鄒勇，朱宇鋒，曹淑上，楊若愚

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

0 引言

我國在“十三五”規(guī)劃[1]中就提出要提高環(huán)境質量，加強生態(tài)環(huán)境綜合治理，要堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策。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。而采用預制裝配式結構，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)效率的同時減少污染。

為保證建筑結構的安全性和耐久性，預制裝配式結構應具有足夠的承載力、延性和抵抗地震等動荷載的能力，其中，節(jié)點的連接是關鍵問題之一。鋼筋套筒灌漿連接是將高強、快硬的無收縮無機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，是最常見的預制裝配連接方式。但是，由于施工時鋼筋在接頭處可能存在位置上的偏差，則會出現(xiàn)難以順利安裝的問題。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，通過鋼筋與灌漿料間的粘結及套筒的套箍作用實現(xiàn)高效連接。即使如此，預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，構件節(jié)點在濕接縫處易出現(xiàn)受拉開裂、鋼筋拔出的現(xiàn)象[1]。節(jié)點區(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。

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

李慶華、徐世烺團隊[7]深入研究了超高韌性水泥基復合材料和鋼筋的粘結-滑移性能、超高韌性水泥基復合材料在受彎構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)調能力明顯好于鋼筋與混凝土。Xu 等[8]對混凝土梁和使用鋼筋增強的超高韌性水泥基復合材料梁進行研究，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)預制構件的不接觸式搭接節(jié)點。因此，本文進行了采用UHDC 連接的節(jié)點四點彎曲試驗，對力學性能、搭接效果和長度進行了分析，為后續(xù)裝配式結構的節(jié)點連接設計提供參考。

1 材性試驗

1.1 鋼筋性能

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

1.2 UHDC 性能

根據(jù)行業(yè)標準《高延性纖維增強水泥基復合材料力學性能試驗方法》[9]的相關規(guī)定，UHDC 材料的力學性能測試分為直接拉伸試驗、壓縮試驗及抗折試驗。試驗采用的UHDC 拉伸應力-應變曲線如圖1 所示，拉伸性能參數(shù)見表1。結果表明，UHDC 材料具有拉伸應變強化和多縫開裂特征，材料的軸拉強度平均值為7.78MPa，是普通混凝土的3～4 倍。

圖1 UHDC材料拉伸應力-應變曲線

表1 節(jié)點UHDC材料拉伸試驗數(shù)據(jù)

UHDC 三點彎曲試驗抗折荷載-位移曲線如圖2 所示。經(jīng)過彈性階段后，梁跨中不斷出現(xiàn)裂縫，曲線在波動中上升；加載后期某一條裂縫發(fā)展為主裂縫，寬度持續(xù)擴展，曲線達到極限荷載后斜率下降。節(jié)點的UHDC 抗折性能參數(shù)見表2。結果表明，UHDC材料具有彎曲強化特征，材料的抗折強度平均值為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UHDC材料抗折性能參數(shù)

節(jié)點抗壓試驗所得力學性能參數(shù)如表3 所示。

表3 節(jié)點UHDC材料抗壓試驗數(shù)據(jù)

1.3 混凝土性能

節(jié)點采用標號C30 混凝土。為測量混凝土強度，澆筑3 個150×150×150mm 的混凝土立方體試塊，養(yǎng)護28 天后進行抗壓試驗。試驗結果表明，節(jié)點混凝土強度滿足C30 要求。

2 預制拼裝節(jié)點四點彎曲試驗

2.1 試件設計與制作

預制拼裝節(jié)點受彎試驗包括4 根UHDC 連接預制拼裝節(jié)點和1 根現(xiàn)澆混凝土對照節(jié)點，幾何尺寸及配筋情況見圖3。節(jié)點截面尺寸均為200×150mm，長度為1000mm，縱筋采用直徑12mm的HRB400 帶肋鋼筋。預制拼裝節(jié)點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)點全長布置箍筋，底部鋼筋直鉤段彎起48mm（4d）。試驗變量為UHDC 段鋼筋的搭接長度，采用的搭接長度為48mm（4d）、72mm（6d）、96mm（8d）和120mm（10d）。節(jié)點設計參數(shù)見表4。

圖3 UHDC節(jié)點幾何尺寸圖

表4 節(jié)點設計參數(shù)

2.2 試驗裝置與方案

為驗證UHDC 搭接鋼筋在偏心受拉下的受力情況，采用四點彎曲試驗。采用位移計測量在支座、跨中、加載節(jié)點下滾軸中心的豎向位移以及鋼筋拔出的水平位移，采用應變片測量UHDC 段搭接鋼筋的應變，同時采用動態(tài)數(shù)字采集系統(tǒng)記錄試驗荷載。位移計與應變片布置如圖4 和圖5 所示。

圖4 節(jié)點位移測點布置

圖5 節(jié)點應變片的編號及布置

正式試驗前，先對試件進行10kN 的預加載，持載2min，各測點及設備均處于工作狀態(tài)后緩慢卸載。試驗采用位移控制加載，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%或試件破壞時停止加載。

