纤维增强混凝土连接的装配式混凝土结构节点性能综述

2020-12-10安晓鹏李清海

硅酸盐通报 2020年11期

安晓鹏，李清海，武斌

(1.中国建筑材料科学研究总院有限公司，绿色建材国家重点实验室，北京 100024； 2.中国建筑材料科学研究总院有限公司，中建材中岩科技有限公司，北京 100024)

0 引言

装配式混凝土结构在国内外有了广泛的应用，已成为建筑工业化的重要组成部分，且装配式建筑标准化程度高、施工速度快和环境影响小等优势正在逐步凸显。近年来，我国正在以装配式建筑为基础，不断地推动建筑工业化的发展。2016年，我国颁布GB/T 51231—2016《装配式混凝土建筑技术标准》[1]，对装配式混凝土结构的设计和工程建造进行了规范和引导，装配式混凝土建筑的安全性也受到越来越多的关注。对于装配式混凝土建筑，构件之间的连接对结构整体性能的影响较大[2]，尤其是在地震荷载作用下，预制构件连接处失效和破坏是引起建筑物整体倒塌的重要原因[3-4]。为了提升装配式混凝土结构连接节点性能，研究者提出了预应力钢绞线压花锚连接[5]、节点区附加型钢[6]、设置弯起钢筋和焊接锚固板等方法。这些方法虽然能够增强装配式建筑的整体性能，但往往造成连接区域钢筋拥挤、箍筋难以安装等问题[7]。普通混凝土作为使用量最大的建筑材料，有满足建筑需求的抗压强度，但也存在抗拉性能较差和耗能高的问题，而纤维增强混凝土则表现出较高韧性，且在土木工程中已有广泛的应用。纤维增强混凝土在装配式混凝土建筑中的研究和应用也越来越多，使用纤维增强混凝土连接预制混凝土构件可提高装配式混凝土结构节点韧性，改变装配式建筑破坏形式，增强结构承载力和抗震性能。

本文分别对普通纤维混凝土、超高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)和超高性能混凝土(UHPC)在连接的预制混凝土结构的承载力、开裂形式、破坏形式及刚度退化等性能的影响进行了总结，有利于推动纤维增强混凝土在装配式建筑中进一步研究和应用。

1 装配式混凝土结构节点连接研究进展

装配式混凝土结构的性能与节点连接有直接的关系，尤其梁-柱连接在装配式结构设计中至关重要，节点连接不仅与建筑物局部受力、传力行为相关，也对建筑物整体性能有较大的影响。理想的节点连接应有效保证构件之间荷载传递和限制构件之间的相对位移，提升结构整体稳定性[8]。20世纪60年代，波特兰水泥协会(PCA)对预制装配式混凝土节点进行了试验研究，该研究涵盖了预制装配式混凝土结构的连续性、预制混凝土柱顶端承载力、梁-梁和梁-柱连接等主题[9-10]。20世纪80年代，PCA针对多种常用的梁-柱连接形式，研究了各种连接形式的刚度、强度和韧性等关键参数[11]。此后，美国和日本联合对装配式混凝土结构抗震性能进行了研究[12]，并在实验和理论研究的基础上，提出了装配式结构抗震设计推荐准则，同时，也在新材料应用、装配式工程技术等方面做了一定的研究[13]。该研究中，美国的研究者主要通过节点韧性连接方式提高预制构件抗非弹性破坏能力，而日本研究者则侧重于节点强连接。通常，梁-柱连接的设计应避免节点处发生破坏，尤其是在地震高风险区域，非线性破坏区域与柱之间的距离应至少达到构件深度的一半[14]。如新西兰预制混凝土结构设计标准中，要求通过相应的承载力设计方法，以保证受弯屈服区域远离节点区域。通过增强柱和节点的承载力，将受弯屈服控制在梁端塑性铰区域，可有效提升结构的抗震能力[15]。研究者通过在梁柱钢筋端部焊接锚固板或设置弯起钢筋的形式，提高节点处钢筋的抗拔能力，从而增强节点承载能力，使得梁塑性铰向远离柱和节点的方向移动[16-17]。但是，多数研究仍集中在加强配筋和增强钢筋承载力的角度提升装配式混凝土节点连接强度，增强混凝土结构的稳定性。随着混凝土技术的发展，研究者提出了通过改变和提升后浇连接处混凝土本身性能，移动预制混凝土结构塑性铰位置的方法，提高结构的承载能力。装配式预制混凝土结构梁-柱节点连接处使用纤维混凝土浇筑，如超高韧性纤维增强水泥基复合材料(ECC)、高性能纤维增强水泥基复合材料(HPFRCC)、韧性纤维增强水泥基复合材料(DFRCC)、纤维增强混凝土(FRC)和超高性能混凝土(UHPC)等，可有效提高结构抗震性能。

