灌浆套筒连接混凝土柱脚节点抗震性能研究

杨永超

（山东天健信达工程咨询有限公司，山东 临沂 276000）

0 引言

利用混凝土-FDP（高性能纤维聚合材料）掺杂技术提高混凝土强度的研究思路目前已在路桥领域得到了广泛应用，取得了良好成效。李秋林等[1]深入研究了高层钢结构建筑抗震性能的关键影响因素，对破坏性构件模拟实验原则进行了优化补充，构建了系统分析表征参数体系。胡方鑫等[2]采用可更换屈曲约束耗能板优化结构研究了钢框架柱脚节点的抗震特性，发现在相同冲击能量的前提下，耗能板结构可在低承载能力条件下表现出更优良的结构稳定性。李成玉等[3]采用损伤分析的方式，分析了滑移摩擦柱脚震中的损伤产生过程和损伤程度，证明不同的节点连接方式显著影响结构的抗震性能。综合以上研究结果可合理推测利用FRP-混凝土加固材料可有效减少地震对预制混凝土柱的损伤，本文在以往研究的基础上进行材料模拟实验，综合考虑连接节点对结构抗震性能的影响，利用正交实验法进行性能和抗震损伤分析。

1 FRP-混凝土材料柱脚连接节点抗震性能实验

1.1 材料性能正交实验参数设计

由于FRP-混凝土掺杂材料并未改变灌浆套筒连接施工方式，因此利用原有的施工设备和标准进行施工，与传统材料相比，掺杂材料具有高强度、高延展性的特点，在当前的装配建筑施工环境下有良好的应用价值。相关研究表明，FRP-混凝土构件本身具有良好的抗震性能，本实验在此基础上进一步将节点连接层次纳入抗震性能评价范畴。灌浆套筒连接会形成外包式柱脚，实验以现有的外包式规范柱脚形式为基准模型，测试埋深、轴压比和套管厚度对建筑结构抗震性能的影响[4]。

实验采用正交实验设计模式，通过改变轴压比和套管厚度、埋深、箍筋设置与栓钉数目五个基本参数，基本构型为5 因素3 水平，构建出16 组不同的实验设计方案，每个构件实验组具体参数设置数据如表1 所示。

表1 构件正交设计参数详情表

其中加强箍筋0 水平表示不加设加强箍筋，1 水平表示加装箍筋，埋深以套管内直径D 为基准，D 取300mm。套管主要采用水泥Q345 钢材，FRP 性能材料由建筑市场购置得到，材料为微米级，掺杂比例选定与流程均按照掺杂混凝土标准操作手册进行，对于形成的标准大小水泥块进行压力测试，抗压能力为78.12MPa±8.43MPa。

1.2 材料性能实验构件模拟设计

模拟构件采用天津广德材料集团的FRP 微米级复合纤维材料，灌注混凝土材料采用C25 标准，钢管采用Q345 钢材，每组方案设置8 个柱脚节点试件进行平行实验，利用SPSS 数据分析软件分析数据，置信区间为95%，去掉异常值后计算平均值。构件在设定的变量参数条件下进行荷载实验。实验中柱体设计为1 500mm，加装25mm 作浆料，柱体箍筋采用标准钢材，钢筋套筒采用传统连接模式，套筒上注浆口与出浆口间距设置为117mm[5]。

试验模拟现场的施工工序进行加工，均采用传统的混凝土套筒施工方式，构件分为预制构件和现浇构件。其中柱体和地梁在实验前按照图纸进行加工预制，所有实验采用的主体均为同批次加工产物，灌浆套筒为加工成品，利用滚轧直螺纹的方式与柱内钢筋进行连接，套筒采用预埋法，外露钢筋，根据分组不同分别注入水泥基和FRP-水泥基复合材料，制成对照组和实验组的基础构件。构件制作完成以后，检查各类监测点的埋点是否准确，安装好灌浆管。为保证构件的代表性，制作的预制构件需要定期进行洒水养护，避免部分构件因为保存和运输而出现结构性损伤。

2 FRP-混凝土套筒灌浆连接试件破坏模拟分析

2.1 构件破坏实验模拟方法设计

实验采用示数型压力设备进行轴向施压，通过反力架控制加压方向，加载力与柱体轴线的夹角需要控制在6.5°以内。状态稳定后，利用滚轴改变压力加载方向。方向的互动改变需要严格利用仪表进行检测控制，地梁全程不应出现轴向转动的情况，避免影响实验结果。实验过程中利用MTS 控制系统实现水平低周往复荷载变化。轴向施压起始压力值设定为10kN，然后改变荷载方向，再重新回到原受力方向后改变荷载力，本次实验荷载增量为10kN/次[6]，循环直至数字式的裂缝宽度检测仪采集到水平值以上数值为止，观察此时构件裂纹的发展情况。

2.2 构件破坏实验结果对比

对照组与实验组在同一方案中轴压比、套管厚度、埋深D、加强箍筋、栓钉数目等条件均保持一致，仅改变灌浆混凝土的基准性质，对照组采用FRP-混凝土材料，混合质量比根据相关手册选定，对照组采用一般混凝土。

通过总结实验现象发现，在轴向加压阶段对照组和实验组构件均无明显的损坏现象，柱体与基础完好。当压力为102.41kN 时第12 方案对照组套管与基础界面的连接处出现细小裂缝，此时裂缝宽度计出现示数波动，其他组均无明显的示数反应。当压力荷载为130.83kN 时，多数对照组基础顶面出现裂缝，出现水平位移。随着荷载不断变化，裂缝开始快速发展延伸。以第4 方案对照组为例，此时构件出现弧形裂缝，位移达到54.12mm，裂缝距离基础表面约为320mm。随着荷载增大，裂缝不断发育，构件出现混凝土脱开现象。而实验组在荷载为4kN 时，出现裂缝示数的为第12 方案、第7 方案和第14 方案。以14 方案为例，其柱脚处出现裂缝，裂缝宽度检测仪出现示数，构件出现侧向位移。实验统计了在135kN 荷载条件下，出现裂纹的构件的最大裂缝宽度对比如图1 所示。

