套筒灌浆连接预制混凝土框架柱接头斜截面抗剪性能试验研究*

薛伟辰,雷 杰,孙 哲

(同济大学建筑工程系,上海 200092)

0 引言

预制柱是预制混凝土框架结构中竖向承重构件,预制柱性能对框架结构的安全有重大影响[1]。上、下层预制柱一般通过可靠的连接方式形成整体。在预制柱连接构造上,套筒灌浆连接具有连接性能可靠、钢筋搭接长度较短等优点,成为目前国内预制混凝土框架结构中应用较广泛的连接方式,也是JGJ 1—2014《装配式混凝土结构技术规程》[2]重点推荐的连接方式。本文所研究的预制柱接头是指接缝及接缝附近的预制构件部分。

在框架柱受力性能中,抗剪性能是其中最值得关注的重点内容[3]。按剪力引起的破坏形态不同,可把剪切问题分为2类:一类是指剪力造成横穿构件的斜裂缝,称为斜截面剪切;另一类是剪力造成某一薄弱界面的水平通缝,称为界面剪切。国内外学者[4-7]已针对不同界面构造的预制混凝土柱接缝的抗剪性能开展大量试验研究,研究表明,接缝抗剪承载力随界面粗糙度的增大而增大,界面摩擦力与构件轴压力为线性关系。预制混凝土构件接缝的计算理论研究表明,预制混凝土构件接缝的抗剪机理主要包括界面摩擦机理、剪切摩擦机理、钢筋销栓抗剪机理和剪力键机理。关于混凝土柱斜截面剪切的研究相对较少,且主要集中在现浇混凝土(RC)柱。Moretti等[8]开展8根混凝土短柱试验,轴压比为0.3,研究纵筋配筋率、箍筋配筋率对柱接头抗剪性能的影响,研究表明,纵向配筋率高(4%)的柱刚度退化较快,箍筋配筋率的提高(1.9%)有利于提高柱的延性。余波等[3]利用38组试验数据进行统计分析,分别确定了混凝土、箍筋和拱模型的抗剪承载力贡献系数近似取值,建立了RC柱抗剪承载力简化模型。解咏平等[9]针对6个不同截面尺寸的钢筋混凝土短柱开展单调和低周反复加载抗剪试验,轴压比为0.4,结果表明,钢筋混凝土柱抗剪承载力的安全储备系数随截面尺寸的增大而降低,提出考虑截面尺寸影响系数的钢筋混凝土柱抗剪承载力实用计算公式。李立仁等[10]通过16根1/4缩尺高强混凝土柱试验,研究了高强混凝土框架柱的抗剪性能,试验结果表明,剪跨比对开裂剪力基本无影响,框架柱抗剪强度随轴压比增大而增加,此外,对剪跨比较大的框架柱,现行规范的框架柱抗剪强度计算公式偏不安全。黄慎江等[11]开展了12根钢筋混凝土约束短柱试验与分析,轴压比为0.25,建立了弯、剪、压复合应力状态下构件受力分析的力学模型,分析抗剪承载力计算公式中混凝土斜压柱体、轴压力和桁架机构3部分对抗剪承载力的贡献,随着剪跨比增大,由混凝土斜压柱体和轴压力贡献组成的压力拱机构承受的剪力逐渐减小,而桁架机构承受的剪力相对逐渐增大。与现浇框架柱整浇施工工艺不同,预制柱通过合理构造措施连接成整体,因此接头的抗剪承载力取斜截面剪切、界面剪切两者的较低值。国内外学者针对带有拼缝的预制混凝土柱接头抗剪性能已开展试验与理论研究。邓艾等[12]应用中国规范《装配式混凝土结构技术规程》及日本规范《预制建筑技术集成—第四册—R-PC的设计》中的抗剪承载力计算公式计算了6种常用截面、4种剪跨比、4种轴压比共96组截面的预制柱承载力,通过有限元软件ABAQUS进行数值模拟,提出改进的柱接头抗剪承载力计算公式。杨勇等[13]开展7根预制型钢混凝土(PPSRC)柱试验,轴压比为0,研究剪跨比、混凝土强度和截面形式对PPSRC柱接头抗剪性能的影响,提出预制型钢混凝土柱接头抗剪承载力计算公式。Wang等[14]开展4根跨深比0.85的预制桥柱墩试验,轴压比为0.05,试件均采用套筒连接器,主要研究了不同接缝材料、剪力键、钢筋强度等级的钢筋对桥柱墩接头抗剪承载力的影响。研究发现,环氧树脂的黏结强度低于高强度砂浆,低强纵向钢筋显著降低了受剪承载力,剪力键对预制桥柱墩剪切损伤裂缝发展的限制效果有限,提出了基于试验数据的接头抗剪承载力计算公式。

