装配式预应力混凝土框架梁柱压接接缝直剪试验

李东彬 柴彦凯 李伟龙 高静贤

(中国建筑科学研究院,北京 100013)(中国建筑技术集团有限公司,北京 100013)

随着我国建筑业产业转型升级的推进,装配式混凝土结构愈来愈广泛地应用到建筑工程建设中.装配式混凝土框架结构作为装配式结构的重要形式,具有生产效率高、建设周期短、产品质量好、环境影响小、可持续发展及耗费人工少等优点[1].目前,既有装配式混凝土框架结构梁柱的连接主要采用局部现浇的湿式连接[2]和通过预应力筋[3-4]、螺栓或焊接等方式实现的干式连接[5-7].既有装配式预应力混凝土框架梁柱的连接存在现场湿作业较多、梁柱连接设计复杂、整体性较差、现场施工精度要求高等不足.

为了解决既有装配式混凝土框架梁柱连接存在的问题,结合国内外装配式混凝土梁柱连接方式,文献[8]提出了一种后张预应力压接连接的装配式预应力混凝土框架结构形式.预制梁柱间灌缝材料填缝能够吸收预制构件加工与施工偏差.梁柱接缝采用预应力螺纹钢筋和钢绞线压接连接,减少梁柱连接位置钢筋拥堵.对于中大跨径梁,预制混凝土梁内钢绞线曲线布置;对于小跨径梁,梁柱连接可仅采用后张预应力螺纹钢筋压接连接.针对该结构的梁柱节点和缩尺框架抗震性能试验结果表明,其具有优异的抗震性能[9].梁柱压接接缝作为装配式预应力混凝土框架的不连续构造,其传递直剪荷载的能力决定了结构的整体力学性能,有必要对其连接性能进行深入研究.

目前,针对混凝土接缝直剪性能,国内外学者进行了大量试验与理论研究.文献[10-11]分析了压应力对抗剪性能的影响,指出压应力与承载力之间呈正相关关系.文献[12]研究了纤维水泥砂浆与混凝土接缝性能,指出纤维的掺入能够提高接缝的抗剪强度.文献[13]通过新旧混凝土接缝直剪性能试验,提出了接缝的三阶段受力模型.文献[14-15]对近50 a新旧混凝土接缝直剪试验的数据进行总结分析,给出了黏结力、摩擦力和钢筋销栓作用之间相互作用机理,并基于剪切-摩擦理论提出了承载力计算公式.

已有研究主要侧重于混凝土接缝的正压应力、键齿接缝和新旧混凝土单层接缝,而关于装配式预应力混凝土框架采用后张预应力压接连接接缝直剪性能系统的研究则较少.鉴于此,本文通过预应力压接接缝直剪性能试验,研究了预压应力、预应力分布、预应力筋销栓作用以及灌缝材料对接缝直剪性能的影响,并提出此接缝直剪承载力的计算方法,为此类连接的设计提供参考.

1 试验

1.1 试件设计

图1 梁柱压接连接示意图

1.2 试件制作与装配

预制构件在构件厂制作,运至试验场地进行装配,装配过程如下:构件吊装→拼装并连接孔道→支模、湿润→灌缝→预应力筋张拉→孔道灌浆.拼装过程见图3.灌缝材料的质量配合比见表2.对于灌浆料混合料,w(水泥)∶w(砂)∶w(胶粉)∶w(分散剂)∶w(减水剂)∶w(消泡剂)∶w(胶粉)=1∶1.18∶0.027∶0.004∶0.007∶0.002∶0.004;高强砂浆混合料的质量配合比为42.5,且w(水泥)∶w(砂子)∶w(胶粉)∶w(减水剂)=1∶0.5∶0.003∶0.02.钢筋的力学性能见表3.试验前,对与试件同条件养护的尺寸为100 mm×100 mm× 100 mm的混凝土试块和尺寸为40 mm× 40 mm× 160 mm的灌缝材料试块,按照标准试验程序进行抗压强度试验,测得混凝土、高强无收缩纤维灌浆料、高强无收缩灌浆料和高强砂浆的抗压强度分别为44.3、55.8、67.3和31.0 MPa.

