浆锚搭接灌浆缺陷对装配式混凝土柱抗震性能的影响

引言

      装配式混凝土结构是由预制构件通过可靠节点连接组装而成，连接方式的可靠性直接决定结构的整体性及其抗震性能。宇辉集团与哈工大致力于对装配式建筑的研究，提出了约束浆锚搭接连接体系。中南建设随后对该体系进行升级开发，研发了具有中国特色的NPC浆锚体系[1]。国内专家对于浆锚体系也进行了大量的摸索与研究。刘家彬[2]等对矩形螺旋箍筋约束波纹管浆锚连接的剪力墙进行抗震性能试验研究，得出采用该连接构件其延性、承载能力及抗震耗能的能力基本与现浇结构相当。马军卫[3]等对144个不同类型的浆锚搭接试件进行拉压试验，得出钢筋约束浆锚搭接连接是装配式建筑可靠的纵向钢筋连接方式。钱稼茹[4]等对浆锚连接的剪力墙进行拟静力试验，证明了浆锚间接搭接能有效传递钢筋应力。

      由于装配式建筑相应的施工工艺仍处于发展阶段，施工过程难免会出现不同程度的工程质量问题，可能造成灌浆缺陷等关键节点质量问题。严重时会威胁结构的整体安全，影响抗震性能。本文依托于国家重点研发计划“工业化建筑检测与评价关键技术”项目，为研究灌浆缺陷对浆锚搭接连接柱抗震性能影响，设计4根浆锚柱的拟静力实验。

1 实验概况

1.1试件设计与制作

      浆锚搭接连接柱试件由基础底座与柱身两部分装配而成。柱身尺寸为400mm×400mm×1500mm，纵筋均采用直径16mm的HRB400钢筋，箍筋采用直径10mm的HRB400钢筋。柱底以上500mm加密且配置螺旋箍筋，螺旋箍筋间距为100mm，箍筋加密区间距为100mm，非加密区间距150mm。柱帽尺寸为400mm×400mm×800mm，与柱身一起浇筑。混凝土底座尺寸为1400mm×1400mm×500mm，单向配筋，主筋采用直径18mm的HRB400钢筋，采用混合箍筋形式。具体配筋形式如图1所示。

图1 柱配筋示意图

FIG 1 schematic diagram of column reinforcement

       柱身与基础底座采用预埋波纹管浆锚搭接连接，波纹管直径为40mm，底座预留钢筋长530mm，设20mm厚的坐浆层。安装时，先调整垂直度及水平度，然后采用支架固定，再进行灌浆。灌浆时由下孔灌浆，确保灌浆密实。试件编号分别为Z01-QX0、Z02-QX01、Z03-QX02、Z04-QX03。采用在预留钢筋上缠绕泡沫胶的形式模拟灌浆缺陷。QX0为无缺陷构件，视为对比件，QX01、QX02、QX03表示分别在3、4、5号纵筋中部缠绕长为232mm、278mm和325mm的泡沫胶，缺陷长度分别占锚固长度的40%、50%、60%。缺陷位置示意如图2所示。

图2 缺陷布置示意图

FIG 2 schematic diagram of defect layout

1.2 材料性能

      柱身各类钢筋均取三根进行材性实验，测量屈服强度、极限强度和屈服应变。钢筋性能参数如表1所示。

表1 钢筋性能参数表

Table 1 steel performance parameter table

       混凝土均采用C35商品混凝土，每批混凝土做3组试块，测量28天立方体试块的抗压强度。灌浆料为浆锚灌浆料，制作40mm×40mm×160mm的棱柱体试块，测量7天棱柱体抗压强度。具体数据如表2所示。

表2 混凝土及浆锚料参数表

Table 2 concrete and slurry anchor parameters table

1.3 试验加载制度和测点布置

       混凝土柱的轴压比设计为0.3，首先施加轴向压力至指定值且保持不变，然后施加水平推力。试件屈服前每级30kN增量循环一次加载至屈服，屈服后采用位移控制加载，每级以5mm增量逐级加载，每级循环2次，直至构件破坏或者水平荷载下降至极限荷载的85%以下。

      在预留钢筋的端部中部底部及基础底座上表面以下30mm处布置分别布置1道钢筋应变片，螺旋箍筋中部及端部各布置一道应变片。在柱顶、柱中及底部出均布置位移计，测量不同柱高下位移变化情况。柱加载及测点布置如图3所示。

