采用UHDC 的钢筋不接触式搭接节点的受弯试验研究

邹勇，朱宇锋，曹淑上，杨若愚

（1 重庆市建筑科学研究院有限公司，重庆 400042；2 重庆大学 土木工程学院，重庆 400044；3 镇江市房屋安全和抗震技术指导中心，江苏镇江 212141）

0 引言

我国在“十三五”规划[1]中就提出要提高环境质量，加强生态环境综合治理，要坚持节约资源和保护环境的基本国策。传统建筑业采用粗放式施工方式，能耗、物耗高，施工机械化程度低，易引起噪音、粉尘等污染，破坏生态环境。而采用预制装配式结构，发展建筑工业化能够显著减少建筑垃圾，在提高生产效率的同时减少污染。

为保证建筑结构的安全性和耐久性，预制装配式结构应具有足够的承载力、延性和抵抗地震等动荷载的能力，其中，节点的连接是关键问题之一。钢筋套筒灌浆连接是将高强、快硬的无收缩无机浆料填充在钢筋与专用套筒连接件之间，浆料凝固硬化后形成的钢筋连接，是最常见的预制装配连接方式。但是，由于施工时钢筋在接头处可能存在位置上的偏差，则会出现难以顺利安装的问题。因此，研究者提出了各种解决方案，如大套筒约束浆锚搭接接头[2]，即在搭接钢筋外放置大尺寸套筒并将灌浆料注入套筒，通过钢筋与灌浆料间的粘结及套筒的套箍作用实现高效连接。即使如此，预制件的钢筋之间仍然需要保持较小的距离。

湿接缝是工程中最常用的节点连接方法，传统施工采用普通混凝土作为湿接缝材料，然而普通混凝土的抗拉性能差，构件节点在湿接缝处易出现受拉开裂、钢筋拔出的现象[1]。节点区受拉性能较好的材料，有望免除套筒，形成不接触式的搭接节点。

同济大学课题组以矿物掺合料、水泥、砂等构成基体，以随机分布的短纤维作为增韧材料制备了新型水泥基材料——超高延性水泥基复合材料UHDC(Ultra High Ductile Concrete)。UHDC 是Engineered Cementitious Composites (ECC)[3]的一种，其平均抗压强度介于30～150MPa，平均抗拉强度介于5～15MPa，平均拉伸应变可达6%～12%以上，接近建筑钢材水平。其具有的良好拉伸应变硬化能力和多重裂缝开裂性能，在工程中能够有效改善湿接缝处的受力性能，实现无筋搭接，提高结构的安全性和耐久性[4-6]。

李庆华、徐世烺团队[7]深入研究了超高韧性水泥基复合材料和钢筋的粘结-滑移性能、超高韧性水泥基复合材料在受弯构件中替代受拉钢筋的效果及其抗疲劳性能和抗震性能。Li,V.C 和Fischer[3]的研究表明钢筋与ECC 的变形协调能力明显好于钢筋与混凝土。Xu 等[8]对混凝土梁和使用钢筋增强的超高韧性水泥基复合材料梁进行研究，发现ECC 在改善梁的延性、减小裂缝宽度等方面的作用明显。

笔者拟利用UHDC 材料的优异性能，研发预制构件的不接触式搭接节点。因此，本文进行了采用UHDC 连接的节点四点弯曲试验，对力学性能、搭接效果和长度进行了分析，为后续装配式结构的节点连接设计提供参考。

1 材性试验

1.1 钢筋性能

本文试验纵筋采用HRB400 月牙肋钢筋，屈服强度设计值为360MPa。根据规范，同直径钢筋每种截取三根长度为500mm 的钢筋进行拉伸试验。节点采用直径12mm 的钢筋，屈服强度平均值为466MPa，平均极限承载力为65.1kN；钢筋的拉伸试验表明钢筋具有明显的弹性阶段、屈服阶段及强化阶段。

1.2 UHDC 性能

根据行业标准《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》[9]的相关规定，UHDC 材料的力学性能测试分为直接拉伸试验、压缩试验及抗折试验。试验采用的UHDC 拉伸应力-应变曲线如图1 所示，拉伸性能参数见表1。结果表明，UHDC 材料具有拉伸应变强化和多缝开裂特征，材料的轴拉强度平均值为7.78MPa，是普通混凝土的3～4 倍。

