 1992-1-1—2014[18]的計算方法計算。

框架柱抗剪承載力計算公式主要有2種表達(dá)形式:①將軸力提供的抗剪力直接并入混凝土的抗剪力項中,如EN 1992-1-1—2014;②在梁的抗剪承載力計算公式的基礎(chǔ)上疊加一項軸壓力提供的抗剪力。

由表2可看出,《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(2015年版)、歐洲規(guī)范EN 1992-1-1—2014得到的計算結(jié)果都偏于保守,由于鋼筋混凝土柱的剪切破壞屬于脆性破壞,各國規(guī)范計算的受剪承載力一般都低于試驗值。按該式得到的計算值、試驗值的平均值分別為0.82,0.85,標(biāo)準(zhǔn)差分別為 0.065,0.180。因此,基于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(2015年版)現(xiàn)澆混凝土柱抗剪承載力的計算值與試驗值接近,且穩(wěn)定性較好,可偏于安全地用于接縫連接的預(yù)制柱接頭抗剪承載力設(shè)計。

表2 抗剪承載力試驗值與規(guī)范值對比

4 結(jié)語

1)所有試件接頭最終均發(fā)生剪切破壞,且斜截面破壞發(fā)生時灌漿接縫保持完好。試驗結(jié)果表明,按《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中預(yù)制柱套筒灌漿連接構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計,能實現(xiàn)框架柱在接縫處剪力的有效傳遞。

2)預(yù)制柱接頭彈性剛度隨著軸壓比的增大而增大。預(yù)制混凝土柱接頭抗剪承載力隨著混凝土強(qiáng)度提高、軸壓比增大而增大。

3)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(2015年版)中現(xiàn)澆混凝土柱斜截面抗剪承載力的計算公式可適用于接縫連接的預(yù)制柱接頭抗剪承載力設(shè)計。