全装配式混凝土结构界面软索连接拼缝抗剪性能试验研究

2014-09-27黄远许铭张锐

湖南大学学报·自然科学版 2014年6期

黄远+许铭+张锐

文章编号：16742974(2014)06002206

收稿日期：20131113

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51108171，51338004)；湖南省自然科学基金资助项目(14JJ30543)；中央高校基本科研业务费资助项目(HNDX20140316)

作者简介：黄远（1982-），男，湖南衡阳人，湖南大学副教授，博士

通讯联系人，Email:huangy09@gmail.com

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摘要：对5个设置界面软索连接的全装配混凝土试件进行静力加载试验研究，包括3个墙与墙连接试件及2个楼板与楼板连接试件.并采用目前已有的界面抗剪承载力计算方法对试验结果进行对比计算.研究结果表明：拼缝抗剪承载力主要由软索受拉产生的界面抗剪摩擦力和软索自身的销栓力组成，试件呈现良好的延性.针对试验结果，深入分析了软索连接拼缝的受力及破坏机理，采用合理的计算假定，提出了软锁连接拼缝抗剪性能的三折线受力模型，理论方法计算结果与试验值吻合比较理想，可为全预制混凝土结构软索连接拼缝的抗剪承载力计算及工程实践提供参考.

关键词：全装配式混凝土；拼缝；界面软索；剪切性能；界面受力模型 

中图分类号：TU205 文献标识码：A

Experimental Study of the Shear Behavior of Total Precast

Concrete Structures with Steel Cable Connections



HUANG Yuan, XU Ming，ZHANG Rui

(College of Civil Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082，China)

Abstract:Five precast concrete specimens with steel cable connections were tested statically. These specimens include three wallwall specimens and two floorfloor specimens. Then the existing methods were used to calculate the shearing resistance of the connections. The results show that the shear capacity of the seam is mainly composed of shear friction of the steel cable in tension and the dowel action of the steel cable. The specimens exhibit excellent ductility. Based on the test results, indepth analyses were conducted to study the behavior and the failure mechanism of the connection with steel cable. Using rational assumptions, we proposed a trilinear model to predict the shear behavior of the steel cable connection. The results of the trilinear model are in good agreement with those obtained in the test, which provide useful reference to the design and construction of total precast concrete structures with steel cable connections.

Key words: total precast concrete；seam；steel cable；shear behavior；mechanical model of the interface



全装配式混凝土剪力墙结构是指全部剪力墙采用预制构件装配、连接而成的混凝土结构．预制构件之间的拼缝基本等同于现浇结构或者略低于现浇结构，需要通过设计计算满足拼缝的承载力、变形要求，并在整体结构分析中考虑拼缝的影响.对于全装配式结构来说，体系预制化率高，具有施工速度快、质量稳定可靠、节能环保等优点，是公认的可持续发展技术[1-2].

Harry R. Foerster[3]等通过不同类型的拼缝在单调剪切荷载作用下的试验研究，分析了接缝处砂浆的抗拉强度和所施加的预应力水平对拼缝开裂强度的影响.S.C.Chakrabarti等［4］在29个试件的试验基础上，对竖向接缝的剪切承载能力和剪切刚度进行了分析研究，给出了拼缝处抗剪承载力及剪切刚度的计算公式.聂建国等［5］通过试验研究，从理论上分析了新老混凝土植筋界面的破坏机理，提出了界面三阶段力模型，并提出了适用于实际工程的设计方法.吴刚等［6］通过对预应力高强钢丝绳抗弯加固混凝土梁的试验及理论研究，分析了钢丝绳的配置情况对加固性能的影响.史伟卓［7］通过一系列试验研究了钢丝绳的布置方式及间距对混凝土梁抗剪加固效果的影响.

已有的研究大都关注新老混凝土界面抗剪问题以及钢丝绳在加固中的应用问题，对于全装配式混凝土剪力墙结构软索连接界面抗剪性能的研究并不充分．本文对5个设置界面软索连接的全装配式混凝土试件进行试验研究，分析了不同界面尺寸及不同砂浆类型对拼缝界面抗剪承载力的影响.

1 试验概况

1．1 试件设计与材料特性

本文共设计了5个装配式试验构件，其中包含3个墙与墙连接节点试件(竖向拼缝)、2个楼板与楼板连接节点试件(水平拼缝)，采用的连接方式均为软索锚环连接，试件构造如图1所示.试件编号分别为RSJD1a, RSJD1b, RSJD1c, RSJD2a, RSJD2b，主要参数变化为界面尺寸与砂浆强度，试件基本参数见表1.

界面软索等级为HPB300级，预制混凝土强度等级为C35，灌浆料强度等级为C40，材性试验结果见表2和表3.