2 普通纤维增强混凝土

在混凝土中加入如钢纤维、玻璃纤维、有机纤维和碳纤维等可提升混凝土抗拉强度和韧性。根据其纤维种类和混凝土性能差异，纤维混凝土现已分为较多的类别，本节中只针对以普通钢纤维混凝土为主的常规性能纤维增强混凝土。Soubra等[18]研究了钢纤维混凝土后浇梁-柱节点连接的预制混凝土梁-柱构件的性能，结果表明，钢纤维混凝土连接构件承载力明显高于普通混凝土连接构件，且前者耗能是对照组10倍以上。研究者发现虽然钢纤维混凝土后浇装配式梁-柱构件在新旧混凝土界面处容易产生裂缝，但构件整体延性和耗能仍高于普通混凝土整体现浇构件[19]。Abdul等[20]对比了抗压强度均为50 MPa的普通混凝土和钢纤维混凝土后浇的装配式梁-柱节点性能，发现钢纤维混凝土后浇构件破坏后节点处裂缝明显少于普通混凝土后浇构件；在新旧混凝土界面处，普通混凝土后浇构件裂缝宽度达到25 mm，而钢纤维混凝土后浇构件直至整体破坏时才出现裂缝。图1为普通混凝土和钢纤维混凝土后浇装配式混凝土梁柱节点破坏形式对比[21]，普通混凝土后浇节点处出现明显的剪切破坏，而钢纤维后浇节点只有少量裂缝，构件在梁端发生破坏，钢纤维混凝土有效地保护了梁柱核心区，对提高装配式结构抗震性能有较大正面效应。

图1 装配式混凝土梁柱节点破坏形式[21]Fig.1 Failure modes of precast concrete beam-column joint[21]

3 超高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)

超高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)是美国密歇根大学Victor Li及其团队基于材料微观性能和细观力学原理设计的新型水泥基材料，该材料具有高拉伸应变-硬化能力，改变了传统水泥基材料拉应力作用下单裂纹开裂的模式，具有极高的断裂能，且达到极限荷载时，裂缝宽度低于100 μm。通常，ECC 的极限拉应变为3%～7%，抗拉强度约4～6 MPa，此外，ECC 具有较好的工作性能[22-23]。ECC优异的抗拉性能主要是通过掺入较高长细比的聚合物纤维实现的，常用的纤维有聚乙烯醇纤维(PVA)、聚乙烯纤维(PE)和聚丙烯纤维(PP)。国内外对ECC连接混凝土装配式结构节点方面进行了研究，与普通混凝土相比，采用ECC浇筑混凝土装配式结构节点能显著提高结构整体的极限承载能力和极限位移[24-25]。同时，采用不同纤维配制的ECC均对混凝土装配式结构节点有明显的增强作用，相关研究表明，ECC-PE浇筑梁-柱节点可提高结构耗能能力[26]；ECC-PVA浇筑梁-柱节点能够提高结构抗震性能，提升极限承载力、延性和剪切强度[25]；ECC-PP浇筑梁-柱节点能够替代节点处部分钢筋的弯起构造[27]。除ECC自身的良好韧性和多裂缝发展特性外，纤维的掺入降低了钢筋拔出过程中混凝土基体的破坏程度，使得ECC与钢筋之间的粘结性能优于普通混凝土[28-29]，这也会增强ECC浇筑的混凝土装配式结构节点的承载能力。