(a) 第1组试件

表1 试件参数

1.3 加载方式及测点布置

试验加载装置见图4.对第1组试件施加竖向加载前,通过张拉预应力螺纹钢筋对接缝截面施加均匀预压应力.试件的测点布置见图5,试验数据均由DH3816型静态采集仪器采集.采用竖向单调分级加载制度[16].第1阶段为荷载控制,在荷载达到50%理论极限荷载之前,每级加载10%理论极限荷载;当荷载超过50%理论极限荷载时,每级加载5%理论极限荷载,加载时间为60 s,待数据稳定后,观察试验现象,如此循环,直至达到极限荷载.第2阶段为位移控制,达到极限荷载后,以每级0.5 mm控制加载,直至接缝相互错动位移达到15 mm时,停止加载.

(a) 构件吊装

表2 灌缝材料的质量配合比 kg

表3 钢筋力学性能

2 试验现象

对于第1、2组试件,在加载过程中,接缝保持完整未开裂.达到极限荷载时,接缝被完全剪开并伴有声响,裂缝发生在灌缝材料与预制构件界面之间,荷载急剧下降,具有明显的脆性破坏特征.试件的典型开裂破坏特征见图6.继续施加位移荷载,试件沿被完全剪开的裂缝继续相互错动,荷载未出现明显增加.

(a) 第1组试件

(a) 应变片布置图(单位:mm)

(a) 试件L-4

对于第3组试件中灌缝材料为高强无收缩纤维灌浆料和高强无收缩灌浆料的试件,以试件P-13为例,其加载过程破坏特征见图7.由图可知,加载初期,接缝保持完整;当荷载为1 039 kN时,接缝底部出现裂缝,向上延伸至距接缝底部200 mm位置处;当荷载为1 092 kN时,裂缝继续向上延伸,接缝仍未完全被剪开;当荷载达到1 129 kN时,接缝被完全剪开并伴有声响,荷载急剧下降,具有明显的脆性破坏特征;继续施加位移荷载,试件沿被剪开裂缝相互错动,荷载未出现明显增加.

(a) 加载初期

对于灌缝材料为高强砂浆的试件P-17,其加载过程破坏特征见图8.由图可知,当荷载为546 kN时,接缝开裂;继续加载过程中,裂缝由两端逐渐向中部延伸并最终贯穿,达到极限荷载,接缝未出现明显的脆性破坏特征;继续施加位移荷载,试件沿被剪开裂缝相互错动,荷载未出现明显增加.

(a) 荷载为546 kN

3 结果与分析

试件的荷载-相对位移曲线见图9.由图可知,对于第2、3组中灌缝材料为高强无收缩纤维灌浆料和高强无收缩灌浆料的试件,荷载-相对位移曲线可以分为如下3个阶段:① 极限荷载前,接缝的荷载-相对位移近似呈线性增长,接缝的相对位移较小;② 达到极限荷载时,接缝完全剪开后,黏结完全失效,接缝出现较大的相对位移,除试件D-8外,其余试件的荷载均急剧下降;③ 极限荷载后,钢筋完全屈服,接缝承载力基本不变.对于试件D-8,接缝截面钢筋配筋率大,在接缝黏结完全失效后,钢筋能够承担全部荷载并且尚未屈服,随着相对位移的增加,承载力逐渐增加,直至钢筋完全屈服,荷载-相对位移曲线接近水平.

(a) 第1组试件

主要试验结果见表4.表中,σn、Vu、τu、σn-rs、Vrs和τrs分别为接缝的平均预压应力、极限承载力、平均极限剪应力、完全剪开后平均预压应力、残余承载力和平均残余剪应力.试验过程中,试件L-5的接缝被完全剪开后,预应力螺纹钢筋与构件接触;试件P-14存在初始缺陷,钢绞线预应力损失过大,因此表4中未列出相应试件的试验结果.

