李東彬 柴彥凱 李偉龍 高靜賢

(中國建筑科學研究院,北京 100013)(中國建筑技術集團有限公司,北京 100013)

隨著我國建筑業(yè)產(chǎn)業(yè)轉型升級的推進,裝配式混凝土結構愈來愈廣泛地應用到建筑工程建設中.裝配式混凝土框架結構作為裝配式結構的重要形式,具有生產(chǎn)效率高、建設周期短、產(chǎn)品質量好、環(huán)境影響小、可持續(xù)發(fā)展及耗費人工少等優(yōu)點[1].目前,既有裝配式混凝土框架結構梁柱的連接主要采用局部現(xiàn)澆的濕式連接[2]和通過預應力筋[3-4]、螺栓或焊接等方式實現(xiàn)的干式連接[5-7].既有裝配式預應力混凝土框架梁柱的連接存在現(xiàn)場濕作業(yè)較多、梁柱連接設計復雜、整體性較差、現(xiàn)場施工精度要求高等不足.

為了解決既有裝配式混凝土框架梁柱連接存在的問題,結合國內外裝配式混凝土梁柱連接方式,文獻[8]提出了一種后張預應力壓接連接的裝配式預應力混凝土框架結構形式.預制梁柱間灌縫材料填縫能夠吸收預制構件加工與施工偏差.梁柱接縫采用預應力螺紋鋼筋和鋼絞線壓接連接,減少梁柱連接位置鋼筋擁堵.對于中大跨徑梁,預制混凝土梁內鋼絞線曲線布置;對于小跨徑梁,梁柱連接可僅采用后張預應力螺紋鋼筋壓接連接.針對該結構的梁柱節(jié)點和縮尺框架抗震性能試驗結果表明,其具有優(yōu)異的抗震性能[9].梁柱壓接接縫作為裝配式預應力混凝土框架的不連續(xù)構造,其傳遞直剪荷載的能力決定了結構的整體力學性能,有必要對其連接性能進行深入研究.

目前,針對混凝土接縫直剪性能,國內外學者進行了大量試驗與理論研究.文獻[10-11]分析了壓應力對抗剪性能的影響,指出壓應力與承載力之間呈正相關關系.文獻[12]研究了纖維水泥砂漿與混凝土接縫性能,指出纖維的摻入能夠提高接縫的抗剪強度.文獻[13]通過新舊混凝土接縫直剪性能試驗,提出了接縫的三階段受力模型.文獻[14-15]對近50 a新舊混凝土接縫直剪試驗的數(shù)據(jù)進行總結分析,給出了黏結力、摩擦力和鋼筋銷栓作用之間相互作用機理,并基于剪切-摩擦理論提出了承載力計算公式.

已有研究主要側重于混凝土接縫的正壓應力、鍵齒接縫和新舊混凝土單層接縫,而關于裝配式預應力混凝土框架采用后張預應力壓接連接接縫直剪性能系統(tǒng)的研究則較少.鑒于此,本文通過預應力壓接接縫直剪性能試驗,研究了預壓應力、預應力分布、預應力筋銷栓作用以及灌縫材料對接縫直剪性能的影響,并提出此接縫直剪承載力的計算方法,為此類連接的設計提供參考.

1 試驗

1.1 試件設計

圖1 梁柱壓接連接示意圖

1.2 試件制作與裝配

預制構件在構件廠制作,運至試驗場地進行裝配,裝配過程如下:構件吊裝→拼裝并連接孔道→支模、濕潤→灌縫→預應力筋張拉→孔道灌漿.拼裝過程見圖3.灌縫材料的質量配合比見表2.對于灌漿料混合料,w(水泥)∶w(砂)∶w(膠粉)∶w(分散劑)∶w(減水劑)∶w(消泡劑)∶w(膠粉)=1∶1.18∶0.027∶0.004∶0.007∶0.002∶0.004;高強砂漿混合料的質量配合比為42.5,且w(水泥)∶w(砂子)∶w(膠粉)∶w(減水劑)=1∶0.5∶0.003∶0.02.鋼筋的力學性能見表3.試驗前,對與試件同條件養(yǎng)護的尺寸為100 mm×100 mm× 100 mm的混凝土試塊和尺寸為40 mm× 40 mm× 160 mm的灌縫材料試塊,按照標準試驗程序進行抗壓強度試驗,測得混凝土、高強無收縮纖維灌漿料、高強無收縮灌漿料和高強砂漿的抗壓強度分別為44.3、55.8、67.3和31.0 MPa.