3.1 裂缝和破坏形式

研究者对ECC浇筑的装配式混凝土结构梁-柱节点的裂缝和破坏形式进行了实验研究，梁柱框架在达到极限承载力后呈塑性破坏形式，主要破坏区域集中在梁端的塑性铰位置，其破坏机制满足“强节点弱构件”“强柱弱梁“的基本结构设计总则。Gou等[30]对比了普通混凝土整体现浇、普通混凝土后浇梁-柱节点和低收缩ECC后浇梁-柱节点在循环荷载作用下的性能差异，结果显示，普通混凝土后浇梁-柱节点构件提前出现首条裂缝，且首条裂缝出现时荷载仅为整体现浇构件的1/2，但低收缩ECC后浇梁-柱节点构件首条裂缝出现时的荷载与整体现浇构件一致。此外，该研究还对比了不同钢筋构造形式的ECC后浇节点性能，结果显示，钢筋构造形式对首条裂缝出现荷载的影响较小，这表明ECC后浇节点能保证与整体现浇结构一致的性能，无须额外增加配筋或改变端部钢筋锚固形式。同时，ECC后浇节点构件的首条斜向剪切裂缝出现时荷载明显高于普通混凝土后浇节点构件。Choi等[6]设计了一种通过在梁-柱节点处设置方型钢加强并采用ECC后浇的预制混凝土梁-柱节点连接形式，与整体现浇混凝土梁-柱构件节点处产生斜向剪切裂缝不同，其裂缝主要集中在远离梁-柱节点的塑性铰区域，随着荷载的增大，裂缝区域向节点处扩张，同时裂缝宽度明显低于现浇构件；同时，Choi等还比较了ECC不同后浇长度对梁-柱的影响，结果表明，缩短后浇混凝土长度引起塑性铰区域向梁-柱节点移动，但同等后浇长度情况下，梁端部设置弯起钢筋会在一定程度上阻止塑性铰区域向梁-柱节点移动。Lu等[24]研究发现，当位移角为1%时，后浇ECC与预制混凝土界面处出现可见裂缝，但随着荷载的增加裂缝宽度未见明显增大，作者认为该裂缝是由后浇ECC与预制混凝土弹性模量的差异引起，并不是界面连接失效引起。此外，ECC后浇构件表现为多裂缝开裂形式，且裂缝宽度明显小于普通混凝土后浇构件[31]，产生裂缝后纤维的连接作用产生了积极的作用。图2(a)、(b)分别为普通混凝土和ECC后浇试件最终破坏形式，在节点钢筋布置一致的情况下，普通混凝土后浇构件为典型的梁-柱节点剪切破坏，而ECC后浇构件为梁端部开裂破坏，且未见明显的混凝土压碎的现象。

图2 普通混凝土和ECC后浇装配式混凝土梁柱节点破坏形式[30]Fig.2 Failure modes of precast concrete beam-column joint[30]

综上所述，ECC后浇的预制混凝土构件在首条裂缝出现时荷载与现浇结构一致，优于普通混凝土后浇的梁-柱节点构件；ECC后浇的预制混凝土构件在荷载作用下，裂缝主要出现区域远离梁-柱节点连接处，节点处以微裂缝为主；达到极限荷载时，ECC后浇构件为梁端塑性破坏，避免了节点处剪切破坏的不利状况的发生。

3.2 承载力和滞回特性

滞回曲线是循环作用下的荷载-位移曲线，反映构件反复力作用下的变形特征、刚度退化和能量消耗等特征。采用ECC现浇节点连接的混凝土构件的滞回曲线较整体普通混凝土现浇构件，往往更饱满，即同等抗压强度时，ECC现浇节点构件具有较大的极限承载力和变形能力[32]。当梁-柱构件达到最大荷载后，采用ECC浇筑节点的构件承载力峰值退化速率低于普通混凝土构件[33]。与ECC取代普通混凝土浇筑梁-柱节点的现浇构件相比，预制混凝土结构使用ECC后浇节点也同样对构件极限承载力和变形能力有正面效应。研究者对比了ECC节点的现浇梁-柱构件和ECC后浇节点的装配式构件在循环荷载作用下的性能表现，结果显示，当达到极限承载力后，随着位移角的增大，现浇构件承载力没有明显的降低，而后浇ECC预制构件承载力略有降低，同时，不同的节点钢筋布置形式对ECC后浇梁-柱构件在弹性阶段和荷载峰值的影响较小[34]，此外，增大梁-柱节点处ECC浇筑区域对预制混凝土梁柱构件极限承载力的影响较小，但明显增强构件的韧性和变形能力[6]。图3为Xu等[31]通过对比试验得到的不同浇筑形式、材料的梁-柱构件滞回曲线和骨架曲线，从图中可知，ECC后浇节点能够使装配式梁-柱构件滞回曲线更饱满、稳定，优于图2(b)中普通混凝土后浇节点构件；但装配式梁-柱构件反向承载力较现浇构件明显降低，这与相关研究结果一致[34]，反向极限承载力下降约10%。由此可知，ECC后浇装配式梁-柱体系整体承载力和变形能力能够与现浇混凝土体系保持一致的性能，但反向荷载承载能力较现浇体系有所下降。