图3 柱加载及测点布置示意图

FIG 3  layout schematic of column loading and measuring points

2 试验过程及现象

       试验中，规定推力为正对应位移为正位移，拉力为负。下文以Z01-QX0及Z02-QX01为例简述实验过程及现象。

       将柱底标高视为0，对于无缺陷的构件Z01-QX0，水平力加载到80kN时，受拉侧出浆口附近及350mm高处开始出现细微贯通裂缝，宽约0.05mm。随着水平力逐渐增大至110kN，裂缝逐渐发展开来，出现4条主裂缝，分别位于250mm、450mm、550mm、700mm处，裂缝宽度发展至0.2mm；试件屈服后，采用位移控制，水平位移为21mm时，主裂缝基本贯通，坐浆层出现宽1.5mm的水平裂缝；位移达到45mm时，出浆口附近水平裂缝发展成斜裂缝，裂缝宽0.35mm，坐浆层裂缝发展较快，宽达2.5mm，柱底部混凝土出现起鼓脱落，角部混凝土小面积压碎；位移为85mm时，底部混凝土大面积压碎脱落，角部坐浆层被压酥与柱身明显分离，裂缝最大处达10mm，其余柱身裂缝最大为0.4mm，试验结束。

       对于柱Z02-QX01，水平推力为110kN时，裂缝开展及分布位置与前者基本相同。水平位移为20mm时，主裂缝基本贯通，裂缝宽为0.25mm，坐浆层裂缝宽约1.5mm；位移达到30mm时出现少量斜裂缝，加载到35mm时柱底部混凝土开始起鼓，角部出现竖向裂缝；位移为85mm时，底部混凝土压碎脱落，坐浆层裂缝在柱缺陷侧最大处达22mm，无缺陷侧坐浆层裂缝最大11mm，其余柱身裂缝约0.35mm，试验结束。

      各构件最终裂缝发展情况，如图4所示。

 图4 各构件裂缝发展图

Fig 4  fracture development diagram of each component

3  试验结果及数据分析

3.1 滞回曲线

      柱构件在水平反复荷载作用下的滞回曲线[5]的形状是抗震性能的一个综合体现，反映构件在反复受力过程中的变形特征、刚度退化及能量消散等抗震性能[6]。滞回曲线形状越饱满，耗能能能力越强，抗震性能越好。各构件的实测力-位移滞回曲线如图5所示。

      构件Z01-QX0无缺陷且灌浆饱满，滞回曲线相对饱满，呈扁胖形，且峰值荷载较大，峰值荷载后力值下降缓慢。随着缺陷长度的逐渐增加，滞回曲线变的相对瘦高，产生明显的捏缩效应，说明钢筋滑移变形逐步变大。缺陷一侧的峰值荷载随缺陷增大而逐渐减小，峰值荷载后力值下降速度随缺陷增大递增，耗能能力也随缺陷增大逐步降低。构件Z04-QX03缺陷最大占锚固长度的60%，在试验过程中由于位移计实时显示故障，造成分级较大，循环级数较少。在较大位移荷载下，缺陷一侧力值迅速下降，出现较大粘结滑移，几近拔出，基本丧失承载力，柱身出现一定扭转，造成无缺陷侧应力集中，钢筋拔断柱身倾倒。

图5 各构件滞回曲线图

FIG 5  hysteresis curve of each component

3.2 承载力分析

      骨架曲线是每一级荷载第一次循环的峰值点所连成的包络曲线，基本体现了整个加载过程中的强度总体变化等特征[7]。图6为各构件的骨架曲线图。

图6 各构件骨架曲线图

FIG 6  skeleton curves of each component

      由骨架曲线图知，当荷载较小未达到屈服时，缺陷对承载力基本无影响，随着位移增加有缺陷侧峰值荷载明显小于无缺陷侧，约为无缺陷的77%。正向达到峰值后下降段相对较陡，负向相对平缓，缺陷越大峰值荷载下降幅度越大。

      由骨架曲线无法直接体现出明显的屈服点，一般可采用通用屈服弯矩法、等面积法（能量等效法）和R.PARK法来确定名义屈服点。本文采用通用屈服弯矩法确定试件屈服点。定义水平荷载降到峰值荷载85%以下时的荷载为极限荷载，相应位移为极限位移。各构件的屈服荷载、极限荷载、峰值荷载等具体如表3所示。