(a) 第1組試件

表1 試件參數(shù)

1.3 加載方式及測點布置

試驗加載裝置見圖4.對第1組試件施加豎向加載前,通過張拉預應力螺紋鋼筋對接縫截面施加均勻預壓應力.試件的測點布置見圖5,試驗數(shù)據(jù)均由DH3816型靜態(tài)采集儀器采集.采用豎向單調分級加載制度[16].第1階段為荷載控制,在荷載達到50%理論極限荷載之前,每級加載10%理論極限荷載;當荷載超過50%理論極限荷載時,每級加載5%理論極限荷載,加載時間為60 s,待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,觀察試驗現(xiàn)象,如此循環(huán),直至達到極限荷載.第2階段為位移控制,達到極限荷載后,以每級0.5 mm控制加載,直至接縫相互錯動位移達到15 mm時,停止加載.

(a) 構件吊裝

表2 灌縫材料的質量配合比 kg

表3 鋼筋力學性能

2 試驗現(xiàn)象

對于第1、2組試件,在加載過程中,接縫保持完整未開裂.達到極限荷載時,接縫被完全剪開并伴有聲響,裂縫發(fā)生在灌縫材料與預制構件界面之間,荷載急劇下降,具有明顯的脆性破壞特征.試件的典型開裂破壞特征見圖6.繼續(xù)施加位移荷載,試件沿被完全剪開的裂縫繼續(xù)相互錯動,荷載未出現(xiàn)明顯增加.

(a) 第1組試件

(a) 應變片布置圖(單位:mm)

(a) 試件L-4

對于第3組試件中灌縫材料為高強無收縮纖維灌漿料和高強無收縮灌漿料的試件,以試件P-13為例,其加載過程破壞特征見圖7.由圖可知,加載初期,接縫保持完整;當荷載為1 039 kN時,接縫底部出現(xiàn)裂縫,向上延伸至距接縫底部200 mm位置處;當荷載為1 092 kN時,裂縫繼續(xù)向上延伸,接縫仍未完全被剪開;當荷載達到1 129 kN時,接縫被完全剪開并伴有聲響,荷載急劇下降,具有明顯的脆性破壞特征;繼續(xù)施加位移荷載,試件沿被剪開裂縫相互錯動,荷載未出現(xiàn)明顯增加.

(a) 加載初期

對于灌縫材料為高強砂漿的試件P-17,其加載過程破壞特征見圖8.由圖可知,當荷載為546 kN時,接縫開裂;繼續(xù)加載過程中,裂縫由兩端逐漸向中部延伸并最終貫穿,達到極限荷載,接縫未出現(xiàn)明顯的脆性破壞特征;繼續(xù)施加位移荷載,試件沿被剪開裂縫相互錯動,荷載未出現(xiàn)明顯增加.

(a) 荷載為546 kN

3 結果與分析

試件的荷載-相對位移曲線見圖9.由圖可知,對于第2、3組中灌縫材料為高強無收縮纖維灌漿料和高強無收縮灌漿料的試件,荷載-相對位移曲線可以分為如下3個階段:① 極限荷載前,接縫的荷載-相對位移近似呈線性增長,接縫的相對位移較小;② 達到極限荷載時,接縫完全剪開后,黏結完全失效,接縫出現(xiàn)較大的相對位移,除試件D-8外,其余試件的荷載均急劇下降;③ 極限荷載后,鋼筋完全屈服,接縫承載力基本不變.對于試件D-8,接縫截面鋼筋配筋率大,在接縫黏結完全失效后,鋼筋能夠承擔全部荷載并且尚未屈服,隨著相對位移的增加,承載力逐漸增加,直至鋼筋完全屈服,荷載-相對位移曲線接近水平.

(a) 第1組試件

主要試驗結果見表4.表中,σn、Vu、τu、σn-rs、Vrs和τrs分別為接縫的平均預壓應力、極限承載力、平均極限剪應力、完全剪開后平均預壓應力、殘余承載力和平均殘余剪應力.試驗過程中,試件L-5的接縫被完全剪開后,預應力螺紋鋼筋與構件接觸;試件P-14存在初始缺陷,鋼絞線預應力損失過大,因此表4中未列出相應試件的試驗結果.