3.3 承载力/刚度退化

结构承载力和刚度的退化性能关系到建筑结构受较大荷载(如地震荷载等)作用后，是否仍能不发生倒塌，其对结构安全性能的影响较大[35]。结构设计相关标准规范中也对该性能做了具体的要求，如美国混凝土学会ACI T1.1-01中推荐，当位移角达到3.5%后，承载力应高于初始承载力的75%。实验研究表明，ECC后浇节点的预制混凝土装配式梁-柱构件均能达到上述要求，且该比例往往高于85%[6,31]，同时，ECC后浇构件承载力退化低于同样构造的普通混凝土后浇构件。相同强度的ECC与普通混凝土相比，受同样荷载作用后，ECC的残余抗压强度高于普通混凝土[36]，且在循环荷载的加载过程中，ECC后浇节点构件承载力退化速率明显低于普通混凝土现构件[6]，此外，ECC基体与钢筋之间较强的粘结力也对此有一定的影响[37]。由于ECC的弹性模量通常低于普通混凝土，则ECC后浇节点的装配式梁-柱构件的初始刚度往往低于现浇混凝土以及普通装配式构件，此外，ECC和预制混凝土界面粘结状况是否对装配式构件初始刚度有影响并不明确。然而，ECC的应变硬化特性使得ECC后浇构件刚度退化速率低于普通构件[6]，当构件位移角达到3%时，ECC后浇节点构件刚度高于普通装配式构件和现浇混凝土构件。

因此，ECC后浇梁-柱节点可有效降低结构经受较强地震荷载作用时倒塌的风险，提高装配式预制混凝土结构的抗震性能，但是，ECC材料组成、细观性能与构件宏观性能的关系及影响机理研究较少。

图3 不同浇筑形式、材料的梁-柱构件滞回曲线和骨架曲线[31]Fig.3 Hysteretic and envelop curves for different cast type and materials[31]

4 超高性能混凝土(UHPC)

20世纪90年代，Richard 等[37]使用水泥、硅灰、石英砂粉、纤维和减水剂等原材料，在较低水灰比的状况下，配制形成了活性粉末混凝土(RPC)，该混凝土有较高的抗压强度。Larrard 等[38]在活性粉末混凝土的基础上，采用最紧密堆积原则进行配比优化设计，并首先提出了超高性能混凝土(UHPC)的概念，但仍需对其进行高温养护。由于受生产工艺和生产能耗等因素的限制，UHPC在当时并未实现较大规模的应用[39]。随着相关研究的深入，使用常规原材料和标准养护条件下，已能够实现超高性能混凝土抗压强度高于120 MPa的要求，生产成本得到进一步降低[40-41]。目前，超高性能混凝土在桥梁工程[42]、道路工程[43]、建筑工程[44]和加固修复工程[45]等已经得到较广泛地应用。超高性能混凝土(UHPC)抗压强度通常为120～200 MPa，最高可达800 MPa，抗拉强度为6～10 MPa，弹性模量为40～70 GPa，其破坏形式与普通钢纤维混凝土类似，但当达到荷载峰值时仍有较大的抗弯承载力，此外，UHPC的韧性远大于普通混凝土[46]。