美国ACI 318-1[15]、中国《装配式混凝土结构技术规程》[16]要求,对于装配整体式结构的控制区域,接缝要实现强连接,保证不在接缝处发生破坏,即要求接缝的承载力设计值大于被连接构件的承载力设计值,因此接头的承载力通常取为斜截面抗剪承载力和接缝抗剪承载力的较小值。国内外规范也给出了框架柱接头斜截面抗剪计算的相关规定。ACI 318-1[15]假定RC柱接头的斜截面抗剪承载力由混凝土和钢筋2部分贡献组成;加拿大规范CSA A23.3—2004[17]在此基础上,建立了RC柱接头的斜截面抗剪承载力计算模型;欧洲规范EN 1992-1-1—2004[18]基于试验数据拟合分析,建立了RC柱接头斜截面抗剪承载力计算公式。中国规范GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015年版)[19]进一步考虑了轴压力对RC柱接头斜截面抗剪承载力的影响。上述框架柱接头斜截面抗剪计算公式主要是基于现浇混凝土柱试验及相关数据拟合。

综上可见,目前预制混凝土框架柱接头斜截面抗剪性能研究中仍存在以下问题:针对套筒灌浆连接预制混凝土柱接头抗剪试验研究相对较少,且大多数足尺试验的轴压比都<0.3,且未考虑不同轴压比影响。目前各国给出的框架柱接头斜截面抗剪计算公式主要基于现浇混凝土柱试验,而对带拼缝的预制柱接头抗剪承载力缺乏针对性研究。

为研究不同参数对预制混凝土柱接头抗剪性能的影响,设计了6个套筒连接的预制混凝土框架柱接头抗剪试件。6个试件的设计参数包括轴压比(0,0.2,0.4,0.6)、混凝土强度等级(C30,C40,C50)。根据试验结果,分析框架柱接头试件的荷载-滑移曲线、抗剪刚度、抗剪承载力指标。最后基于试验结果,验证中国《混凝土结构设计规范》(2015年版)、欧洲规范EN-2014中现浇混凝土柱受剪承载力计算公式对带拼缝的预制框架柱接头受剪承载力计算的适用性。

1 试验设计

1.1 试件设计

以13层框架结构工程为背景,设计了6个带接缝的预制混凝土框架柱接头抗剪试件,试验参数如表1所示。试件尺寸及配筋均相同,如图1所示,其中预制柱采用套筒连接,接缝面尺寸为300mm×300mm;采用高强灌浆料连接,坐浆层厚度为20mm。

表1 试件参数

图1 试件施工

1.2 施工流程

预制混凝土框架柱接头试件施工顺序为:①预制上、下柱工厂预制;②预制下柱就位;③预制上柱吊装,通过上柱底部的套筒和下柱伸出顶面的钢筋形成初步连接;④在预制上柱与下柱间的拼缝处、预制上柱套筒内灌注高强砂浆。

