预制柱现浇超高性能混凝土塑性铰区的循环效应

文／张倜 上海绿地建设（集团）有限公司 上海 200000

引言：

随着装配式建筑的大力推广和发展，混凝土预制构件在房建中的应用也愈加广泛，形成了全预制装配式和预制装配整体式两大结构体系。在预制装配整体式结构中，节点处常通过套筒灌浆、浆锚等加固连接方式进行刚性连接，传统现浇结构中的绑扎搭接并不适用。

超高性能混凝土(UHPC)有着高抗压强度、高韧性、高耐久性和良好的裂缝控制能力，且与钢筋之间较高的粘结强度可显著减少钢筋的锚固和搭接长度，使得在预制建筑中采用绑扎搭接变为可能。此外，UHPC 连接技术比传统的套管灌浆、浆锚连接等允许偏差更大，且操作简单，有较好的整体性和抗震性能。本文通过研究模拟地震作用下不同钢筋搭接长度、轴压比和配箍率的UHPC 连接柱的循环效应，为以后在预制建筑中推广UHPC 连接技术提供了经验。

1.实验介绍

1.1 试件简介

UHPC 连接柱由预制柱身、预制基础和现浇结构三部分组成，预制基础与预制柱身之间通过纵筋绑扎搭接，而后现浇超高性能混凝土形成整体。现场设计并制作了六根悬臂式UHPC 连接柱，且为了与整体现浇结构进行对比，还制作了一根连续的悬臂式RC 柱。所有柱的横截面均为250mm×250mm（b×h），有效长度H 为1000mm，剪跨比为4。预制柱和预制基础部分纵筋均采用6 根直径为20mm 的HRB400 级钢筋进行连接，现浇结构部分（高度为200mm）钢筋配筋率ρ=5.4%，并采用直径为8mm 的HPB300 级钢筋作为箍筋进行纵向加固，柱尺寸及构造如图1 所示[1]。

图1 柱尺寸及构造

试件名称主要由三个部分组成，分别代表纵筋的搭接长度、箍筋间距和轴压比这三个研究变量。其中纵筋的搭接长度以钢筋直径的倍数来表示，轴压比用字母H 和L分别表示高（0.4）和低（0.2）轴向载荷比，样品相关信息见表1。

表1 试件样品相关信息

1.2 材料简介

为了UHPC 连接柱获得较好的强度及延性，在混凝土中加设钢纤维，固定0.35 的水胶比和2%的钢纤维体积比，钢纤维的几何尺寸及力学参数如表2 所示。现浇混凝土及UHPC 试块采用相同的养护条件及龄期，并做好标养试块和同条件养护试块。预制柱、预制基础、现浇柱均采用C40P.0 混凝土，柱中纵筋和箍筋的力学性能如表3 所示。

表2 钢纤维几何尺寸和力学参数

表3 纵筋、箍筋力学性能

1.3 仪器设备及加载方式

试件基础由钢梁通过锚栓固定在地基上，侧边放置钢框架，并用螺栓将钢框架和钢梁拧紧，以防基础在加载过程中发生滑移现象。轴向通过液压千斤顶施加荷载，模拟独立柱上承受的集中荷载，横向循环荷载通过侧向驱动器进行施加，模拟在地震情况下柱体受到横向地震波的作用，侧向位移通过位移记录装置进行计量。加载装置如图2 所示。

图2 加载装置简易示意图

在纵筋屈服前，每周期仅增加10kN 的荷载，以便获得纵筋开始屈服时的侧向位移。纵筋屈服后，通过侧向位移值控制加载量。当试件失去15%的横向承载能力或试件发生脆性破坏时，试验终止。加载点和试件基础间的横向位移是通过固钢框架上的位移传感器测量而得，现浇区域内的应变情况通过放置在纵筋和箍筋上的应变片进行测量，应变片位置如图3 所示。

图3 应变片位置图

2.结果分析

2.1 观察结果和失效分析

对于RC 试件，当侧向载荷达到65kN 时，桩身出现弯曲裂纹。当达到110kN 时，弯曲裂纹发展成为斜向裂纹。在位移加载阶段，柱底混凝土保护层脱落，裂缝沿纵筋延伸方向发展。当侧向位移值达到45mm 左右时，斜向裂缝发展增加，且混凝土破碎严重，试件发生脆性破坏。

对于UHPC连接试件，当侧向荷载达到55-80kN时，桩身出现弯曲裂缝。在预制构件与现浇UHPC 交界处因应力集中出现裂缝，但裂缝宽度和长度均小于同荷载作用下的R-50-H 试件，这体现了现浇的UHPC 与预制构件间良好的粘结性能。其裂缝发展规律与R-50-H 试件相似，但产生的裂缝较少，最终裂缝形式主要为剪切裂缝，还未发展成为沿纵筋方向发展的斜向裂缝。

