基于UHPC连接的装配式墙体结构性能试验研究

夏鑫磊 卢辰 许大鹏 宣锋

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 200082

引言

近年来，装配式结构在民建和桥梁等领域发展迅速［1］，有大量的研究和应用案例［2］，而对于地下结构，尤其地下构筑物而言，应用相对较少，采用的技术方案接近20 世纪90年代的装配式方案。随着国家政策的支持［3］，绿色施工和人员要求的提高，地下结构采用装配式建造的需求逐渐提高，因此有必要针对地下结构的特点，研究适用的装配式方案，满足地下结构特殊的受力模式和较高的防水要求。

超高性能混凝土（UHPC）是一种新型的水泥基材料，其拥有高强度、高韧性、低孔隙率的特点，国内已出台了对应的材料试验方法标准（征求意见稿）。相关研究表明钢筋在UHPC 中锚固长度达到10 倍钢筋直径时可满足要求［4］，该特性与采用湿法连接的装配式混凝土构件相匹配，且相较于传统的连接技术，UHPC 连接具有后浇带更窄、连接更可靠、布置更灵活等优势。为了在地下工程构筑物中推进装配式应用，掌握基于UHPC连接的装配式墙体结构性能，本文结合实际工程，对基于UHPC连接的装配式墙体进行了试验研究。

1 装配式墙体设计方案

1.1 装配式墙体结构形式

地下构筑物墙体的受力模式主要以面外受弯为主，本次试验采用悬臂受力的基于UHPC 连接装配式墙体试件Ⅰ，试件Ⅰ由预制普通混凝土墙板、预制墙体内钢筋笼、现浇普通混凝土底板、现浇底板竖向预留钢筋和后浇筑UHPC 五个部分组成。为了对比装配式墙体和现浇墙体的结构性能，本次试验浇筑了现浇试件Ⅱ，试件Ⅱ尺寸和配筋与试件Ⅰ一致，采用整体浇筑，两组试件宽度均为1m。图1 为本次试件的结构尺寸和配筋构造，表1 为对应的设计参数。

图1 试件结构形式（单位： mm）Fig.1 Form of parameters（unit：mm）

表1 试件设计参数Tab.1 Parameters of specimens

作为地下结构墙体，考虑结构受力和防水要求，分别对试件Ⅰ中预制构件的混凝土表面和现浇混凝土底板与UHPC 结合面进行了6mm 高差的凿毛处理。考虑规范［5］中对预制墙体拼缝的要求，对预制墙板与UHPC结合处采用了剪力键的设计，而底板结合处则采用平面设计来形成对比，以验证剪力键设计的必要性。

1.2 试件制作和材料参数

图2 为试件预制部分的制作过程，在预制构件厂进行预制墙体的制作，并预埋应变测试设备，本次试验采用分布式传感光纤传感技术进行钢筋的应变监测。同期在水厂现场进行底板的浇筑和钢筋的预留。在水厂进行试件安装，二次支模以及浇筑UHPC，待UHPC 养护完成后开展加载试验，同期进行了混凝土、钢筋、UHPC 的材料试验，结果如表2 ～表4 所示。

图2 预制构件的制作Fig.2 Fabrication of prefabricated parts

表2 混凝土参数Tab.2 Parameters of concrete

表3 钢筋参数Tab.3 Parameters of steel

表4 UHPC参数Tab.4 Parameters of UHPC

2 试验方案及过程

2.1 试验方案

图3 显示了本次试验的加载方案，测试采用悬臂受力的加载方式，在反力墙的支撑下，荷载由液压千斤顶提供，并通过工字钢分配梁使荷载转换为线性荷载，且在分配梁和试件之间加入一块1.0m×0.3m ×0.02m 的木衬垫，使荷载更均匀传递从而减少试件受到的局压。各点所受到的弯矩值以及试件在完全弹性条件下的挠度和考虑混凝土塑性条件下的挠度参考值可分别按照弹性力学的方法进行计算得到。

图3 悬臂加载方案Fig.3 Cantilever loading scheme

试件采用静力分级加载，加载制度的制定依据相应规范［8］进行，加载示意见图4，相关参数见表5（以现浇试件计算的结构性能检测参数），考虑实际加载时稳定载荷与各级载荷有一定的差值，最终记录以稳定时的加载值为准。试验过程记录的静载试验数据包括荷载、试件位移和钢筋应变。如图3 所示，荷载由置于千斤顶和反力墙上的压力传感器提供，试件位移由五组间距400mm的百分表提供。钢筋应变由提前埋置于预制构件中的分布式光纤传感通过采集仪记录，光纤传感器分辨率为5mm，误差为±10με。