2.3 預制拼裝節(jié)點四點彎曲試驗結果及分析

2.3.1 破壞模式

節(jié)點破壞模式見圖6。試驗結果表明，節(jié)點僅在中部產(chǎn)生裂縫?，F(xiàn)澆節(jié)點B-0 混凝土壓潰現(xiàn)象明顯，裂縫較多；預制拼裝節(jié)點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 試件無明顯壓潰現(xiàn)象。由于UHDC 中纖維承擔拉力，提高了節(jié)點抗彎承載能力，預制拼裝節(jié)點裂縫更少且大部分集中在UHDC 段及交界面處。預制拼裝節(jié)點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大導致試件破壞，B-3 為跨中的UHDC 處裂縫過大導致試件破壞，斜裂縫較少且裂縫寬度較小。預制拼裝節(jié)點破壞時，在節(jié)點底UHDC 與混凝土的兩個交界面上均出現(xiàn)整齊的直線段貫通裂縫，寬度較大，說明兩種材料交界面為預制拼裝節(jié)點薄弱處。

圖6 節(jié)點破壞圖

2.3.2 承載力

節(jié)點的荷載-撓度曲線見圖7，開裂荷載和峰值荷載見表5。由圖7、表5 可得，現(xiàn)澆節(jié)點B-0的開裂荷載和峰值荷載都是最大的。B-0、B-2 和B-4 試件的開裂荷載接近，B-1 和B-3 試件的開裂荷載較低。由于UHDC 材料中的纖維是在試件產(chǎn)生裂縫后工作的，故開裂荷載的大小影響的是纖維工作的起始時間。隨著UHDC 搭接長度的增大，預制拼裝節(jié)點的峰值荷載逐漸增大，這是因為UHDC 搭接段的長度增加，鋼筋與UHDC 的接觸面積增大，鋼筋的粘結錨固效果也有所增強，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，粘結強度過小，導致預制拼裝節(jié)點UHDC 段纖維未承擔較多拉力便破壞，未充分展開多裂縫。

圖7 節(jié)點的荷載撓度曲線圖

表5 節(jié)點的各狀態(tài)下荷載匯總表（kN）

對于預制拼裝節(jié)點，由于縱向鋼筋未完全屈服，預制拼裝節(jié)點的承載力均小于現(xiàn)澆節(jié)點。對各試件的承載力進行分析，擬合出預制拼裝節(jié)點的承載力與現(xiàn)澆節(jié)點承載力的比值關系曲線，如圖8 所示，曲線的計算公式如式（1）所示。

圖8 峰值承載力比散點圖及擬合曲線

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

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

本文采用的鋼筋直徑d=12mm，計算可得搭接長度l=14x12=168mm。故理想狀態(tài)下，預制拼裝節(jié)點想達到“等同現(xiàn)澆”目標，搭接長度至少為168mm。

2.3.3 撓度

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

表6 節(jié)點的各狀態(tài)下?lián)隙葏R總表（mm）

2.3.4 極限狀態(tài)下節(jié)點的鋼筋應變

各節(jié)點的鋼筋極限應變對比見圖9，如圖可得，鋼筋的搭接長度小于96mm 時，鋼筋極限應力隨搭接長度的增大而增大，最終達到屈服，當搭接長度大于96mm，鋼筋極限應力變化不大。這是因為搭接長度較小時，鋼筋與UHDC 間的粘結性能是決定性因素，搭接長度越大，鋼筋與UHDC 接觸面積越大，粘結性能越好。搭接長度較大時，對鋼筋應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 間粘結力的徑向分量較大，而交界面的性能隨搭接長度的增大變化不大，故鋼筋極限應力基本不變。

圖9 各試件底部鋼筋極限應變對比

試驗中，現(xiàn)澆節(jié)點底部鋼筋被拉斷，預制拼裝節(jié)點底部鋼筋均未被拉斷，對比圖9 中各試件底部鋼筋的應變值，擬合出預制拼裝節(jié)點底部鋼筋應變與現(xiàn)澆節(jié)點底部鋼筋應變的關系，如圖10所示，曲線的計算公式如式（2）所示。

圖10 鋼筋應變比散點圖及擬合曲線

式中，ε 為預制拼裝節(jié)點鋼筋的應變，ε0為現(xiàn)澆節(jié)點底部鋼筋的應變，l 為預制拼裝節(jié)點的搭接長度，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。若預制拼裝節(jié)點想達到現(xiàn)澆節(jié)點的鋼筋承載程度，即ε=ε0，則由式（2）可以得出：

本文采用的鋼筋直徑d=12mm，計算可得搭接長度l=25x12=300mm。故理想狀態(tài)下，預制拼裝節(jié)點想達到“等同現(xiàn)澆”目標，搭接長度至少為300mm。

3 結論

為了研發(fā)預制構件的不接觸式搭接節(jié)點，本文進行了UHDC預制拼裝節(jié)點的四點彎曲靜力試驗，并得到如下結論：

（1）整澆節(jié)點為鋼筋拉斷破壞；UHDC 預制拼裝節(jié)點均為交界面處或者跨中處直線段貫通裂縫過大導致試件破壞，斜裂縫較少，鋼筋均未被破壞。整澆節(jié)點的承載力最大；隨著搭接長度的增大，鋼筋的應力和應變水平提高，預制拼裝節(jié)點承載力不斷增強。在此基礎上，本文給出了鋼筋利用系數(shù)計算公式；

（2）相比整澆節(jié)點，UHDC 預制拼裝節(jié)點具有更好的變形能力，且UHDC 搭接長度增加，節(jié)點的變形能力增強；

（3）由于UHDC 材料的高抗強度和高延伸率，UHDC 連接預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，但想達到“等同現(xiàn)澆”的要求，還需要對關鍵因素進行深入研究，如增大搭接長度、增大UHDC 的開裂強度和抗拉強度等。