1.3 加载方案

试验在静力台座上进行。试验加载分为竖向和横向加载2部分,加载时先将竖向荷载加至轴压比对应的荷载值,保持不变;采用200t液压千斤顶沿水平方向施加荷载,加载装置如图2所示。施加的水平推力为单向荷载,按GB/T 50152—2012《混凝土结构试验方法标准》[20]中规定的静力加载制度进行加载,每级增量为50kN。

图2 加载装置

1.4 测试方案

试验的测试内容包括:①连接钢筋的应变;②接缝平面处法向位移及切向位移。

2 试验结果与分析

2.1 受力过程与破坏形态

试件受力过程可概括为弹性阶段、开裂滑移阶段、极限阶段和破坏阶段。试件的弹性阶段荷载为极限荷载的0.2～0.5倍。此时,试件接头基本未发生法向分离,连接钢筋应变值很小。在开裂滑移阶段,预制柱下柱的顶部出现角度约为45°的斜裂纹,伴随有轻微混凝土开裂的响声,随着荷载的增加,已有斜裂缝不断向两侧延伸扩展,并不断有新的斜裂缝出现,此时连接钢筋的应变不断增大,当荷载达到0.7～0.9倍的极限荷载时,预制下柱的顶部出现多条约为45°的斜裂纹,斜裂缝间形成混凝土斜压柱体。此后,随着荷载持续增大,连接钢筋逐渐屈服,预制柱接头在拼缝处剪切和法向位移迅速增大,预制下柱的顶部形成一条明显的斜裂缝,试件达到极限荷载。当试件水平剪力达到极限值后,水平剪力随着预制柱接头在拼缝处剪切相对于位移的增大而逐渐下降,预制下柱在拼缝界面处的混凝土开始逐渐剥落,直至破坏。预制混凝土柱接头试件的破坏均以预制下柱的顶部混凝土被推出、剥落为标志,如图3所示。拼缝界面由于预制下柱顶部斜向裂缝的扩大导致出现接缝处的贯通裂缝。《装配式混凝土结构技术规程》[2]针对预制混凝土结构的主要连接区域,要求接缝实现强连接,即要求接缝的承载力设计值大于被连接构件的承载力设计值。试验结果表明,预制柱接缝的抗剪承载力大于斜截面抗剪承载力,实现了预设失效模式。

图3 试件破坏形态

2.2 连接钢筋应变

通过测试布置在连接钢筋上的应变测点,得到整个试验过程中试件的连接钢筋应变关系曲线,如图4所示。JT-1,JT-2,JT-3在横向加载之初连接钢筋的初始应变分别约为-250,-400,-450με,这是由于在相同轴压比下,混凝土强度等级的不同致使施加的轴向荷载大小不同,因此连接钢筋的初始应变有较大差别。随着横向荷载的增加,位于加载头一侧的混凝土压应变逐渐减小,直至纵筋受拉,在荷载约为630kN时JT-1连接钢筋受拉屈服,试件JT-2,JT-3的连接钢筋屈服荷载分别为731,980kN。基于界面摩擦抗剪机理,轴向荷载的提高对界面的横向变形提供有效约束,进而提高了界面摩擦力。因此,相对于C30试件,C40和C50试件的屈服荷载分别提高约16%,55%。

图4 荷载-连接钢筋应变曲线

试件JT-4,JT-5,JT-2,JT-6轴压比分别为0,0.2,0.4,0.6,由于轴向荷载的不同,在横向加载之初的纵筋应变约为0,-200,-400,-500με,连接钢筋的屈服荷载分别为430,680,731,790kN。

2.3 荷载-滑移曲线

通过布置在预制柱接头在拼缝处剪切方向的位移计,测试得到整个试验过程中试件的荷载-滑移曲线,如图5所示。各试件的极限承载力如表1所示。

图5 水平剪力-预制柱接头相对剪切滑移曲线

1)试件JT-1～JT-6弹性抗剪刚度接近。由图5a可见,混凝土强度对预制柱接头的弹性抗剪刚度影响不大;由图5b可见,预制柱接头的弹性刚度随着轴压比的增大而逐渐增大。