表3 构件特征点承载力表

Table 3  bearing capacity table of component feature points

      由表3可知，各构件的开裂荷载基本相同，约为80KN，缺陷对其基本无影响。正向为缺陷侧受拉，负向为无缺陷侧受拉。Z01-QX0为无缺陷构件，视为标准件，正负向屈服荷载、峰值荷载等基本相同，而有缺陷构件的正向屈服荷载和极限荷载等均明显小于负向，只为负向的73%～86%。当水平位移较大时。随着缺陷的增大构件承载力下降的幅度也越来越大，缺陷侧钢筋出现滑移，造成无缺陷侧受力较大，受力不均，应力集中。有缺陷构件的负向峰值荷载、屈服荷载基本能达到标准件的95%以上，而正向峰值只能达到其75%左右，说明缺陷造成正向的承载力大幅度下降，严重影响构件的抗震性能。

3.3 延性分析

      延性是反应构件变形能力的重要指标，体现构件在承载力还没发生明显下降期间的变形能力[8]，构件达到屈服或最大承载力后仍能吸收一定的能量，能避免脆性破坏的发生。通常采用延性系数μ来衡量这一特性。本文以位移延性系数来反映构件的延性性能。各构件的位移及延性如表4所示。

表4 构件位移及延性表

Table 4  component displacement and ductility table

       根据上表可知，无缺陷试件Z01-QX0，正负方向的屈服位移基本相同，约10.1mm，正负向极限位移几乎达到最大位移值，约85mm，延性系数为8.35，延性较好。将无缺陷试件视为标准件，以作对比。对于缺陷构件Z02-QX01，正负向的屈服位移基本相同，约为11.5mm，而正负向极限位移相差较大，负向接近85mm与标准件相同，正向极限位移仅为76.9mm，约为负向的90%，延性系数为7.03，相比标准件下降了15.8%，可见缺陷对延性影响较大。Z03-QX02正负向屈服位移有微小浮动，与标准件大体相同，正负向极限位移分别为64.1mm和75.1mm，正向为负向的85%，分别为标准件的75%和88%，延性系数为6.51，相比标准件下降了22%。缺陷构件Z04-QX03正负向屈服位移约为12.3mm，虽为标准件的1.21倍，但总量的变化不明显，负向极限位移与标准件保持一致，而正向的极限位移只为负向的87%，延性系数下降到6.41，相比标准件下降了23%。

       构件的正向屈服位移和极限位移受缺陷影响较小，基本保持相对稳定，无大幅度变化。负向屈服位移随缺陷增加略微有所增加，极限位移则大幅下降。说明在屈服前缺陷对构件延性影响较小，超过屈服荷载后随缺陷的增大对延性影响逐步增大。主要因为在较小荷载下，缺陷一侧还未出现较大滑移，而随荷载增大锚固不充分就会出现不同程度的滑移，缺陷侧耗能能力被大幅削弱，构件整体延性降低。由表4可见，随着缺陷的增大，构件的延性逐步降低，缺陷增量相对较小时对延性影响很小小，三根不同缺陷柱延性相差量不超过10%。

3.4 刚度分析

       构件刚度的大小决定着其抗剪承载力的强弱，是抗震性能的重要指标之一。本文采用割线刚度来表现构件在反复荷载作用下的刚度退化情况，定义刚度K为每级第一次循环对应的正负向峰值荷载和与相应位移之和的比。具体数值如表5所示。

表5 构件刚度汇总表

Table 5  component stiffness summary table

      由上表可知，在较小位移时，有缺陷的构件刚度基本相同，约为无缺陷构件的89%，缺陷大小对初始刚度几乎没有影响。而位移为10mm时，接近屈服位移，Z02刚度下降到标准件的64%，刚度退化了53%；Z03刚度为标准件的56%，刚度减少了59%；Z04刚度为标准件的50%，刚度下降了62%；可见在一定位移范围内刚度随缺陷的增大而大幅降低。当位移为40mm时，缺陷对刚度的影响开始逐步降低，缺陷构件的刚度基本一致，为标准件的85%，位移达80mm时所有构件刚度基本相同。

       各构件的刚度退化曲线如图7所示。当位移小于屈服位移时，刚度退化的速率随缺陷的增大而逐渐增大，曲线相对更陡，随着位移的逐步增大，曲线均开始变缓，位移大于40mm时，曲线接近于重合。说明在屈服前，缺陷越大刚度衰减越快，超出屈服位移时，缺陷对刚度影响开始逐渐降低，直至基本无影响。