图1 UHDC材料拉伸应力-应变曲线

表1 节点UHDC材料拉伸试验数据

UHDC 三点弯曲试验抗折荷载-位移曲线如图2 所示。经过弹性阶段后，梁跨中不断出现裂缝，曲线在波动中上升；加载后期某一条裂缝发展为主裂缝，宽度持续扩展，曲线达到极限荷载后斜率下降。节点的UHDC 抗折性能参数见表2。结果表明，UHDC材料具有弯曲强化特征，材料的抗折强度平均值为16.46MPa，同样是普通混凝土的3～4 倍。

图2 UHDC材料的抗折荷载-位移曲线

表2 节点UHDC材料抗折性能参数

节点抗压试验所得力学性能参数如表3 所示。

表3 节点UHDC材料抗压试验数据

1.3 混凝土性能

节点采用标号C30 混凝土。为测量混凝土强度，浇筑3 个150×150×150mm 的混凝土立方体试块，养护28 天后进行抗压试验。试验结果表明，节点混凝土强度满足C30 要求。

2 预制拼装节点四点弯曲试验

2.1 试件设计与制作

预制拼装节点受弯试验包括4 根UHDC 连接预制拼装节点和1 根现浇混凝土对照节点，几何尺寸及配筋情况见图3。节点截面尺寸均为200×150mm，长度为1000mm，纵筋采用直径12mm的HRB400 带肋钢筋。预制拼装节点混凝土段箍筋采用直径8mm的热轧光圆钢筋HPB300，间距为50mm，底部等间距放置4 根搭接钢筋，直钩段弯起48mm（4d）。现浇节点全长布置箍筋，底部钢筋直钩段弯起48mm（4d）。试验变量为UHDC 段钢筋的搭接长度，采用的搭接长度为48mm（4d）、72mm（6d）、96mm（8d）和120mm（10d）。节点设计参数见表4。

图3 UHDC节点几何尺寸图

表4 节点设计参数

2.2 试验装置与方案

为验证UHDC 搭接钢筋在偏心受拉下的受力情况，采用四点弯曲试验。采用位移计测量在支座、跨中、加载节点下滚轴中心的竖向位移以及钢筋拔出的水平位移，采用应变片测量UHDC 段搭接钢筋的应变，同时采用动态数字采集系统记录试验荷载。位移计与应变片布置如图4 和图5 所示。

图4 节点位移测点布置

图5 节点应变片的编号及布置

正式试验前，先对试件进行10kN 的预加载，持载2min，各测点及设备均处于工作状态后缓慢卸载。试验采用位移控制加载，前期加载速率采用0.5mm/min，后期加载速率采用1.0mm/min，试件承载力首次下降到峰值荷载的85%或试件破坏时停止加载。

2.3 预制拼装节点四点弯曲试验结果及分析

2.3.1 破坏模式

节点破坏模式见图6。试验结果表明，节点仅在中部产生裂缝。现浇节点B-0 混凝土压溃现象明显，裂缝较多；预制拼装节点B-3 和B-4 试件上表面混凝土压溃现象较明显，B-1 和B-2 试件无明显压溃现象。由于UHDC 中纤维承担拉力，提高了节点抗弯承载能力，预制拼装节点裂缝更少且大部分集中在UHDC 段及交界面处。预制拼装节点的竖向裂缝均集中在跨中和交界面处，B-1、B-2 和B-4均为交界面处裂缝过大导致试件破坏，B-3 为跨中的UHDC 处裂缝过大导致试件破坏，斜裂缝较少且裂缝宽度较小。预制拼装节点破坏时，在节点底UHDC 与混凝土的两个交界面上均出现整齐的直线段贯通裂缝，宽度较大，说明两种材料交界面为预制拼装节点薄弱处。

图6 节点破坏图

2.3.2 承载力

节点的荷载-挠度曲线见图7，开裂荷载和峰值荷载见表5。由图7、表5 可得，现浇节点B-0的开裂荷载和峰值荷载都是最大的。B-0、B-2 和B-4 试件的开裂荷载接近，B-1 和B-3 试件的开裂荷载较低。由于UHDC 材料中的纤维是在试件产生裂缝后工作的，故开裂荷载的大小影响的是纤维工作的起始时间。随着UHDC 搭接长度的增大，预制拼装节点的峰值荷载逐渐增大，这是因为UHDC 搭接段的长度增加，钢筋与UHDC 的接触面积增大，钢筋的粘结锚固效果也有所增强，UHDC 的“类箍筋”性能得到发挥，试件的承载力也就越大。但由于两种材料交界面为薄弱处，粘结强度过小，导致预制拼装节点UHDC 段纤维未承担较多拉力便破坏，未充分展开多裂缝。