近年来，UHPC后浇连接预制混凝土结构的研究和应用主要集中在预制桥梁方面。Grace 等[47]通过实验研究发现，UHPC后浇连接的预制混凝土T型梁破坏时，T型梁翼缘混凝土压碎，而UHPC节点及界面未发现明显的破坏，相关研究同样表明，UHPC后浇连接的预制混凝土桥梁极限承载力取决于预制混凝土构件而非后浇节点[48]。同时，采用UHPC连接预制桥梁构件时，对连接处钢筋搭接长度要求有所较低，Graybeal等[49]报道钢筋搭接长度为150 mm时，UHPC连接的预制构件能够满足设计承载力要求，Arafa等[50]研究结果显示，当钢筋搭接长度为200 mm时，构件最终破坏部位为预制混凝土部分。Maya 等[51]研究了UHPC后浇连接的预制箱梁桥在不同钢筋搭接长度(40/50倍钢筋直径)状况下的性能，结果显示，预制箱梁的破坏形式均为梁上表面混凝土压碎，且跨中位移均高于整体预应力梁桥承载力计算值；同时，虽然UHPC后浇连接箱梁桥的初始抗弯刚度低于整体预应力梁桥，但前者抗弯刚度随荷载增大的降低速率较低。UHPC后浇部分通常无可见裂缝，但新旧混凝土界面处及界面附近的预制混凝土部分往往为主要裂缝出现区域[42,52]，因此，为了更好地发挥UHPC后浇连接的优势，宜通过结构优化设计加强应力向UHPC后浇区域传递。

除预制桥梁外，科研人员对UHPC连接预制框架结构方面也有一些研究。UHPC连接的预制混凝土抗弯性能与现浇混凝土梁相似，且明显优于普通混凝土连接的预制梁。冯军骁等[53]对比了受拉钢筋搭接长度分别为10D、15D、20D、25D、30D和35D(D为受拉钢筋直径)时装配式梁的受弯性能，结果显示，受拉钢筋搭接长度对装配梁的极限承载力和裂缝开展形式的影响较小，且承载力均大于设计值的1.3倍；UHPC后浇段均未发现明显裂缝，新旧混凝土界面开裂现象较为明显。同时，受拉钢筋搭接长度为10D时，承载力和变形能力已达到与现浇混凝土一致的水平，该搭接长度明显低于ACI-318-11[54]、MC-2010[55]和EHE-08[56]中关于钢筋搭接长度推荐值。由此可见，使用UHPC连接装配式构件可大幅度降低钢筋搭接长度，减少装配式建筑中现浇混凝土量，提高装配率。Maya等[57]对比了受拉钢筋搭接长度分别为10D、15D和20D(D为受拉钢筋直径)时，UHPC连接装配梁的破坏形式，结果显示，当钢筋搭接长度为10D，装配梁为劈裂破坏；当钢筋搭接长度为15D时，装配梁为复合破坏，即侧面劈裂破坏前受拉钢筋基本屈服；当钢筋搭接长度为20D时，装配梁为延性破坏，梁上表面混凝土压碎。因此，受拉钢筋搭接长度较短时，虽然能够保证装配梁的承载力，但是适当延长钢筋搭接长度对结构抗震性能有正面影响，同时，该研究中最大搭接长度20D仍远低于相关规范中的推荐值。图4为装配梁UHPC后浇段及其附近在受拉面的混凝土形变分布[57]，可以看出，UHPC后浇段形变较小且大小基本一致，而新旧混凝土界面处形变最大，因此，与预制混凝土梁桥一致[42,52]，提升新旧混凝土界面粘结力和加强应力向UHPC后浇区域传递为UHPC后浇装配式建筑中应关注的重点。

图4 装配梁受拉面混凝土形变[57]Fig.4 Deformations at the tensile chord of precast concrete beam[57]

UHPC后浇连接预制混凝土梁柱方面的研究相对较少，据文献报道，当后浇段设在梁端，而梁柱节点为预制混凝土时，承载力与现浇结构表现一致，但破坏形式为梁柱节点区域剪切破坏[58]；当后浇段为梁柱节点时，当达到极限承载力时，梁端出现塑性铰，后浇UHPC梁柱节点即新旧混凝土界面未发生明显破坏[59]。

综上所述，UHPC连接的预制混凝土装配式结构，可达到与现浇混凝土结构一致的承载力，且可较大程度降低受拉钢筋搭接长度要求，但适当延长钢筋搭接长度和后浇段长度，可有效提升装配梁的跨中极限位移，优化破坏形式；对于装配式框架结构，后浇段宜设在梁柱节点处，有利于提升结构抗震性能；新旧混凝土界面及界面附近预制混凝土区域是构件破坏时裂缝集中区域，提升UHPC与普通混凝土粘结力可有效提升结构整体受力性能。