钢筋套筒浆锚连接的预制柱试验性能研究①

卫 冕， 方 旭

(同济大学土木工程学院建筑工程系，上海200092)

0 引 言

装配式钢筋混凝土框架结构是由预制梁、柱、楼板等许多构件连成一体的，因此预制结构首要解决的是预制构件之间的连接问题. 连接节点、接缝应注重概念设计，通过合理的连接节点与构造，保证构件的连续性和结构的整体稳定性.装配式建筑根据其装配化程度可分为两大类，即全装配式和装配整体式［1］.

常用的全预制装配式框架的连接存在构造复杂、传力不直接、受力不明确、造价较高等问题［2，3］.鉴于此，本文的研究的装配柱采用新型钢筋套筒连接，具体连接方法是先将需连接的纵向受力钢筋于套筒内对齐，然后在套筒中灌以高强灌浆料，灌浆料凝结硬化后上下两根钢筋的应力通过钢筋表面与砂浆、砂浆与套筒壁的粘结力传递. 本文就采用此种连接方式的装配柱的抗震性能进行了拟静力低周反复加载试验，得到其抗震性能，并与整浇柱对比;同时验证其在静力荷载作用下的承载力是否可靠，从而为采用钢筋套筒连接的装配式结构在实际工程的应用提供依据.

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

本次试验共有6 个试件，其中4 个是装配整体式钢筋混凝土柱，编号依次为2#，3#，5#，7#;另外2个试件是供对比用的整浇钢筋混凝土柱，编号为1#，6#.试件尺寸和配筋等分别见图1 和图2.

图1 现浇柱立面图

1.2 材料性能

试件的钢筋均采用HRB400 级钢.材性试验表明，钢筋有明显的弹性段和屈服段. 表1 列出了钢筋屈服强度fy和极限强度fu实测值，实测值为3 根钢筋材性试验的平均值，屈服应变εy= fy/Es，弹性模量取Es= 2.0 ×105MPa.

表1 钢筋强度实测值

表2 列出了试件混凝土立方体抗压强度实测值，混凝土强度为3 个边长150mm 立方体试块28天龄期抗压强度的平均值，灌浆料强度为3 个边长70mm 立方体试块抗压强度平均值.试件的混凝土强度由同济大学结构实验室提供.

图2 预制柱立面图

表2 试件混凝土和灌浆料立方体抗压强度fcu 实测值

1.3 加载制度与量测内容

本次试验共有两种加载工况:低周反复加载和静力加载.其中低周反复加载又分为两个阶段，每个阶段分别按0.5Ncu和0.75Ncu(Ncu为预估极限荷载)，进行反复加载.其中第1 阶段先加3 个循环的预载，大小取0.4 倍的开裂荷载.之后取峰值为0.5Ncu，采用正弦波加载的方式，加载次数为30 次，每个波形周期为60s.第2 阶段，取峰值为0.75Ncu反复加载.采用正弦波方式，加载次数为100 次，每个波形周期为45s.

在低周反复加载完成后，按照与低周反复加载相同的荷载方式、作用点，对各个试件进行静力加载.加载时，采用连续加载的方式，从零开始一直加载到试件破坏，直到试件的水平承载力下降到最大承载力的80%时结束试验.加载过程中，主要测试的内容有:水平荷载、水平位移、纵向钢筋应变以及混凝土的变形. 所有测试数据有TSD 数据采集仪采集，其中水平荷载和水平位移也同时传输到XY函数记录仪中，用来绘制P-△滞回曲线.

1.4 破坏过程和破坏形态

试验结果证明，预制试件与现浇试件的破坏形态基本相同，为拉区混凝土开裂、竖向钢筋受拉屈服、压区混凝土压碎的受弯破坏;但两者裂缝的分布位置不同，现浇柱试件先在柱脚处开裂，最后的贯通裂缝沿着柱和底座的交界面开展;而预制柱试件与底部交界面的裂缝宽度不大，最后的贯通裂缝出现在套筒上部的位置.如图3，4 所示.

2 试验结果及分析

2.1 滞回曲线

由图5，6 可以看出，试件的滞回曲线具有以下的共同特征:

(1)在低周反复加载的预载阶段，滞回环较为饱满，基本呈梭形;第一阶段由于裂缝的产生和发展，混凝土内部开始有滑移，曲线开始呈现“捏缩效应";到了第二阶段，曲线“捏缩效应"明显，呈弓形和反S 形.

(2)在同级荷载的作用下，滞回环包围的面积越来越小，表明构件耗能能力的退化. 残余变形和曲线所围面积随荷载的增大而增大，同时曲线随荷载增大向位移轴倾斜.

图3 现浇柱裂缝及破坏形态图

图4 预制柱裂缝及破坏形态图

(3)关于加载曲线，在同级荷载作用下，随循环次数的增大，位移逐渐增大，曲线斜率逐渐减小，说明在反复荷载下试件的刚度退化，如1#，2#，6#.加到第二级荷载时，曲线斜率显著减小.

(4)关于卸载曲线，在同级荷载作用下，曲线的斜率随反复荷载次数的增大而减小，表明试件卸载刚度的退化，如1#、3#、7#. 加到第二级荷载时，曲线斜率显著减小. 全部卸载后，试件留有残余变形，变形随加载次数的增加而增大.

