陳宜虎，盧旦，張敏,謝光信

(1.賀州學院建筑工程學院， 廣西賀州542800； 2.華東建筑設計研究院有限公司， 上海200002；3.桂林理工大學土木與建筑工程學院， 廣西桂林541000)

0 引言

國內外大地震的震害調查表明：預制混凝土框架結構的破壞主要表現(xiàn)為各構件間連接破壞，以及由此導致的結構整體離散和倒塌[1]。因此，預制構件間的連接是裝配式混凝土結構體系中的研究重點，同時也是結構整體安全性能研究的前提和基礎。為保證裝配式鋼筋混凝土框架結構的抗側能力，目前我國裝配式混凝土框架結構梁柱節(jié)點大多數采用梁縱筋錨入節(jié)點核心區(qū)后現(xiàn)場澆筑的方式。國內外學者對不同參數形式的裝配整體式混凝土框架的連接節(jié)點進行了試驗研究。RETREPO等[2]對一種疊合梁—現(xiàn)澆柱形式的裝配整體式梁柱節(jié)點進行了研究，該種形式節(jié)點采用預制梁底部縱筋90度彎折后錨固于節(jié)點核心區(qū)，試驗結果表明，這種連接節(jié)點的抗震性能與現(xiàn)澆節(jié)點基本相同。BLANDON等[3]對梁底縱筋90度彎折于后澆核心區(qū)，直線段長度8d的一榀兩層裝配式混凝土框架進行了試驗研究。試驗過程中出現(xiàn)了梁底縱筋滑移、結構承載力下降的現(xiàn)象，說明該構造無法有效錨固梁底縱筋。國內學者[4-14]分別對梁底縱筋采用直線錨固、90度彎折錨固、錨固板連接、焊接連接等形式的裝配式節(jié)點及框架結構本身進行了試驗研究，結果表明，梁端彎曲破壞裝配整體式節(jié)點的承載力約為現(xiàn)澆節(jié)點的90 %，裝配式節(jié)點的抗震性能與現(xiàn)澆節(jié)點接近，對采用錨固板連接的裝配式節(jié)點需采取防止錨頭周圍混凝土局部破壞的措施。蔡建國等[15]對節(jié)點兩側疊合梁底部預應力鋼絞線通過U型鋼筋搭接連接的法國世構體系進行了研究，結果表明，當加載至2倍梁端屈服位移時，U形鋼筋發(fā)生滑移。趙作周等[16]研究了既可適用于梁柱連接又可適用于主次梁連接的梁縱筋采用鋼筋套筒連接的節(jié)點性能，進行了裝配式節(jié)點與現(xiàn)澆節(jié)點的對比試驗，結果表明，核心區(qū)剪切破壞的裝配整體式混凝土節(jié)點試件的破壞過程、裂縫分布、剛度退化等性能與現(xiàn)澆對比節(jié)點基本一致，裝配式節(jié)點與現(xiàn)澆節(jié)點的抗震性能基本相同。

從以上研究可以看出，現(xiàn)有的裝配整體式混凝土框架梁柱節(jié)點連接大多采用預制梁縱筋在節(jié)點核心區(qū)內錨固，而鋼筋的連接或錨固方式多為直線錨固、彎折錨固、錨固板錨固或焊接連接、鋼筋套筒連接。這種節(jié)點構造雖然在理論和試驗結果上均滿足“等同現(xiàn)澆”的設計原則，但由于節(jié)點處錨入鋼筋數量多，鋼筋相互干涉現(xiàn)象嚴重，不但影響了現(xiàn)場施工效率，而且核心區(qū)鋼筋密集導致混凝土澆筑密實度難以保證，節(jié)點質量存在安全隱患。

本文提出了一種鋼筋U型環(huán)扣連接的裝配式混凝土新型連接節(jié)點構造。設計并制作了4個裝配式連接節(jié)點和2個現(xiàn)澆節(jié)點對比試件，通過單調靜力加載試驗和擬靜力試驗，對比了裝配式新型節(jié)點與現(xiàn)澆節(jié)點的承載力、變形能力、滯回性能等宏觀表現(xiàn)，以及混凝土、鋼筋的應力應變過程等微觀機理，為進一步深入研究此類節(jié)點的抗震性能與設計理論奠定了基礎。

