PE膜成型预制构件粗糙结合面压剪性能试验研究

2023-08-03侯全胜田春雨张亚珊朱礼敏

建筑结构 2023年14期

侯全胜, 李然, 田春雨, 张亚珊, 朱礼敏

(1 中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2 远大住宅工业(天津)有限公司，天津 300405)

0 引言

装配式混凝土结构需要依靠各种节点和接缝将各构件连接成整体,并且还要满足使用阶段的承载力、刚度、延性等要求[1-5]。预制构件之间的连接质量问题是其研究和推广应用的关键技术问题之一[6]。装配式混凝土结构上下层剪力墙或剪力墙与叠合楼板的连接节点(水平结合面)的可靠性对装配式结构的抗震性能和整体性能有很大的影响[7-10]。

水平结合面(简称结合面)受力主要为压(拉)剪复合受力,且主要为地震作用下的往复受力。拉剪复合受力的情况下,结合面会开裂,其承载力主要取决于钢筋,和结合面关系较小;压剪作用下,结合面的受力机理较为复杂,抗剪承载力除与钢筋有关外还和结合面的粗糙情况有直接关系。目前,国内一般采用水洗露骨料处理方法对预制剪力墙结合面进行粗糙化处理,但成型后粗糙面的质量受混凝土强度、预制构件养护时间和温度以及冲洗质量的影响,且水洗过后还需要对废水和废渣进行处理,增加了构件的制作成本[11-12]。

基于此,提出了一种新型的预制构件结合面粗糙化处理工艺,即采用PE膜成型预制构件粗糙结合面。在构件浇筑混凝土之前,将加工成型的PE膜粘贴于模板、模具表面,新浇混凝土由于其流动性会进入PE膜的凹凸槽内,在混凝土达到足够强度后拆除模板、模具以及其表面的PE膜,预制构件结合面便形成了与模具形状尺寸相同的凹凸粗糙面。这种结合面粗糙化处理工艺操作简单、施工便捷、节约成本,可避免水洗带来的废水排放;成型后的粗糙面形式多样、质量可控、便于检验;另外,使用过的PE膜可集中回收,再次加工成型后可重新使用。本文通过12个预制构件粗糙结合面试件的压剪性能试验,研究采用PE膜成型的预制构件粗糙结合面的承载能力和受力机理,并与常用的水洗露骨料粗糙结合面进行对比,为这种新型粗糙结合面成型工艺的应用提供技术支撑。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

试验中所使用的模具的形状、尺寸以及成型后的粗糙面如图1所示。

图1 PE膜及成型后粗糙面示意图

设计并制作了6组共12个预制构件粗糙结合面压剪试件,每组的两个试件完全相同,试件的主要变化参数为:结合面类型、抗剪钢筋配筋率和轴压比。

试件设计如图2、3所示。各组试件新老混凝土结合面尺寸均为200mm×800mm,为了防止加载过程中墙身侧面劈裂破坏,试件墙体两端各预留150mm无接触部分。抗剪钢筋采用梅花状布置,使用灌浆套筒连接,为了便于制作与加载,试件设计时将墙体倒置,灌浆套筒位于墙体上部,墙体与加载梁之间设置20mm厚灌浆层,加载梁与灌浆层接触面采用凿毛处理。竖向分布钢筋采用HRB400;混凝土设计强度等级C30。试件设计参数见表1。

表1 试件设计参数

图2 试件尺寸及抗剪钢筋示意图

图3 试件配筋图

1.2 材料性能

试件组YJa1、YJa3、YJb1、YJb2采用同一批次浇筑混凝土,实测混凝土立方体抗压强度为31.14MPa;试件组YJa2、YJa4采用同一批次浇筑混凝土,实测混凝土立方体抗压强度为32.38MPa。12抗剪钢筋屈服强度为493MPa,极限强度为690MPa;14抗剪钢筋屈服强度为497MPa,极限强度为673MPa。

1.3 加载装置和量测内容

试验加载装置如图4所示,试验在自平衡加载架上进行,试件用锚栓固定在试验台座上,竖向通过千斤顶施加向下的恒定荷载,水平方向采用电液伺服作动器施加往复荷载(加载中心与结合面在同一水平线上)。试验开始后,首先施加竖向荷载至设定值,并保持恒定;然后施加水平往复荷载,试件水平荷载在计算峰值荷载80%以下时,采用荷载加载控制,每级循环1次;试件水平荷载达到计算峰值荷载的80%后,采用位移加载控制,每级循环2次。