表4 试验结果

3.1 预压应力对抗剪性能的影响

第1组试件用于研究预压应力对接缝直剪性能的影响.接缝截面均匀预压应力对剪应力的影响见图10.由图10(a)可知,接缝的极限剪应力与均匀预压应力之间呈1.235 6倍的线性正相关关系.接缝的极限承载力是由黏聚力和均匀预压应力产生的静摩擦力组成,其计算公式为

τu=2.871+1.235 6σn

(a) 极限剪应力

由图10(b)可知,接缝的残余剪应力与均匀预压应力之间呈0.706倍的线性正相关关系,接缝的残余承载力仅由均匀预压力产生的摩擦力提供,其计算公式为

τrs=0.706σn-rs

3.2 预应力螺纹钢筋对抗剪性能的影响

第2组试件用于研究预应力螺纹钢筋对接缝抗剪性能的贡献.极限荷载时的预应力螺纹钢筋平均应变和接缝承载力随预应力螺纹钢筋张拉力的变化见图11.由图9(b)和图11(a)可知,极限荷载前,接缝黏结完好,相互错动较小,预应力螺纹钢筋应变增长也相对较小,尚未起到销栓作用,对接缝直剪极限承载力几乎无贡献.由图11(b)可知,预应力螺纹钢筋对接缝施加的均匀压力与接缝的极限承载力、残余承载力之间呈线性正相关关系,说明后张预应力螺纹钢筋的张拉对接缝承载力有提高作用,能够充分发挥高强材料的性能.参考文献[15],预应力螺纹钢筋对接缝抗剪性能的作用不能简单归结为销栓作用.销栓作用的发挥与接缝相互错动位移量相关,且钢筋对抗剪承载力的贡献由销栓作用和界面摩擦抗剪作用组成.

3.3 预应力分布对抗剪性能的影响

第3组试件用于研究预应力分布对接缝抗剪性能的影响.预应力分布对接缝极限承载力的影响见图12(a).由图可知,试件P-12、P-13、P-15的预加力偏心距分别为61.26、80.59、106.67 mm,较相同平均预压应力作用下均匀受压接缝的极限承载力分别降低5.37%、10.61%、18.77%,说明预应力分布对接缝极限承载力具有不利影响,预加力的偏心距越大,接缝极限承载力下降越明显.这与文献[10]中结论一致.

(a) 极限荷载时的钢筋平均应变

3.4 灌缝材料对抗剪性能的影响

在第3组试件中,试件P-13、P-16和P-17的灌缝材料分别为高强无收缩纤维灌浆料、高强无收缩灌浆料和高强砂浆.灌缝材料对接缝抗剪性能的影响见图13.由图可知,试件P-17的极限承载力明显低于试件P-13和P-16的残余承载力,说明高强砂浆与预制构件的界面之间几乎不存在黏结力,故不宜作为压接接缝的灌缝材料.高强无收缩纤维灌浆料的抗压强度相对于高强无收缩灌浆料下降约17.1%,但试件P-13的开裂荷载和极限承载力较试件P-16分别提高了4.00%和6.64%,试件P-13和P-16的残余承载力几乎相同,说明灌浆料掺入纤维后可提高接缝的开裂荷载和极限承载力.文献[17-19]指出,湿润程度能影响灌缝材料的黏结性能,在施工时预制构件表面应当充分湿润.

(a) 预应力分布对极限承载力的影响

(a) 荷载-相对位移曲线

4 压接接缝直剪承载力计算方法

4.1 受力机理

如图14所示,压接接缝的直剪受力模型可分为如下3个阶段:

1) 加载至极限荷载前,接缝截面均匀受压时,接缝黏结完好;接缝截面偏心受压时,压应力小的区域首先出现裂缝,裂缝逐渐向压应力大的区域延伸,但接缝仍未被完全剪开,预应力钢筋对承载力几乎无贡献,接缝承载力由黏结力和压应力产生的静摩擦力组成;接缝相互错动较小,相互错动位移主要由剪应力作用下两侧混凝土的变形差引起.

图14 压接接缝的受力模型

2) 荷载达到极限荷载时,接缝被完全剪开,界面之间的黏结力完全失效;界面间的静摩擦转为动摩擦,接缝出现较大的相对错动位移,承载力急剧下降,直至预应力筋屈服.

3) 极限荷载后,随着接缝相对位移的增加,接缝沿被剪开的裂缝相互错动,承载力接近于恒定值,接缝承载力由接缝所受压应力产生的摩擦力和预应力筋的销栓作用组成.