表5 试验检测参数Tab.5 Test detection parameters

图4 加载示意Fig.4 Loading diagram

本次试验中，截面O 为加载截面，有3 个截面为重点考察的破坏控制截面：截面A 为预制墙体和UHPC 连接截面，进行了凿毛处理；截面B 为现浇底板翻口和UHPC 的连接截面，未进行凿毛处理；截面C 为悬臂试件根部截面，为受力最大的位置。在弹性条件下，三处截面的弯矩值与荷载F 的关系为：MA＝1.5F，MB＝1.85F，MC＝2.0F。

2.2 试验过程及现象分析

图5 为两组试件的裂缝分布情况，图6 为卸载后两组试件的情况。对于试件Ⅰ，混凝土开裂首先发生在A 截面上方；随着荷载增大，在A、B两处截面均发生了开裂，同时在首道裂缝上方有新裂缝产生；当荷载进一步增大，现有裂缝向受压区发展，主裂缝位于根部C 截面上方5mm 处；在达到极限承载力110kN 时，裂缝宽度为1.2mm，此时O 截面位移为32.10mm。对于试件Ⅱ，混凝土开裂首先位于B截面上方；随着荷载增大，在首道裂缝上方陆续出现裂缝，分布均匀并不断发展；荷载进一步增大，主裂缝位于根部C截面，达到极限承载力80kN时，裂缝宽度约为1.5mm（与底板交界，裂缝宽度离散型较大，此处表示平均宽度），O 截面位移为47.41mm。

图5 裂缝分布Fig.5 Crack distribution

图6 试件卸载后情况Fig.6 Specimen after unloading

对比A、B两处截面可知，不论是否对表面进行凿毛处理，试件Ⅰ的开裂位置并未出现在预制混凝土和后浇筑UHPC的界面处，且达到极限承载力时，主裂缝位于C截面附近，界面处开裂并未明显发展，表明UHPC与先浇混凝土的粘结可靠，界面抗拉强度高于普通混凝土的抗拉强度，没有对该装配式连接节点造成削弱。从两组试件的试验情况可知，两组试件在外荷载作用下的整体表现和失效模式基本一致，但试件Ⅰ的承载力和相同外荷载下的抗变形能力均高于试件Ⅱ，UHPC作为连接材料，在加载过程中均未发生开裂，表明能保证采用该连接方式的装配式试件力学性能不低于现浇试件，同时也说明了试件Ⅰ中普通钢筋在UHPC中的锚固具有可靠性。

3 试验结果及分析

从试验现象可知，两组试件均保持了良好的整体性能，但承载性能和变形能力存在一定的区别，为了进一步摸清装配式墙体的受力特点，通过埋设在预制墙板内的分布式光纤测得的应变和位移计测得的位移进行分析。

3.1 荷载-应变关系

图7 为试件Ⅰ中受拉钢筋和受压钢筋的应变值沿截面高度随荷载变化的分布曲线。图中：（1）截面高度0m 处对应试件O 截面，O 截面以下取正值；（2）本次采用的分布式光纤测量精度为5cm，即每一处测点的应变为该点沿光纤前后2.5cm应变的平均值。从图中可以看出，曲线的整体趋势接近悬臂构件应变分布规律，拉、压钢筋的应变分别在预制构件、UHPC、底板上翻口部分沿截面高度均匀变化，但在相互交接的位置有明显的转折，受拉钢筋的应变变化较为明显。在试件受弯过程中，普通混凝土开裂后受拉区的应力大部分由钢筋承担，由于UHPC 的抗拉强度远高于普通混凝土的抗拉强度，此时UHPC 段内受拉区的应力由UHPC和钢筋共同承担，即直观表现为UHPC 段内钢筋的受拉应变有大幅的减少。而对于受压区，混凝土和受压钢筋在试件失效前均处于共同工作的状态，虽然UHPC 的弹性模量高于普通混凝土，但整体的应变变化趋势相较受拉区平缓。

图7 钢筋应变分布Fig.7 Strain distribution of steel bars

3.2 荷载-位移关系

图8 为两组试件各截面的水平位移值沿截面高度随荷载变化的分布曲线。可以看出，两组试件位移变化均匀，整体趋势一致，符合悬臂构件的位移变化规律。试件Ⅰ的整体刚度较试件Ⅱ在弹性阶段高出约50%，极限承载力高出约35%。试件Ⅰ的位移值在截面高度1.6m处，曲线出现明显的转折，1.6m 处截面位于UHPC和和预制混凝土交接面下部50mm处，表明UHPC段的刚度高于预制段，两者刚度之比约为2.20，与UHPC与普通混凝土弹性模量比值2.31 对应。由此可见试件Ⅰ刚度提高的来源为根部UHPC 段刚度的提高，使试件的水平位移减少，预制段与现浇混凝土的结构响应基本一致。