1 節(jié)點構造

本文提出的混凝土框架梁柱節(jié)點U型鋼筋環(huán)扣連接構造如圖1所示：框架梁的上部縱筋和下部縱筋連成U型鋼筋，梁柱節(jié)點核心區(qū)柱縱筋之間空間內布置封閉環(huán)形的鋼筋，并與上述梁U型縱筋相互形成指搭接，從而在梁端形成一對U型環(huán)扣，在環(huán)扣的四個角部放置四根短插接鋼筋，U型鋼筋環(huán)扣連接段箍筋加密。此新型節(jié)點的構造簡單，施工方便，解決了傳統(tǒng)的后澆整體式連接節(jié)點的梁柱核心區(qū)鋼筋錨固復雜困難的問題。

(a) 節(jié)點正視圖

(b) 節(jié)點俯視圖

(c) 模型實景圖

圖1 鋼筋U型環(huán)扣連接節(jié)點
Fig.1 Joint of ring buckle connection with U-shaped steel

2 試驗介紹

2.1 試件設計及制作

試驗設計了2組共6個節(jié)點試件，每組3個，其中第一組試件用于進行單調加載試驗，第二組試件用于進行擬靜力試驗。試件呈倒T型，梁段長1.6 m，梁截面尺寸為300 mm×340 mm；柱段長為1.2 m，柱截面尺寸為340 mm×400 mm。梁對稱配筋，上下各配4根HPB300直徑8 mm的縱向受力鋼筋，搭接鋼筋采用3根直徑為10 mm的HPB300鋼筋，縱筋保護層厚度設為20 mm，混凝土強度等級為C30。兩組試驗均分為A、B、C三個試件，A為現(xiàn)澆節(jié)點，B、C為不同搭接長度的裝配節(jié)點,其中B裝配節(jié)點U型鋼筋搭接長度200 mm，C裝配節(jié)點U型鋼筋搭接長度300 mm。表1為試件的主要設計參數及編號，試件的幾何尺寸及構造如圖2所示。U型鋼筋搭接段箍筋加密間距50 mm，非加密區(qū)箍筋間距100 mm。

表1 試件主要設計參數Tab.1 Main design parameters of specimens

單位：mm

(a) U型連接試件(C試件) (b) 傳統(tǒng)連接試件(A試件)

圖2 試件幾何尺寸及構造
Fig.2 Geometric dimensions and details of specimens

裝配式節(jié)點試件B-1、2和C-1、2的制作過程為：①制作預制梁、預制柱，梁端留出350 mm長后澆段，封閉環(huán)型搭接鋼筋預埋在預制柱中。預制梁端部伸出待連接的U型縱筋，預制梁端部和預制柱缺口側面設置抗剪鍵槽并加工成為粗糙面。②預制梁、柱混凝土設計強度為C30，當預制梁、柱混凝土強度達到設計強度后，吊裝就位，U型鋼筋搭接后綁扎加密區(qū)箍筋。③支設后澆段模板，澆筑混凝土，后澆混凝土采用微膨脹混凝土，避免結合面因干縮而出現(xiàn)裂縫?，F(xiàn)澆試件A-1和A-2混凝土一次澆筑完成。圖3為制作完成的試件。

圖3 制作完成的試驗構件Fig.3 Fabrication of assembled monolithic joint

2.2 材料性能

如上所述，預制試件B-1、B-2和C-1、C-2分預制梁、柱和后澆段2個批次澆筑，現(xiàn)澆試件A-1和A-2混凝土一次澆筑完成，每次澆筑混凝土時預留3個150mm×150mm×150mm的立方體試塊，試驗當天實測其抗壓強度，得到混凝土立方體抗壓強度平均值fcu,m，結果列于表2中。

梁柱縱筋、箍筋、U型搭接鋼筋均采用HPB300鋼筋，鋼筋強度實測值見表3。表3中fy為鋼筋的屈服強度，fu為鋼筋的極限強度。

表2 混凝土立方體抗壓強度實測值Tab.2 Measured concrete cubic compressive strength

表3 鋼筋強度實測值Tab.3 Measured reinforcement strength

2.3 加載方案及測量

圖4 試驗加載裝置Fig.4 Test setup and layout of displacement transducer

對于一般的梁柱節(jié)點單調加載試驗和擬靜力試驗，可采用柱端施加水平力或梁懸臂端施加豎向力兩種加載方式，前者加載裝置較為復雜，梁、柱受力狀態(tài)更符合實際結構中的受力狀態(tài)，后者忽略了柱發(fā)生水平位移時軸壓力所產生的P-Δ效應。由于本試驗主要研究對象為梁端破壞，而非梁柱節(jié)點核心區(qū)破壞，因此無需考慮P-Δ效應對連接受力性能的影響。為此，本次試驗采取梁懸臂端加載的方式，并將柱固定，使柱成為梁端的剛性約束，梁懸臂端施加水平力和往復力。試驗加載裝置如圖4所示。