试件U-6-50-H、U-8-50-H、U-8-50-L、U-8-100-H、U-8-150-H 由于纵筋搭接长度不够，导致在纵筋进入塑性硬化阶段时，UHPC 与纵筋之间的粘结作用逐渐退化，最终产生脆性破坏，未能充分利用两者之间共同作用。此外，在U-8-100-H、U-8-150-H 试件的现浇区域由于配箍率较低，导致沿纵筋方向的剪切破坏较明显。而试件U-12-50-H 在循环荷载作用下发生塑性破坏，说明12d 的搭接长度可以完全避免UHPC 与纵筋间的相互滑移，能够充分利用两者间的共同作用。

2.2 滞回曲线

R-50-H 试件的荷载-位移滞回曲线如图4 所示，在位移加载阶段由于斜向裂纹和剪切裂纹的快速发展，试件的滞回曲线极不稳定，当位移率在从3%增加到4%，侧向承载力急剧下降。

图4 R-50-H 滞回曲线

UHPC 连接试件的滞回曲线均相对稳定（以图5：U-8-50-H 试件为例）。在位移加载阶段，滞回曲线压延效应越显著，则每个加载周期的强度退化越快，UHPC

图5 U-8-50-H 滞回曲线

处纵筋搭接长度和配箍率越小，纵筋与UHPC 间的粘结强度退化得越快。在相同轴向荷载作用下，当UHPC 纵筋搭接长度为8d时，其侧向承载力和延性与试件R-50-H相当，滞回曲线相对稳定。

2.3 骨架曲线

对三种变量变化下柱的骨架曲线进行对比和分析，结果如图6 所示。除U-8-50-L 试件外，其余试件在侧向载荷达到110-130kN 前骨架曲线均保持大体一致。在侧向载荷达到极值后，由于混凝土开裂破坏以及钢筋屈服，塑性损伤越来越大，试件的侧向刚度迅速下降。UHPC连接试件（除U-8-50-L）的载荷峰值在150kN-165kN 之间，与RC 试件R-50-H 相当或更大。

图6 骨架曲线图

在达到极值后，纵筋搭接长度或箍筋率较大的UHPC 连接试件延性更好。8d 搭接长度的UHPC 试件与RC 试件侧向刚度和延性已大体一致[2]。

U-8-50-L 试件由于轴压比仅为其余试件的一半，故其侧向刚度和延性均低于R-50-H 和U-8-50-H 试件，在峰值荷载作用下，UHPC 与预制基础的界面发生滑移，未能充分利用纵筋和混凝土本身的材料性能和两者之间的共同作用。

2.4 应变情况

在加载过程中，试件内部应变片同步记录了纵筋和箍筋的应变情况。通过数据观察，在8d 的搭接长度下，UHPC 连接试件可以实现纵筋的拉伸屈服，且应变随搭接长度的增加而增大。在相同的位移率下，UHPC 的纵筋应变值小于现浇试件（R-50-H）的纵筋应变值。这证明了UHPC 比传统的混凝土有着更高的抗拉强度和良好的裂缝控制能力。在所有试件达到峰值荷载作用时，UHPC 连接试件的箍筋应变值普遍小于现浇试件（R-50-H）。且随着搭接长度和配箍率的增加，箍筋的应变值随之减小。

2.5 残余位移

横向残余位移是评估震后钢筋混凝土柱损伤和使用性能的一个重要参数。各试件峰值荷载作用下的残余位移如图7 所示，其中蓝色部分为残余位移与峰值位移的比值。由图可知，UHPC 连接试件的峰值位移比R-50-H 试件高25%～60%左右，但残余位移与峰值位移的比值在16%～41%之间，小于R-50-H 试件的48%。

图7 位移图

因此可知，UHPC 连接试件在地震作用下具有较高的抗震性能和较好的抗损坏能力，比传统混凝土有更大的承载能力和弹性应变恢复能力，震后的修复难度较小，费用较低，是一种优质的预制构件连接材料[3]。

小结：

（1）UHPC 连接试件的循环效应以弯曲变形为主，但搭接长度为6d 和8d 连接柱由于混凝土与钢筋之间的粘结退化而失效，发生脆性破坏。当搭接长度为12d 时，粘结退化可以消除，从而产生塑性破坏。

（2）随着纵筋搭接长度和配箍率的增加，UHPC 连接试件的侧向承载力和延性也随之增加[4]。8d 搭接长度的UHPC 连接试件可以达到与现浇柱等效的延性。

（3）塑性铰UHPC 连接试件轴压比较低，不利用充分利用钢筋和混凝土的材料性能，在侧向荷载作用下，UHPC 与预制基础连接的界面易产生剪切滑移，从而导致试件的承载力和延性较低[5]。

（4）峰值荷载作用下，UHPC 连接构件峰值位移比R-50-H 试件高，但残余位移与峰值位移的比值却比R-50-H 试件的低。说明UHPC 连接构件具有较高的抗震性能和较好的抗损伤能力。

结语：

在控制好纵筋搭接长度、轴压比和配箍率的前提下，预制构件后浇UHPC 能增强塑性铰处的侧向承载力和延性，达到或超过同等级现浇RC 构件，使得可在预制建筑中采用传统的绑扎搭接技术。从而可以简化操作流程，降低现场施工的技术要求，增强结构在地震荷载作用下的整体性和可靠性，为装配式建筑的研究和推广提供了一些技术建议。