图7 节点的荷载挠度曲线图

表5 节点的各状态下荷载汇总表（kN）

对于预制拼装节点，由于纵向钢筋未完全屈服，预制拼装节点的承载力均小于现浇节点。对各试件的承载力进行分析，拟合出预制拼装节点的承载力与现浇节点承载力的比值关系曲线，如图8 所示，曲线的计算公式如式（1）所示。

图8 峰值承载力比散点图及拟合曲线

式中，F 为预制拼装节点的极限承载力，F0为现浇节点的极限承载力。

该曲线R2=1.00，数据拟合良好。若预制拼装节点想达到与现浇节点同等承载力程度，即F=F0，则由式（1）可以得到：

本文采用的钢筋直径d=12mm，计算可得搭接长度l=14x12=168mm。故理想状态下，预制拼装节点想达到“等同现浇”目标，搭接长度至少为168mm。

2.3.3 挠度

节点的开裂挠度与峰值挠度见表6。可以看出，各个节点的开裂挠度较为接近，说明UHDC 对试件开裂挠度的影响较小。现浇节点B-0 的峰值挠度小于预制拼装节点B-2、B-3 和B-4，说明预制拼装节点的变形能力更强，且预制拼装节点UHDC 搭接长度越长，变形能力越强。相较于普通混凝土开裂后即退出工作，UHDC 中纤维参与试件受拉，在裂缝开展的同时保持承载力，故预制拼装节点峰值位移更大。

表6 节点的各状态下挠度汇总表（mm）

2.3.4 极限状态下节点的钢筋应变

各节点的钢筋极限应变对比见图9，如图可得，钢筋的搭接长度小于96mm 时，钢筋极限应力随搭接长度的增大而增大，最终达到屈服，当搭接长度大于96mm，钢筋极限应力变化不大。这是因为搭接长度较小时，钢筋与UHDC 间的粘结性能是决定性因素，搭接长度越大，钢筋与UHDC 接触面积越大，粘结性能越好。搭接长度较大时，对钢筋应力影响最大的因素为UHDC 与混凝土交界面的抗拉性能，钢筋与UHDC 间粘结力的径向分量较大，而交界面的性能随搭接长度的增大变化不大，故钢筋极限应力基本不变。

图9 各试件底部钢筋极限应变对比

试验中，现浇节点底部钢筋被拉断，预制拼装节点底部钢筋均未被拉断，对比图9 中各试件底部钢筋的应变值，拟合出预制拼装节点底部钢筋应变与现浇节点底部钢筋应变的关系，如图10所示，曲线的计算公式如式（2）所示。

图10 钢筋应变比散点图及拟合曲线

式中，ε 为预制拼装节点钢筋的应变，ε0为现浇节点底部钢筋的应变，l 为预制拼装节点的搭接长度，d 为试件的纵向钢筋直径。

该曲线R2=0.91，数据拟合良好。若预制拼装节点想达到现浇节点的钢筋承载程度，即ε=ε0，则由式（2）可以得出：

本文采用的钢筋直径d=12mm，计算可得搭接长度l=25x12=300mm。故理想状态下，预制拼装节点想达到“等同现浇”目标，搭接长度至少为300mm。

3 结论

为了研发预制构件的不接触式搭接节点，本文进行了UHDC预制拼装节点的四点弯曲静力试验，并得到如下结论：

（1）整浇节点为钢筋拉断破坏；UHDC 预制拼装节点均为交界面处或者跨中处直线段贯通裂缝过大导致试件破坏，斜裂缝较少，钢筋均未被破坏。整浇节点的承载力最大；随着搭接长度的增大，钢筋的应力和应变水平提高，预制拼装节点承载力不断增强。在此基础上，本文给出了钢筋利用系数计算公式；

（2）相比整浇节点，UHDC 预制拼装节点具有更好的变形能力，且UHDC 搭接长度增加，节点的变形能力增强；

（3）由于UHDC 材料的高抗强度和高延伸率，UHDC 连接预制梁在搭接段未配置箍筋的情况下仍能有效地传递弯矩和剪力，但想达到“等同现浇”的要求，还需要对关键因素进行深入研究，如增大搭接长度、增大UHDC 的开裂强度和抗拉强度等。