4.2 直剪承载力计算方法

当灌缝材料为高强无收缩纤维灌浆料和高强无收缩灌浆料时,试件的压接接缝受力模型类似于新旧混凝土接缝.文献[20-22]给出了多种新旧混凝土接缝承载力计算方法.文献[15]按照黏结力、摩擦力和销栓作用之间的相互作用机理,根据黏结作用占主导与否,将接缝分为强黏结接缝和弱黏结接缝.对于强黏结接缝,新旧混凝土接缝承载力的计算公式为

τu=τ0+μ(σn+k1ρfy)

(1)

对于弱黏结接缝,有

(2)

式中,τ0为黏结应力;μ为接缝的摩擦系数;ρ、fy分别为钢筋的配筋率和屈服强度;fc,cube为混凝土立方体的抗压强度;k1为钢筋的拉应力有效系数;k2为钢筋的销栓作用系数.

4.2.1 直剪极限承载力

对于灌缝材料为高强无收缩纤维灌浆料和高强无收缩灌浆料的试件,压接接缝在达到极限承载力时,接缝黏结完好,此时属于强黏结接缝.试验结果分析表明,接缝被完全剪开前,预应力筋对承载力的贡献较小,忽略预应力筋对极限承载力的贡献;对于偏心受压试件,压应力小的区域会被提前剪开,接缝应力重分布,直剪极限承载力状态时,近似假定压应力均匀分布,被剪开区域不提供抗剪.接缝极限承载力的计算简图见图15.

对于均匀受压接缝,接缝极限承载力的计算公式为

Vu=τ0Ac+μ0σnAc

(3)

式中,Ac、μ0分别为接缝面积和静摩擦系数.

对于偏心受压接缝,由接缝截面内力平衡条件得到基本方程为

(4)

(a) 均匀受压接缝

(5)

由此可得,接缝极限承载力的计算公式为

(6)

4.2.2 直剪残余承载力

对于灌缝材料为高强无收缩纤维灌浆料和高强无收缩灌浆料的试件,压接接缝被完全剪开后,界面之间无黏结力,接缝残余承载力由初始预压力和预应力螺纹钢筋、钢绞线的应力增量对接缝施加的压力产生的摩擦力以及预应力筋的销栓作用组成,接缝残余承载力的计算简图见图16.由于预应力筋存在初始张拉应力,在接缝相互错动位移下,上侧和下侧预应力螺纹钢筋的有效应力增量为

Δfps=fpsy-fps

钢绞线的有效应力增量为

Δfp=fpy-fp

接缝残余承载力的计算公式为

(7)

式中,μrs为接缝开裂后的摩擦系数.

图16 接缝残余承载力计算简图

4.3 计算方法验证

将灌缝材料为高强无收缩纤维灌浆料的试件接缝黏结力τ0、静摩擦系数μ0和开裂后摩擦系数μrs分别取值为2.871 MPa、1.235 6和0.706,并代入式(3)～(7)中,计算试件的极限承载力Vu-ca和残余承载力Vrs-ca,结果见表5.由表可知,计算值与试验值的相对误差较小,满足工程精度要求的±10%.由此说明,本文提出的压接接缝承载力计算方法适用于计算此类接缝的极限承载力和残余承载力.

表5 试验结果与计算公式计算值对比

5 结论

1) 荷载达到极限荷载前,接缝相对位移微小,预应力螺纹钢筋对接缝承载力几乎无贡献,接缝的极限承载力由黏结力和预加力产生的静摩擦力组成;接缝被完全剪开后,接缝的残余承载力由截面压力产生的摩擦力和预应力筋的销栓作用组成.

2) 后张预应力能有效提高接缝的直剪承载力.接缝截面均匀受压时,接缝的极限剪应力与均匀预压应力之间呈1.235 6倍的线性正相关关系,接缝的残余剪应力与均匀预压应力之间呈0.706倍的线性正相关关系.接缝截面偏心受压时,压应力较小区域首先出现裂缝,并随着荷载的增加,裂缝逐渐向压应力较大区域延伸,最终被直缝剪开.预应力分布对接缝极限承载力存在明显影响,在相同的预加力作用下,预加力偏心距越大,极限承载力下降越明显.

3) 灌缝材料宜采用高强无收缩灌浆料和高强无收缩纤维灌浆料.灌浆料掺入纤维后,其强度有所下降,但接缝的开裂荷载和极限承载力均有所提高.

4) 本文提出的预应力压接接缝直剪承载力计算方法具有较高的精度,能够适用于此类压接接缝直剪承载力计算中.