試驗前，根據材料實測強度和試件的破壞形態(tài)，計算試件的屈服彎矩，并換算為梁端屈服水平力Pv。當施加的梁端水平力Pb≤Pv時，按力控制加載；當Pb>Pv時，按梁懸臂端水平位移Δb(下文稱為梁端水平位移)控制加載。在擬靜力試驗的力控制階段，Pb分為0.5Pv和0.75Pv兩級施加，每級荷載循環(huán)2次。定義Δy為梁端屈服位移，在擬靜力試驗的位移控制階段，按1Δv、2Δv、3Δv、4Δv、5Δv……逐級加載，每級位移循環(huán)加載2次，直至試件內鋼筋拉斷。

測量內容包括梁端豎向力、位移、鋼筋應變、U型環(huán)扣核心區(qū)內混凝土應變。測控系統(tǒng)由加載系統(tǒng)MAX、靜態(tài)應變采集系統(tǒng)UT和位移測試系統(tǒng)HY三個部分組成。加載系統(tǒng)MAX提供作動器實施加載力和位移。靜態(tài)應變采集系統(tǒng)UT由應變采集儀輸出鋼筋和混凝土應變片采集的物理量。混凝土應變片選用BX120—50AA免焊應變片，將其粘貼于事先預制好的混凝土小試塊上，再將小試塊就近埋置于U型環(huán)扣鋼筋內側。鋼筋應變片選用BE120—3AA免焊應變片，裝配式試件鋼筋的應變片分別布置在梁內2根U型鋼筋和3根環(huán)型鋼筋的內筋表面，現(xiàn)澆試件鋼筋的應變片分別布置在梁內4根縱筋的內表面，應變片現(xiàn)場粘貼部位如圖5所示。

位移測試系統(tǒng)采用有線組網連線方式，選用HY—65050F數碼位移傳感器。位移傳感器數量為5個。其中3個位移傳感器分別布置于梁柱節(jié)點試件加載平面內的梁端同加載的高度處、梁柱節(jié)點處上方、梁柱節(jié)點處近臺座面上方；另2個位移傳感器分別布置于梁柱節(jié)點試件加載平面外的梁端同加載的高度處、梁柱節(jié)點處近臺座面上方。

(a) 傳統(tǒng)連接鋼筋應變片

(b) U型連接鋼筋應變片

(c) U型連接混凝土應變片

3 試驗現(xiàn)象及破壞形態(tài)

3.1 單調加載破壞

裝配式試件和現(xiàn)澆試件均按梁端彎曲破壞設計，當加載至20 kN左右，A-1、B-1和C-1試件均在梁固端受拉側出現(xiàn)第一條彎曲裂縫。繼續(xù)加載，各試件陸續(xù)出現(xiàn)多條裂縫，所不同的是，現(xiàn)澆試件的裂縫出現(xiàn)在距離梁根部0.5倍梁高范圍(150 mm)內，裂縫少且粗，靠近梁根部的裂縫上下貫通；裝配式B-1試件的裂縫出現(xiàn)在距離梁根部150 mm之外，裝配式C-1試件的裂縫出現(xiàn)在距離梁根部200 mm之外。B-1和C-1試件的裂縫集中在U型環(huán)扣的邊界，靠近梁根部U型環(huán)扣邊緣的裂縫寬度最大。U型環(huán)扣內的核心區(qū)受拉邊緣宜出現(xiàn)多條裂縫，裂縫細而短，達到U型環(huán)扣邊界即停止發(fā)展，核心區(qū)內部未出現(xiàn)裂縫。當加載至26 kN時各試件均在梁端柱邊出現(xiàn)貫通裂縫，節(jié)點進入塑性屈服階段。

3.2 擬靜力試驗

試件A-2、B-2和C-2加載至屈服荷載前，裂縫開展情況與單調加載試驗類似。當加載至2Δv時，梁彎曲裂縫向懸臂端發(fā)展，在核心區(qū)域邊界外的梁端部開始出現(xiàn)新的裂縫，間距約為50 mm，最大裂縫寬度為1 mm左右，出現(xiàn)在梁根部與柱交界面。當加載至4Δv時，梁根部裂縫完全貫通，裂縫寬度約10 mm，受壓區(qū)表面混凝土大量剝落，U型環(huán)扣核心區(qū)內的混凝土基本保持整體；當加載至6Δv時，試件發(fā)出清脆的聲響，后澆段靠近懸臂端受壓區(qū)混凝土被壓潰后脫落，梁縱筋和箍筋外露，縱筋被拉斷，試件無法繼續(xù)承受荷載而失效，圖6為試件開裂后照片，現(xiàn)澆試件與裝配試件類似。