表4 試驗結果

3.1 預壓應力對抗剪性能的影響

第1組試件用于研究預壓應力對接縫直剪性能的影響.接縫截面均勻預壓應力對剪應力的影響見圖10.由圖10(a)可知,接縫的極限剪應力與均勻預壓應力之間呈1.235 6倍的線性正相關關系.接縫的極限承載力是由黏聚力和均勻預壓應力產(chǎn)生的靜摩擦力組成,其計算公式為

τu=2.871+1.235 6σn

(a) 極限剪應力

由圖10(b)可知,接縫的殘余剪應力與均勻預壓應力之間呈0.706倍的線性正相關關系,接縫的殘余承載力僅由均勻預壓力產(chǎn)生的摩擦力提供,其計算公式為

τrs=0.706σn-rs

3.2 預應力螺紋鋼筋對抗剪性能的影響

第2組試件用于研究預應力螺紋鋼筋對接縫抗剪性能的貢獻.極限荷載時的預應力螺紋鋼筋平均應變和接縫承載力隨預應力螺紋鋼筋張拉力的變化見圖11.由圖9(b)和圖11(a)可知,極限荷載前,接縫黏結完好,相互錯動較小,預應力螺紋鋼筋應變增長也相對較小,尚未起到銷栓作用,對接縫直剪極限承載力幾乎無貢獻.由圖11(b)可知,預應力螺紋鋼筋對接縫施加的均勻壓力與接縫的極限承載力、殘余承載力之間呈線性正相關關系,說明后張預應力螺紋鋼筋的張拉對接縫承載力有提高作用,能夠充分發(fā)揮高強材料的性能.參考文獻[15],預應力螺紋鋼筋對接縫抗剪性能的作用不能簡單歸結為銷栓作用.銷栓作用的發(fā)揮與接縫相互錯動位移量相關,且鋼筋對抗剪承載力的貢獻由銷栓作用和界面摩擦抗剪作用組成.

3.3 預應力分布對抗剪性能的影響

第3組試件用于研究預應力分布對接縫抗剪性能的影響.預應力分布對接縫極限承載力的影響見圖12(a).由圖可知,試件P-12、P-13、P-15的預加力偏心距分別為61.26、80.59、106.67 mm,較相同平均預壓應力作用下均勻受壓接縫的極限承載力分別降低5.37%、10.61%、18.77%,說明預應力分布對接縫極限承載力具有不利影響,預加力的偏心距越大,接縫極限承載力下降越明顯.這與文獻[10]中結論一致.

(a) 極限荷載時的鋼筋平均應變

3.4 灌縫材料對抗剪性能的影響

在第3組試件中,試件P-13、P-16和P-17的灌縫材料分別為高強無收縮纖維灌漿料、高強無收縮灌漿料和高強砂漿.灌縫材料對接縫抗剪性能的影響見圖13.由圖可知,試件P-17的極限承載力明顯低于試件P-13和P-16的殘余承載力,說明高強砂漿與預制構件的界面之間幾乎不存在黏結力,故不宜作為壓接接縫的灌縫材料.高強無收縮纖維灌漿料的抗壓強度相對于高強無收縮灌漿料下降約17.1%,但試件P-13的開裂荷載和極限承載力較試件P-16分別提高了4.00%和6.64%,試件P-13和P-16的殘余承載力幾乎相同,說明灌漿料摻入纖維后可提高接縫的開裂荷載和極限承載力.文獻[17-19]指出,濕潤程度能影響灌縫材料的黏結性能,在施工時預制構件表面應當充分濕潤.

(a) 預應力分布對極限承載力的影響

(a) 荷載-相對位移曲線

4 壓接接縫直剪承載力計算方法

4.1 受力機理

如圖14所示,壓接接縫的直剪受力模型可分為如下3個階段:

1) 加載至極限荷載前,接縫截面均勻受壓時,接縫黏結完好;接縫截面偏心受壓時,壓應力小的區(qū)域首先出現(xiàn)裂縫,裂縫逐漸向壓應力大的區(qū)域延伸,但接縫仍未被完全剪開,預應力鋼筋對承載力幾乎無貢獻,接縫承載力由黏結力和壓應力產(chǎn)生的靜摩擦力組成;接縫相互錯動較小,相互錯動位移主要由剪應力作用下兩側混凝土的變形差引起.

圖14 壓接接縫的受力模型

2) 荷載達到極限荷載時,接縫被完全剪開,界面之間的黏結力完全失效;界面間的靜摩擦轉為動摩擦,接縫出現(xiàn)較大的相對錯動位移,承載力急劇下降,直至預應力筋屈服.

3) 極限荷載后,隨著接縫相對位移的增加,接縫沿被剪開的裂縫相互錯動,承載力接近于恒定值,接縫承載力由接縫所受壓應力產(chǎn)生的摩擦力和預應力筋的銷栓作用組成.