图8 水平位移分布Fig.8 Distribution of horizontal displacement of specimen

图9 为两组试件在截面O 处的水平位移随荷载的变化曲线。文献［9］指出，对于装配式受弯构件而言，界面的失效会导致装配式受弯构件在原有挠曲的基础上发生转动，使其产生的挠度大于整浇试件的挠度，且粘结的失效会使位移曲线发生明显转折。从本次试件的曲线可以看出，试件Ⅰ在受荷过程中，位移曲线从弹性阶段到屈服阶段均没有发生明显刚度和位移突变，表明预制构件和UHPC 界面的粘结具有可靠性。

图9 截面O 处荷载-位移曲线Fig.9 Load-displacement curve at section O

4 受弯设计方法

试验过程表明接缝界面有良好的粘结性能，可假定试件受弯变形后满足平截面假定，从而可在普通混凝土受弯构件的基础上推导该类装配式构件的受弯计算方法。在设计计算中，预制区段内受弯截面可按普通混凝土构件计算，UHPC 区段可按考虑UHPC为理想弹塑性材料的受弯截面计算。图10、图11 分别为正常使用极限状态和承载能力极限状态下，预制段和UHPC 段的应变分布。在正常使用极限状态下，考虑普通混凝土极限拉应变为按弹性计算峰值应力对应应变的2倍（简化计算时，也可不考虑普通混凝土对抗拉强度的贡献），可以近似得到：

图10 正常使用极限状态下应变分布Fig.10 Strain distribution in the service ability limit states

图11 承载能力极限状态下应变分布（左为预制段， 右为UHPC 段）Fig.11 Strain distribution in the ultimate limit states

预制段：

UHPC段：

在承载能力极限状态下，可忽略普通混凝土受拉强度的贡献，但需考虑UHPC 材料的抗拉强度，可近似得到：

预制段：

UHPC段：

式中：σ表示压应力；τu表示拉应力；ε 表示应变；x表示混凝土受压区高度；A表示钢筋面积；M为截面受到的弯矩；b 表示计算宽度；h 表示截面高度，h0表示截面有效高度；下角标c表示混凝土，cs表示受压区钢筋，s表示受拉区钢筋，u表示UHPC段内对应属性。

对于本次试验的试件Ⅰ，采用上述方法可以计算得到：（1）在试验开裂荷载（取70kN）下，截面A 处的预制混凝土内的钢筋应变和UHPC 内的钢筋应变分别为375με 和94με；（2）在试验极限承载力（取110kN）下，截面A处的预制混凝土内的钢筋应变和UHPC 内的钢筋应变分别为804με 和264με，计算结果与试验结果基本吻合。

目前，装配式结构的设计理念基本为做到等同现浇，从本次试验结果可以看出，采用UHPC作为连接材料的装配式节点，UHPC 可以提高连接段的刚度从而提高结构的整体刚度，做到了高于现浇。因此在工程设计中，如果以等同现浇作为设计理念出发，在满足钢筋在UHPC中锚固长度的基础上，可完全按照现浇结构进行设计，无需进行UHPC 和连接界面的复核。更好的方式是利用UHPC 的材料性能，可以更好地控制结构变形和工程费用，例如如果将本次试验的构件用于工程应用，根部的UHPC可以看做是减少了构件的计算高度，可减少预制构件的厚度或配筋以达到与现浇结构相同的结构性能，计算时分别验证预制段和UHPC段即可。

5 结论

本文进行了2m 高度基于UHPC 连接的装配式墙体和现浇墙体的悬臂加载试验，考察了试件的结构性能，并分析了装配式墙体和现浇墙体在承载力、应变、结构变形等方面的区别，提出了基于UHPC连接的装配式墙体的受弯计算方法，主要获得了以下几点结论：

1.通过装配式墙体和现浇墙体的对比试验，验证了采用UHPC 作为装配式连接材料的可靠性，也验证了采用UHPC连接形式的可靠性。

2.对于相同配筋条件下的装配式墙体和现浇墙体，装配式墙体的承载能力和抗变形能力均优于现浇墙体，做到了“高于现浇”的装配式节点，UHPC与预制混凝土的连接可靠，粘结强度高于普通混凝土抗拉强度，且受荷过程未发生塑性开裂。

3.给出了基于UHPC 连接的装配式墙体受弯计算方法，与试验结果基本吻合。出于UHPC材料的优异性，在后续的装配式工程应用中，可以合理利用节点刚度，优化装配式结构设计。