图4 试验加载装置图

试件的主要量测内容为加载梁水平位移、结合面上下层相对位移、竖向力和水平力、钢筋应变等。试件测点布置见图5,图中“W”代表位移计,“S”代表钢筋应变片。

图5 试件测点布置图

2 试验现象及破坏形态

2.1 试验过程及现象描述

粗糙结合面成型方式不同、抗剪钢筋配筋率不同的试件组在相同轴压比下具有相同的破坏现象和破坏过程,因此本节对相同轴压比的试件组进行统一描述,试件破坏图见图6。

图6 试件破坏图

(1)0轴压比

荷载达到240～300kN时,在试件左右两侧结合面开始位置出现斜裂缝,裂缝斜向内发展;继续加载至300～360kN,结合面开裂,随后结合面裂缝发展、延伸直至贯通整个结合面,墙身斜裂缝也不断发展增多,正负向加载形成的斜裂缝相交,于墙身形成多条“X形”裂缝;随着荷载的增大,结合面裂缝宽度增大,墙身斜裂缝继续发展,此时结合面上下层相对位移很小。此后,改为位移控制加载,随位移的增加,结合面裂缝明显加宽,结合面上下层相对位移大幅增加,同时伴随着荷载的下降,墙身斜裂缝宽度减小;继续增大位移,荷载不断下降,灌浆层出现破坏,墙身斜裂缝不再发展增多;继续加载,不断有抗剪钢筋断裂,荷载持续下降至10kN以下,试验结束。

(2)0.15轴压比

在达到峰值荷载之前,轴压比为0.15的试件试验现象与0轴压比试件基本相同,但墙身出现斜裂缝时的荷载以及结合面开裂荷载较大,且墙身斜裂缝数量更多,宽度更大,斜裂缝宽度最大能达到0.5mm。荷载下降后,结合面表皮混凝土出现少许剥落,结合面裂缝宽度也逐渐变大,灌浆层出现破坏;两抗剪钢筋之间的交叉斜裂缝与结合面裂缝共同形成闭合裂缝,由于受到抗剪钢筋挤压力,在往复加载作用下,此区域内的混凝土剥落破坏;随着位移的增加,抗剪钢筋断裂,荷载已降至峰值荷载的50%以下,试验结束。

(3)0.3轴压比

荷载加至500～600kN时,试件左右两侧结合面开始位置出现斜裂缝;随着荷载的增大,墙身斜裂缝开始位置由结合面两端逐渐向结合面中间发展,且正负向加载形成的斜裂缝相交,在墙身表面形成“网格形”裂缝;继续加载,结合面开裂,裂缝发展延伸直至贯通整个结合面,且在结合面下侧混凝土出现些许剥落,墙身斜裂缝继续加宽。此后改为位移控制加载,随着位移的增大,结合面上下层相对位移增大,荷载出现下降,结合面处混凝土破坏剥落,灌浆层也发生破坏,墙身斜裂缝明显加宽,缝宽超过2mm;继续加载,墙身混凝土大面积剥落,灌浆套筒外露,水平分布筋向外鼓曲,试验结束。

2.2 破坏形态

PE膜成型的粗糙结合面试件的破坏形态与水洗露骨料结合面试件相同,均为结合面剪切破坏,在试件结合面破坏后,结合面位置有混凝土剥落。抗剪钢筋配筋率的变化并未影响试件的破坏形态。

随着轴压比的增大,试件表面混凝土剥落越严重,墙身斜裂缝越多。0轴压比试件和0.15轴压比试件在结合面受剪破坏后,墙身斜裂缝均不再发展,且裂缝宽度减小,抗剪钢筋的断裂导致试件承载力丧失;0.3轴压比试件,在结合面混凝土破坏且上下层发生明显相对位移后,抗剪钢筋附近的斜裂缝明显加宽,抗剪钢筋的断裂和墙身受剪破坏不能承担轴向荷载共同导致试件承载力丧失。