2.2 承载力

表3 各柱承载力

2# 27.57 48.6 59.81 3# 28.54 47.77 65.55 5# 27.38 37.54 40.53 6#(现浇) 26.17 47.87 56.29 7# 27.04 28.93 39.76

由表3 可见，1#，6#构件为现浇柱，二者强度较为一致.2#，3#，7#柱由于根部连接处用来封边的水泥砂浆强度不足，出现跑浆现象，浆料并未充满套筒，灌浆不充分.同时，由于跑出的的灌浆料在柱底扩散，且灌浆料强度较高，导致这几根柱子强度各异:2#柱为平面内倾斜，破坏阶段力的加载方向与倾斜方向相反，故承载力略高;7#柱亦为平面内倾斜，但破坏阶段力的加载方向与倾斜方向相同，故承载力较低;3#柱为平面外倾斜，但承载力最高，可能原因为:1)平面外倾斜严重，导致其轴力最小;2)漏浆最多，最后其实是高强砂浆在受压.5#柱灌浆充分，且无跑浆现象，其屈服承载力为现浇柱的80%，极限承载力为现浇柱的70%.

图5 现浇柱滞回曲线

2.3 变形与延性

本文柱的延性用柱端位移延性系数μΔ表示.μΔ的计算方法见公式如下:

其中Δu为对极限荷载时柱子最大水平位移;Δy为屈服时的水平位移.

表2 各试件柱端位移延性系数

从上表可以看出:四个装配柱的柱端位移延性都大于3.5，大于一般规定的钢筋混凝土框架柱的延性的要求［4］，同时大于现浇柱的延性系数，说明装配柱均具有较好的延性.

总之，装配式框架柱不仅具有较高承载力，而且具有良好的延性和耗能能力，能满足抗震要求.

2.4 刚 度

本次试验由于低周反复阶段荷载级数较少，故同时考虑破坏阶段的刚度退化.首先计算试件在受力各阶段的刚度特征值，包括初始刚度K30，K130，开裂刚度Kcr、屈服刚度Ky及极限刚度Ku.考虑到试验开始时位移传感器读数的相对误差较大，采用低周反复加载第一阶段结束时的割线刚度作为初始刚度，记为K30.试件在受力各阶段的刚度特征值见表5.

表5 试件各受力阶段的刚度特征值

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由表中可以看出相比装配柱，现浇柱的刚度退化较快.灌浆最成功的5#柱，屈服之后的刚度退化情况与现浇柱类似.

图6 预制柱滞回曲线

图7 现浇柱承载力骨架曲线

图8 预制柱承载力骨架曲线

为便于比较，在此将所有的试件的相对刚度退化曲线置于同一坐标系中，如图2.5. 由图2.5 可以看出，在反复加载的第一阶段，试件的刚度较大，随着循环次数的增加，刚度逐渐减小. 到了第二阶段，由于裂缝的产生和发展，混凝土与钢筋之间开始产生滑移，同时由于混凝土开始有塑性变形，试件的刚度退化程度加快. 试件屈服之后，刚度进一步退化，但这时刚度退化的速度开始减慢，最后刚度退化趋于平缓.刚度退化中小的波动是由于加载的不均匀性造成的，不影响分析过程.

图9 各试件的刚度退化曲线

2.5 耗能能力

根据JGJ 101—96《建筑抗震试验方法规程》［5］的规定采用粘滞阻尼系数计算试件的耗能能力.表6 列出了6 个试件的粘滞阻尼系数值. 从表中数据可以看出:

(1)由于采用力加载，同级荷载下，随着循环次数的增多，刚度逐渐退化，故粘滞阻尼系数越来越小，耗能性能越来越差.

(2)构件的耗能能力在低周反复加载的第一阶段变化较大，整个第二阶段几乎已经没有耗能能力.

(3)灌浆最成功的5#柱粘滞阻尼系数最大，装配柱的粘滞阻尼系数基本大于现浇柱，说明装配柱的耗能性能较好.

表6 构件的粘滞阻尼系数

3 结 论

本文通过低周反复及单向破坏的加载试验，研究了竖向钢筋采用钢筋套筒连接的预制柱试件的承载力和抗震性能，得到如下结论:

(1)从六个试件的滞回曲线可以看出，现浇试件和装配式试件都经历了从较为丰满的梭形滞回环到具有捏缩现象的反“S”形滞回环. 在预载阶段，试件没有损伤，耗能性能较好，滞回曲线比较饱满，但由于试件与机器间存在微小间隙，导致个别试件滞回环有一些偏差.当低周反复第一阶段结束后，试件刚度开始退化，滞回曲线中部呈轻微捏缩现象，滞回曲线所包围的面积减小;进行到第二阶段时，随着循环次数的继续增大，试件的滞回曲线捏缩现象明显.

(2)关于承载力和刚度，预制柱的开裂荷载与现浇柱几乎一致.以灌浆成功的5#装配柱来看，其屈服荷载和极限荷载略小于现浇柱.预制柱的刚度退化相比现浇柱较慢.

(3)等效粘滞耗能系数和位移延性系数可以看出，现浇柱和装配式柱的耗能能力相近，具有良好的耗能能力.

(4)预制柱的极限位移角达1/1219 ～1/49，满足柱大震下的层间位移角要求.

［1］ 北京建筑上程学院建筑技术教研组. 装配式建筑设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，1983.

［2］ Prestressed Concrde Institute.PCIdesign Handbook［M］.1978.

［3］ 薛伟辰.预制混凝土框架结构体系研究与应用进展［J］.工业建筑，2002，32(11):47 -50.

［4］ 李忠献，张雪松，丁阳.装配整体式型钢混凝土框架节点抗震性能研究［J］.建筑结构学报，2005，8:32 -38.

［5］ JGJ 101—96 建筑抗震试验方法规程［S］. (JCJ101—96 Specification of Testing Methods for Earthquake Resistant Building［S］.(in Chinese)).