4.2 直剪承載力計算方法

當灌縫材料為高強無收縮纖維灌漿料和高強無收縮灌漿料時,試件的壓接接縫受力模型類似于新舊混凝土接縫.文獻[20-22]給出了多種新舊混凝土接縫承載力計算方法.文獻[15]按照黏結力、摩擦力和銷栓作用之間的相互作用機理,根據(jù)黏結作用占主導與否,將接縫分為強黏結接縫和弱黏結接縫.對于強黏結接縫,新舊混凝土接縫承載力的計算公式為

τu=τ0+μ(σn+k1ρfy)

(1)

對于弱黏結接縫,有

(2)

式中,τ0為黏結應力;μ為接縫的摩擦系數(shù);ρ、fy分別為鋼筋的配筋率和屈服強度;fc,cube為混凝土立方體的抗壓強度;k1為鋼筋的拉應力有效系數(shù);k2為鋼筋的銷栓作用系數(shù).

4.2.1 直剪極限承載力

對于灌縫材料為高強無收縮纖維灌漿料和高強無收縮灌漿料的試件,壓接接縫在達到極限承載力時,接縫黏結完好,此時屬于強黏結接縫.試驗結果分析表明,接縫被完全剪開前,預應力筋對承載力的貢獻較小,忽略預應力筋對極限承載力的貢獻;對于偏心受壓試件,壓應力小的區(qū)域會被提前剪開,接縫應力重分布,直剪極限承載力狀態(tài)時,近似假定壓應力均勻分布,被剪開區(qū)域不提供抗剪.接縫極限承載力的計算簡圖見圖15.

對于均勻受壓接縫,接縫極限承載力的計算公式為

Vu=τ0Ac+μ0σnAc

(3)

式中,Ac、μ0分別為接縫面積和靜摩擦系數(shù).

對于偏心受壓接縫,由接縫截面內力平衡條件得到基本方程為

(4)

(a) 均勻受壓接縫

(5)

由此可得,接縫極限承載力的計算公式為

(6)

4.2.2 直剪殘余承載力

對于灌縫材料為高強無收縮纖維灌漿料和高強無收縮灌漿料的試件,壓接接縫被完全剪開后,界面之間無黏結力,接縫殘余承載力由初始預壓力和預應力螺紋鋼筋、鋼絞線的應力增量對接縫施加的壓力產(chǎn)生的摩擦力以及預應力筋的銷栓作用組成,接縫殘余承載力的計算簡圖見圖16.由于預應力筋存在初始張拉應力,在接縫相互錯動位移下,上側和下側預應力螺紋鋼筋的有效應力增量為

Δfps=fpsy-fps

鋼絞線的有效應力增量為

Δfp=fpy-fp

接縫殘余承載力的計算公式為

(7)

式中,μrs為接縫開裂后的摩擦系數(shù).

圖16 接縫殘余承載力計算簡圖

4.3 計算方法驗證

將灌縫材料為高強無收縮纖維灌漿料的試件接縫黏結力τ0、靜摩擦系數(shù)μ0和開裂后摩擦系數(shù)μrs分別取值為2.871 MPa、1.235 6和0.706,并代入式(3)～(7)中,計算試件的極限承載力Vu-ca和殘余承載力Vrs-ca,結果見表5.由表可知,計算值與試驗值的相對誤差較小,滿足工程精度要求的±10%.由此說明,本文提出的壓接接縫承載力計算方法適用于計算此類接縫的極限承載力和殘余承載力.

表5 試驗結果與計算公式計算值對比

5 結論

1) 荷載達到極限荷載前,接縫相對位移微小,預應力螺紋鋼筋對接縫承載力幾乎無貢獻,接縫的極限承載力由黏結力和預加力產(chǎn)生的靜摩擦力組成;接縫被完全剪開后,接縫的殘余承載力由截面壓力產(chǎn)生的摩擦力和預應力筋的銷栓作用組成.

2) 后張預應力能有效提高接縫的直剪承載力.接縫截面均勻受壓時,接縫的極限剪應力與均勻預壓應力之間呈1.235 6倍的線性正相關關系,接縫的殘余剪應力與均勻預壓應力之間呈0.706倍的線性正相關關系.接縫截面偏心受壓時,壓應力較小區(qū)域首先出現(xiàn)裂縫,并隨著荷載的增加,裂縫逐漸向壓應力較大區(qū)域延伸,最終被直縫剪開.預應力分布對接縫極限承載力存在明顯影響,在相同的預加力作用下,預加力偏心距越大,極限承載力下降越明顯.

3) 灌縫材料宜采用高強無收縮灌漿料和高強無收縮纖維灌漿料.灌漿料摻入纖維后,其強度有所下降,但接縫的開裂荷載和極限承載力均有所提高.

4) 本文提出的預應力壓接接縫直剪承載力計算方法具有較高的精度,能夠適用于此類壓接接縫直剪承載力計算中.