3 试验结果分析

3.1 结合面荷载-相对位移滞回曲线及骨架曲线

图7为各试件结合面的荷载-相对位移滞回曲线。从图可得,滞回曲线整体呈“Z”形,结合面开裂之前,无滑移现象,曲线基本与Y轴重合;结合面开裂后,荷载依然保持上升,结合面位移很小,试件依然保持很高的刚度直至达到峰值荷载,试件无明显的屈服平台;达到峰值荷载后,结合面位移突增,荷载出现明显下降,刚度出现大幅退化。在达到峰值荷载后,滞回环面积增大,且出现明显的滑移段,滑移段荷载随轴压比的增大而增大,每级峰值位移点处,试件的承载力和抗剪刚度均发生退化。

图7 结合面荷载-相对位移滞回曲线

图8为各试件骨架曲线。从曲线可以看出,正负向加载骨架曲线趋势基本相同,但部分试件正负向加载峰值荷载有所差别,主要原因是当正向加载达到峰值荷载时结合面混凝土破坏,承载力下降,结合面破坏后的试件在负向加载至本级峰值位移时不能承担正向加载的承载力。

图8 结合面荷载-相对位移骨架曲线

3.2 钢筋应变

部分试件的典型荷载与抗剪钢筋应变的关系曲线如图9所示。由图可知,对于同一试件不同测点荷载-钢筋应变曲线的趋势基本保持一致。由于轴压的存在,加载初期,抗剪钢筋受压,在达到峰值荷载前,钢筋应变发展很慢;达到峰值荷载时,抗剪钢筋并未屈服;达到峰值荷载后,钢筋应变迅速变大,所有钢筋均达到屈服应变2 500με。

图9 部分试件典型荷载-抗剪钢筋应变曲线

3.3 影响因素分析

3.3.1 结合面类型的影响

结合面处理方法对试件结合面荷载-位移骨架曲线的影响见图8(a),对比轴压比相同的试件组YJa1与试件组YJb1、试件组YJa3与试件组YJb2可知:结合面分别采用PE膜与水洗露骨料成型粗糙面的预制构件,在相同轴压比下,试件的骨架曲线基本重合。

3.3.2 抗剪钢筋直径的影响

抗剪钢筋直径对试件结合面荷载-位移骨架曲线的影响见图8(b),对比抗剪钢筋直径相同的试件组YJa3与试件组YJa4可知:配置12钢筋的试件组YJa3与配置14钢筋的试件组YJa4的骨架曲线基本一致,但试件组YJa3的极限承载力要比试件组YJa4低10%左右,两组试件达到峰值荷载时对应的位移都很小,在1mm以内。表明增大抗剪钢筋配筋率会提高PE膜成型粗糙结合面的抗剪承载力。

3.3.3 轴压比的影响

轴压比对试件结合面荷载-位移骨架曲线的影响见图8(c),对比试件组YJa1、试件组YJa2、试件组YJa3可知:在达到峰值荷载前,试件骨架曲线趋势基本相同;达到峰值荷载后,由于墙身受剪破坏,试件组YJa3丧失承载力时的结合面上下层相对位移要小于其他两组试件;试件的荷载值随轴压比的增大而增大,试件组YJa3的峰值荷载分别比试件组YJa1和试件组YJa2高490kN和220kN。

4 结合面抗剪承载力分析

4.1 试验结果

试件在达到峰值荷载时,结合面上下层相对位移很小,且无明显的屈服点,分别将结合面的开裂荷载Vk和峰值荷载Vu作为正常使用状态和极限状态下的承载力,试件试验承载力与计算承载力对比见表2。从表中可以看出:1)试件的结合面开裂荷载和峰值荷载都随着轴压比的增大而增大,且轴压比的改变对两种结合面类型抗剪承载力的影响程度基本相同;2)增加抗剪钢筋的配筋率会增加结合面的极限承载力,但对结合面的开裂荷载无影响,原因是在结合面开裂前,抗剪钢筋应变发展小,对结合面抗剪承载力贡献较小;3)PE膜成型粗糙面试件和水洗露骨料粗糙面试件的开裂荷载和峰值荷载接近,表明模具成型和水洗露骨料成型的粗糙结合面的抗剪承载力基本相同。