(a) 受拉側

(b) 受壓側

圖6 試件裂縫開展情況
Fig.6 Shape of cracks on specimens

4 試驗結果及分析

4.1 承載力與變形能力

表4列出了單調加載試驗中各試件的屈服點、極限荷載以及極限位移，將裝配試件與現(xiàn)澆試件的相應數據進行對比可以看出，搭接長度300 mm的裝配式C-1試件的屈服荷載、極限荷載略高于現(xiàn)澆試件，而搭接長度200 mm的裝配式B-1試件的屈服荷載與現(xiàn)澆試件基本相當，但極限荷載明顯低于現(xiàn)澆試件，說明搭接長度對于U型環(huán)扣連接節(jié)點的承載力影響較大。

表4 試件特征點的實驗結果Tab.4 Test results of specimens at main stages

圖7 單調加載試驗荷載位移曲線Fig.7 Load-displacement curve of monotonic loading test

圖7為列單調加載試件的荷載位移曲線，從圖中數據可以看出：①三個試件的開裂荷載約為20 kN；②A-1現(xiàn)澆構件在開裂后，受拉區(qū)混凝土退出工作，受拉區(qū)縱筋承擔更多的荷載，開始屈服，構件的剛度降低，隨著荷載的增加，受拉區(qū)縱筋的應力也增加，在接近40 kN時，受壓區(qū)的混凝土被壓碎，整個構件失去承載能力；③B-1、C-1兩個裝配式試件的延性均明顯高于現(xiàn)澆試件，說明本次試驗中，鋼筋U型環(huán)扣連接節(jié)點的延性性能優(yōu)于現(xiàn)澆節(jié)點。

定義試件的割線剛度K為Vc與Δc的比值，結果見表5。由表中數據可見，裝配式試件的初始剛度與現(xiàn)澆試件基本相同；開裂后裝配式試件的剛度小于現(xiàn)澆試件，B-1試件和C-1試件剛度與A-1試件相比約為0.76和0.85，即裝配式試件的剛度隨著U型鋼筋連接區(qū)段長度的增加而增加。

表5 試件剛度特征的試驗結果Tab.5 Test results of stiffness characteristics of specimens

4.2 鋼筋與混凝土應變

圖8中給出了試件A-1和試件C-1梁縱筋典型測點應力與懸臂梁端水平位移的關系曲線，從圖中曲線可以看出，試件開裂前，現(xiàn)澆和裝配構件中受拉鋼筋的應變發(fā)展規(guī)律基本一致；試件開裂時，現(xiàn)澆試件的鋼筋應力大于裝配試件的鋼筋應力；開裂后，裝配式試件鋼筋應力應變增長緩慢，當達到鋼筋最大應力時現(xiàn)澆試件梁端位移約為50 mm，裝配式試件的最大位移約為120 mm。

試驗中通過預埋在混凝土內部的應變片，測試了每級荷載作用下梁端U型鋼筋圍合區(qū)內混凝土截面受壓與受壓側的應變情況。圖9中給出了試件C-1混凝土中的典型測點在不同加載級別下的應變位移。從圖中數據可以看出，構件開裂前截面應變基本符合平截面假定，位于傳統(tǒng)梁受壓和受拉區(qū)域的混凝土分別為受拉和受壓應力狀態(tài)；開裂后，裝配式U型環(huán)扣鋼筋所包圍范圍內混凝土均處于受壓狀態(tài)。

圖8 鋼筋應力與位移關系曲線
Fig.8 Stress-displacement curve of steel bar

圖9 混凝土應力與位移關系曲線
Fig.9 Stress-displacement curve of concrete

4.3 耗能能力

圖10為A-2試件、B-2試件、C-2試件通過擬靜力試驗得到的滯回曲線，滯回曲線反映了節(jié)點的耗能能力和承載力變化趨勢。從圖中可以看出，三個試件在彈性受力階段的滯回曲線均呈狹長的直線，包圍面積很小，試件幾乎不耗散能量。試件破壞前，滯回環(huán)呈現(xiàn)出飽滿的、穩(wěn)定的梭形，隨著加載級的增大，耗能逐漸增多，滯回環(huán)開始由梭形向弓形轉變，在零位移附近呈現(xiàn)一定的水平段，但未出現(xiàn)明顯的“捏縮”現(xiàn)象。正向加載和反向加載的滯回曲線基本對稱。采用U型鋼筋環(huán)扣連接的B-2試件、C-2試件表現(xiàn)出很大的變形能力，懸臂端位移達到60 mm左右時試件的水平荷載達到峰值，并保持承載力不變，直至位移達到120 mm左右鋼筋被拉斷，試件表現(xiàn)出卓越的延性。