图1 实验组与对照组最大裂缝宽度对比图

其中对照组最大裂缝宽度平均值为8.97mm，分布标准差为4.01，实验组最大裂缝宽度平均值为4.52，分布标准差为2.71。示数结果显示，实验组构件破坏情况优于实验组，裂缝宽度受轴压比、套管厚度、埋深D 等因素影响趋势与对照组相似，说明应用FRP-混凝土一定程度上缓解了构件在地震破坏环境下混凝土开裂情况。

为验证数据的充足性和有效性，记对照组为F1，实验组为F2，根据实验结果，F1 组平均值μ1=8.97，δ1=4.01，F2 组平均值μ2=4.52，δ2=2.71。利用SPSS 对两组数据进行独立样本T 检验[7]，结果如表2 所示。

表2 最大裂缝独立因子T 检验分析结果表

结果显示，二组之间莱文方差等同性检验显著性P=0.052＞0.05，二组之间方差不齐，以不假定方差计算结果为准。均值对比结果显示，二者之间双尾显著性p=0.03＜0.05，说明间FRP-混凝土材料数据与普通混凝土数据在0.05 显著性水平存在显著性差异，效果改进具有统计学意义。利用PASS 对测试数据量进行检验，设定数据把握度为90%，根据统计的方差不等的计算结果，利用PASS 进行不等标准差T 检验样本量模拟计算，结果如图2 所示。

图2 PASS 样本量分析详情图

证明实验组与对照组之间存在显著性差异，需要的有效样本数量为28 个，考虑20%的检测异常概率，需要的检测样本数量为36。试验中每组方案进行了8 组平行试验，试验对7 组方案进行了裂缝统计，有效数据为112个，远高于所需的样本数，因此统计数据充足，数据分析结果有效。

3 FRP-混凝土套筒灌浆连接抗震性能参数分析

3.1 强度退化分析

结构破坏性试验利用低周往复荷载检验结构抗震性能，为定向分析不同的因素对构件稳定性的破坏，对各方案在实验过程中的强度退化程度进行了定量计算。研究采用第二次循环前后的峰值的比值作为评价参数，称为二级强度退化参数。实验组不同方案的二级退化参数记录如表3 所示。

表3 不同方案强度二级退化参数表

实验结果表明，对于采用了混合材料的实验组，二级退化参数值处于78%～92%之间，退化程度不强。但是采用了加固措施的方案其二级退化参数明显高于未采用加固措施的构件，比如方案12，其二级退化参数为74.47%。而采用了加固措施并增加埋深的方案6，其二级退化参数89.60%，相较于方案6 提升了15.13%。二级退化参数数值越大，当退化参数低于60%说明结构强度发生了明显退化，结构整体已经发生了不稳定变化，已经逼近界限范围。利用SPSS 进行正交方差分析，认为对于二级退化参数存在显著性影响的参数是埋深、是否加强箍筋和轴压比。采用了FRP-混凝土材料进行套筒灌浆连接的试件在选择450mm 埋深并加装箍筋和栓钉后，抗损伤性能良好，在地震过程中柱脚节点的承载力退化得到了有效优化。

3.2 节点刚度退化

为验证不同方案之间的节点刚度退化区别，同时检测记录不同的构件在混凝土开裂和钢筋扭曲情况，利用割线刚度对不同周期的构件刚度进行表征，计算荷载周期滞回环割线刚度曲线峰值位移和矢量荷载变化绝对值之间比值作为刚度表征参数。为定量比较不同试件的刚度退化情况，对计算出的表征参数进行了标准化和统一化处理，因此采用一个测试周期前后的刚度表征参数的比值作为退化参数，实验同样选用第二荷载周期，退化参数记为二级刚度退化参数[8]，具体数值如表4 所示。

表4 不同方案刚度二级退化参数表

荷载破坏实验初期，试件的刚度承载力达到峰值，开始逐步进入刚度下降趋势，利用SPSS 进行曲线的曲率分析，发现第二周期内刚度变化进入典型变化区。二级退化参数值处于75%～83%之间，部分设计合理的方案的刚度曲线下降区域平缓且有明显的曲线平滑区，如方案8，平均刚度退化参数为81.66%。这表明在合理的钢管厚度的条件下，采用FRP-混凝土材料进行套筒灌浆连接形成的柱脚节点有良好的延伸性，刚度退化延缓，抗震性能得到了提升。同时说明加装箍筋和栓钉能在第二周期提升结构的稳定性，减缓地震初期结构的刚度退化。

4 结论

（1）研究采用模拟实验法进行了FRP-混凝土材料柱脚连接节点抗震性能测试，采用统计学手段以轴压比、套管厚度、埋深D、加强箍筋、栓钉数目作为水平因子构建了16 组不同条件正交实验，证明在不同的施工条件下FRP-混凝土材料与普通混凝土材料的应用效果存在显著差异。结构破坏性实验结果显示，新材料在构件在地震破坏环境下混凝土开裂情况得到了改善。样本量分析结果显示，实验有效数据量远大于所需样本量，数据信息合理有效。

（2）利用正交方差分析确定了对于结构强度和结构刚性影响较大的关键因子。结果表明，采用FRP-混凝土材料进行套筒灌浆连接形成的柱脚节点有良好的结构刚性和延展力，采用450mm 埋深并加装箍筋和栓钉可以有效缓解地震初期结构强度和刚度退化的情况，提升构件抗震性能。