表2 试件试验承载力与计算承载力对比

4.2 各国规范计算结果

我国《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ 1—2014)[1]中给出了剪力墙水平接缝的抗剪承载力V1计算公式为:

V1=0.6fyAs+0.8N

(1)

式中:fy为受剪钢筋屈服强度;As为垂直穿过结合面抗剪钢筋总截面面积;N为垂直于结合面的轴向力设计值。

美国规范ACI318-11[13]给出的结合面抗剪承载力计算公式基于剪切摩擦理论,并未考虑轴向力对结合面抗剪的贡献。新西兰规范NZS3101∶2006[14]在美国规范公式的基础上考虑了轴向力的影响,其结合面抗剪承载力V2计算公式如下:

V2=φVn=φ(Avffy+N)μ

(2)

欧洲规范BSEN1992-1-1∶2004[15]规定,不同时期浇筑的混凝土结合面抗剪承载力V3按下式计算:

式中:c为粘结系数,新旧混凝土表面粗糙化处理时c=0.45,μ=0.7,齿槽结合面时c=0.5,μ=0.9,表面未处理时c=0.35,μ=0.6;fcd为混凝土抗压强度设计值;fctd为混凝土抗拉强度设计值;fck为混凝土抗压强度标准值;fyd为钢筋抗拉强度设计值;N≤0.6fcdAc,受拉时无第一项,其余符号含义及取值同式(1)、(2)。

按式(1)～(3)计算的结合面抗剪承载力与试验结果的比值见表2。由表2可知,在同组试件中,式(1)和式(2)计算所得结合面抗剪承载力与试验抗剪承载力的比值比较接近,均在0.8以下,当无轴向荷载时,比值均在0.4以下,原因是式(1)和式(2)仅考虑了钢筋的剪摩擦作用以及轴向力的影响,未考虑结合面混凝土的直接抗剪,计算结果偏小;式(3)考虑了结合面混凝土的直接抗剪,计算值与试验值较为接近;3个公式计算值与试验值之比均小于1,说明结合面抗剪承载力具有一定的安全储备。

本次试验结合面为灌浆料和混凝土结合面,由于灌浆料的强度和粒径大小等与混凝土不同,式(3)中摩擦系数μ和粘结系数c也与新老混凝土不同,且通过应变分析可知,当达到峰值荷载时,钢筋并未屈服,结合面粘结力和钢筋剪摩擦力并不能进行简单的最大值相加。统计所有试件抗剪钢筋在峰值荷载阶段的钢筋应力值(为了避免读数偏差带来的误差,每个试件结合面抗剪钢筋的应力值取有效测点最大值),取其平均值作为峰值荷载时的钢筋应变值。根据统计可得,达到峰值荷载时抗剪钢筋的应力值约为0.6fy。

达到峰值荷载时的摩擦系数可通过不同轴压比试件的峰值承载力求得,假定达到峰值荷载时,所有试件结合面的粘结力和钢筋抗剪力相同,唯一变量为轴向力提供的剪摩擦力,峰值承载力差值与轴向力差值的比值即为摩擦系数。根据各组试件试验数据所得的摩擦系数的平均值作为计算结合面抗剪承载力的依据。由试验数据可得结合面摩擦系数μ约为0.75。

达到峰值荷载时结合面的粘结系数可通过结合面混凝土完全破坏后下一级加载的最大荷载求得,此时结合面粘结力消失,钢筋基本屈服,粘结系数可按式(4)计算,求得粘结系数c=0.6。

式中:n为试件数量;Vui为第i个试件的峰值荷载;V(u+1)i为第i个试件结合面混凝土完全破坏后下一级加载的最大荷载;ft为混凝土轴心抗拉强度设计值。

在式(3)的基础上,对摩擦系数μ和粘结系数c进行修正,得到PE膜成型粗糙结合面压剪承载力的修正公式,如式(5)所示:

V=cftAc+μ(N+σsAs)

(5)

式中σs为在试件达到峰值荷载时抗剪钢筋的应力,本次试验取0.6fy。

表2中对本次试验结果与式(5)的计算值进行了比较,由对比结果可知,计算结果与试验结果比较接近,误差在10%以内。