圖11所示為各試件的荷載—位移骨架曲線。骨架曲線中屈服點確定采用等效剛度法，結構延性μ采用結構的破壞位移Δu與結構屈服位移Δy之比確定。以荷載下降到峰值荷載的85 %作為試件的破壞點(試件破壞時，承載力未下降至85 %，則取試件破壞時的位移為)。從圖中可以看出，三個試件的初始剛度基本相同，且在鋼筋拉斷前三條骨架曲線比較接近，B-2、C-2曲線具有相近的承載力和耗能能力，并顯著大于A-2試件。三個試件的結構延性分別為：μA=8.7，μB=20.6和μC=21.2，即B-2、C-2試件的延性約為A-2試件的2.4倍。

圖10 各試件滯回曲線
Fig.10 Hysteretic loops of specimen

圖11 骨架曲線
Fig.11 Skeleton curves of specimen

4.4 破壞機理分析

根據試驗及有限元分析得到的鋼筋及混凝土應力可知，本文提出的U型鋼筋環(huán)扣連接的受力模式與傳統(tǒng)鋼筋錨固破壞完全不同。由于試件A(現(xiàn)澆構件)中受力鋼筋是整根貫通的，混凝土開裂前，鋼筋與混凝土共同受力，鋼筋均勻受拉且應力較小。混凝土開裂后，裂縫處混凝土退出工作，應力全部由開裂處的鋼筋承擔，鋼筋應力激增，但離開裂縫一定范圍后由于混凝土的握裹作用，鋼筋仍然與混凝土共同承擔構件內力，鋼筋應變減小，應力充分發(fā)揮段長度短。整個構件的延性與耗能能力與裂縫的分布情況有關，裂縫越多越密，構件延性與耗能性能越好。

試件B、C(裝配構件)中利用U型環(huán)扣鋼筋進行傳力，由于環(huán)扣鋼筋在混凝土中的錨固長度較短，構件受力后鋼筋周邊的混凝土很快因咬合失效而退出工作，鋼筋的錨固力由混凝土及角部橫向插筋對環(huán)形鋼筋的法向力分量提供，如圖12所示。從裂縫到橫向插筋范圍內，試件B、C(裝配構件)中環(huán)形鋼筋的應力流是均勻而連續(xù)的，即發(fā)生充分變形的鋼筋長度遠大于試件A(現(xiàn)澆構件)，圖中應力面積反映了試件B、C(裝配構件)具有比連續(xù)布筋的現(xiàn)澆節(jié)點更強的延性與耗能性能。

(a) 現(xiàn)澆節(jié)點

(b) 裝配節(jié)點

圖12 鋼筋應力分布示意
Fig.12 Stress distribution of steel bars

5 結論

① 裝配式混凝土鋼筋U型環(huán)扣連接構造可應用于梁柱節(jié)點、主次梁連接等部位，該連接構造通過環(huán)扣鋼筋所包圍的核心區(qū)混凝土形成“插銷式”連接，環(huán)扣鋼筋能有效傳遞連接所需拉、壓力，保證了連接的安全性，同時可有效提高現(xiàn)場施工效率。

② 鋼筋U型環(huán)扣連接試件的破壞過程、不同特征點時的裂縫分布、承載能力、變形能力、延性、剛度以及耗能能力均與現(xiàn)澆對比試件有著明顯的優(yōu)勢；與普通梁柱連接相比，新型連接實現(xiàn)“等同現(xiàn)澆”，并滿足“強節(jié)點，弱構件”的設計理念。

③ 采用新型U型鋼筋環(huán)扣連接裝配而成的梁端節(jié)點與普通現(xiàn)澆梁相比，裂縫開展較為緩慢，環(huán)扣核心區(qū)混凝土保持了較好的彈性，與普通現(xiàn)澆連接相比，新型連接的滯回曲線更飽滿，連接節(jié)點破壞呈現(xiàn)較為典型的延性破壞。

④ U型鋼筋環(huán)扣的搭接長度對節(jié)點承載力和剛度有一定影響，但對節(jié)點延性的影響較小。本文的試驗可為進一步開發(fā)裝配式半剛性節(jié)點提供基礎性研究。