2)试件JT-1～JT-6均具有良好的抗剪承载力;预制混凝土柱接头抗剪承载力随着混凝土强度提高、轴压比增大而逐渐增大。在混凝土强度等级为C40情况下,预制柱接头JT-5(轴压比为0.2)的峰值荷载比预制柱接头JT-4(轴压比为0)高10.2%,预制柱接头JT-2(轴压比为0.4)的峰值荷载比预制柱接头JT-5(轴压比为0.2)高9.0%,预制柱JT-6接头(轴压比为0.6)的峰值荷载比预制柱接头JT-2(轴压比为0.4)高7.0%。随着轴压比增加,预制柱接头的抗剪承载力逐渐增加,但抗剪承载力增加幅度逐渐降低。在轴压比为0.4的情况下,相对于C30试件,C40和C50试件的极限承载力分别提高约16.5%,32.4%。

3 《混凝土结构设计规范》(2015年版)、欧洲规范EN 1992-1-1—2014中框架柱接头斜截面抗剪计算公式对比

我国《混凝土结构设计规范》(2015年版)[19]中给出了矩形截面钢筋混凝土偏心受压构件斜截面抗剪承载力计算方法,如式(1)所示。该方法考虑了混凝土、箍筋和轴压力作用。

(1)

式中:ft为混凝土的抗拉强度标准值;fyv为箍筋屈服强度;Asv为箍筋面积;s为箍筋间距;b为截面宽度;ho为截面有效高度。与剪力设计值V相应的轴向压力设计值N,当>0.3fcA时,取 0.3fcA。

欧洲规范EN 1992-1-1—2014[18]规定框架柱斜截面抗剪承载力计算方法,如式(2)所示:

(2)

式中:fctk,0.05为混凝土下限特征抗拉强度;Nsd为设计轴力;ρ为纵向受拉钢筋配筋率;Ac为混凝土部分截面总面积。

为验证中国、欧洲规范中框架柱斜截面抗剪承载力计算方法,基于上述试验结果,将采用规范计算方法求得的柱接头斜截面抗剪承载力计算值与试验值进行对比,结果如表3所示。VEXP为试件接头抗剪承载力试验值,VGB,VEC分别根据《混凝土结构设计规范》(2015年版)[19]、欧洲规范EN 1992-1-1—2014[18]的计算方法计算。

框架柱抗剪承载力计算公式主要有2种表达形式:①将轴力提供的抗剪力直接并入混凝土的抗剪力项中,如EN 1992-1-1—2014;②在梁的抗剪承载力计算公式的基础上叠加一项轴压力提供的抗剪力。

由表2可看出,《混凝土结构设计规范》(2015年版)、欧洲规范EN 1992-1-1—2014得到的计算结果都偏于保守,由于钢筋混凝土柱的剪切破坏属于脆性破坏,各国规范计算的受剪承载力一般都低于试验值。按该式得到的计算值、试验值的平均值分别为0.82,0.85,标准差分别为 0.065,0.180。因此,基于《混凝土结构设计规范》(2015年版)现浇混凝土柱抗剪承载力的计算值与试验值接近,且稳定性较好,可偏于安全地用于接缝连接的预制柱接头抗剪承载力设计。

表2 抗剪承载力试验值与规范值对比

4 结语

1)所有试件接头最终均发生剪切破坏,且斜截面破坏发生时灌浆接缝保持完好。试验结果表明,按《装配式混凝土结构技术规程》中预制柱套筒灌浆连接构造进行设计,能实现框架柱在接缝处剪力的有效传递。

2)预制柱接头弹性刚度随着轴压比的增大而增大。预制混凝土柱接头抗剪承载力随着混凝土强度提高、轴压比增大而增大。

3)《混凝土结构设计规范》(2015年版)中现浇混凝土柱斜截面抗剪承载力的计算公式可适用于接缝连接的预制柱接头抗剪承载力设计。