图7 构件刚度变化曲线图

FIG. 7 curve of component stiffness

3.5 耗能分析

      耗能性能直接决定着结构抗震能力的强弱，是结构抗震性能的比较重要指标之一。它是结构或构件在地震作用下通过自身塑性变形来消耗地震能量的能力[9]。在反复荷载作用下，荷载循环一周后滞回环内所围的面积为试件耗散的能量值。各试件单次循环滞回耗能与位移的关系如图8所示。

图8 构件单次循环耗能曲线图

Figure 8  diagram of single cycle energy dissipation of components

      由各构件耗能曲线对比图可知，随着位移的增加构件耗能能力随之增大，无缺陷构件Z01的耗能能力随位移的增加呈指数增长；缺陷构件Z02与Z03耗能曲线基本重合，基本呈线性增加，增长速率略小于无缺陷构件，耗能约为标准件的75%；Z04缺陷相对较大，耗能能力明显小于无缺陷构件，只为其65%且耗能随位移的增加提升较为缓慢。可见，构件的耗能性能随缺陷的增加而逐渐下降，缺陷较小时，对耗能能力影响相对较弱，当缺陷达到一定程度时，会大幅降低构件的耗能性能，降低其抗震能力。

4 结论

      通过浆锚搭接连接的混凝土柱低周期反复推拉实验得出以下结论：

      （1）无缺陷构件的滞回曲线相对饱满，峰值荷载较大，峰值后力下降速率较为缓慢。有缺陷构件随缺陷的增大其滞回曲线捏缩更为明显，钢筋滑移量随缺陷增加逐渐增大，峰值后力下降速率随缺陷增大而增大。

      （2）当荷载较小时，缺陷对承载力的影响极小，随荷载增大，缺陷对承载力的削弱逐步增强，缺陷侧承载力丧失较为明显，而无缺陷侧承载力下降较为缓慢，应力分布不均，造成应力集中。单侧40%缺陷构件其正向峰值相对标准件下降了16.5%，50%和60%缺陷分别下降了25%和23%。

      （3）缺陷对构件的初始延性影响很小，在屈服前，构件位移变形基本相同。荷载较大时，随缺陷的增加延性逐步降低，单侧40%、50%、60%缺陷构件相对标准件分别下降了16%、22%、23%，缺陷每增加10%延性变化约5%。

      （4）在较小位移下，构件的刚度基本相同，随着位移增加至10mm时，Z02、Z03、Z04刚度相对标准件下降了36%、44%、50%，且退化速度随缺陷增大而增大。当位移达到40mm时，随位移增加，刚度下降平缓，构件刚度开始趋于一致。

       （5）缺陷构件随位移增加耗能增长速度略小于无缺陷构件，缺陷越大，增长越缓慢，耗能能力越差。缺陷对耗能能力的影响较明显，Z02、Z03、Z04的耗能能力对比标准件分别下降了25%、25%、35%。抗震性能因缺陷存在大幅降低。

参考文献

[1]邰晓峰、姜洪斌.预制混凝土剪力墙抗震性能试验及约束浆锚搭接极限研究[D].哈尔滨工业大学学士论文.2012:3-13.

[2] 刘家彬、陈云钢、郭正兴、袁富.螺旋箍筋约束波纹管浆锚装配式剪力墙的抗震性能[J].华南理工大学学报,2014,42(11):92-98.

[3] 马军卫、尹万云、刘守城等.钢筋约束浆锚搭接连接的试验研究[J].建筑结构.2015,45(02):32-35.

[4] 钱稼茹、彭媛媛、秦珩等.竖向钢筋留洞浆锚间接搭接的预制剪力墙抗震性能试验[J].建筑结构.2011,41(2):7-11.

[5] 邱法维、钱稼茹等.结构抗震实验方法[M].科学出版社，2000.

[6] JGJ101-96，建筑抗震实验方法规程[S].中国建筑工业出版社.

[7] 朱伯龙.结构抗震实验[M].地震出版社，1989.

[8] 沈聚敏、周锡元等.抗震工程学[M].建筑工业出版社，2000

[9] 徐贱云、吴健生等.多次循环荷载作用下钢筋混凝土柱的性能[J].土木工程学报，1991,24（3）：57-63.

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