试件采用分块预制，各预制构件预留连接用的灌浆孔.灌浆过程保持连续匀速，在灌浆料初凝之前应灌浆完毕，灌浆完成后应养护约7 d.试件的制作过程与实际工程中的施工顺序相同，具体试件制作及成型如图2所示.



图1试件构造图

Fig.1Construction details of specimens



表1 构件参数表

Tab.1 Parameters of specimens

试件

编号

节点

类型

界面尺寸

/mm×mm

灌浆料

软索

插筋(缝)

RSJD1a

RSJD1b

RSJD1c

软索

连接

1 600×200

混凝土

灌浆料

A6钢

丝绳

C16，缝40 mm

C16，缝10 mm

C12，缝10 mm

RSJD2a

RSJD2b

软索

连接

1 600×120

微膨胀

灌浆料

A6钢

丝绳

插筋C14

插筋C14

表2 钢丝绳材性试验结果

Tab.2 Test result of wire rope

钢丝绳

强度/MPa

备注

1 770

DIN3060 6×19

表3 抗压强度试验结果

Tab.3 Test results of compressive strength

材料名称

强度/MPa

备注

预制混凝土

40.8

150 mm立方体试块

混凝土灌浆料

微膨胀灌浆料

45.2

42.8

100 mm立方体试块



图2 试件制作及成型

Fig.2 Manufacture and molding of specimens

1．2 试验加载与量测方案

对于不带地梁的构件，试验装置如图3(a)所示.测试过程中测取有千斤顶加载的荷载值、墙体的相对滑移.

图3 试验加载装置

Fig.3 Load instrument of experiment

对于带地梁的构件，试验加载装置图如图3(b)所示.测试过程中测取有千斤顶加载的荷载值、墙体在基础梁上的滑移.

2 试验现象与结果

2．1 各试件主要试验现象

RSJD1a加载至位移为6.87 mm时，构件出现“砰砰”的响声，随后构件突然破坏，破坏时有巨响.试验现象如图4(a)所示.RSJD1b加载至位移为5.31 mm时，构件出现噼啪响声，墙体发生错动，钢索断开.试验现象如图4(b)所示.RSJD1c加载至位移为4.83 mm时，墙体出现明显的错动，有噼啪响声，试件破坏突然，破坏时伴随巨响.试验现象如图4(c)所示.

RSJD2a加载至位移为12.58 mm时，构件加载端出现滑移，同时发出噔噔的响声；加载至25.04 mm时，构件发出砰的一声响，钢索断裂.试验现象如图4(d)所示.RSJD2b加载至位移为2.03 mm时，构件发出噔噔响声；加载至13.06 mm时，构件发出砰的一声响，钢索断裂.试验现象如图4(e)所示.



图4 试件主要破坏现象

Fig.4 Failure phenomenon of specimens

2．2 荷载滑移曲线

各试件的荷载滑移曲线如图5所示.试验曲线主要可以分为3部分：曲线上升阶段主要由界面抗剪摩擦力和软索的销栓力共同提供抗剪；达到峰值剪力后，由于软索屈服，拉力不再增加，但变形继续增长使结合面裂缝宽度变大，界面摩擦咬合力减弱，从而导致界面抗剪摩擦力减小，曲线呈下降段；当剪切滑移达到一定值时，界面抗剪摩擦力退出工作，界面抗剪能力完全由软索销栓力提供，呈现一定的稳定形式(实际上会随滑移的增大缓慢下降)，曲线表现为水平段.P1为试件极限抗剪承载力，主要由界面抗剪摩擦力和软索的销栓力共同决定，为曲线上峰值点对应的荷载值；P2为界面软索提供的销栓力值，为曲线上下降段与较平缓段交点对应的荷载值.P1和P2可通过试验曲线直接获得，具体数值见表4.

滑移/mm(a)墙与墙

滑移/mm(b)楼板与楼板

图5 试件荷载滑移曲线

Fig.5 Loadslip curves of specimens



表4 试件抗剪承载力

Tab.4 Shear capacity of specimens

试件编号

RSJD1a

RSJD1b

RSJD1c

RSJD2a

RSJD2b

P1/kN

506.70

302.50

341.20

216.20

184.70

P2/kN

189.20

190.56

130.43

131.20

132.26

从图5可以看出，各试件的承载能力及对应滑移存在一定的差别.对于墙墙连接试件，导致极限抗剪承载力存在较大差异的原因可能是试件拼缝宽度的不同，拼缝较宽处灌浆料浇筑可能更为密实且与混凝土接触面积更大，进而导致界面摩擦咬合力较大，提供的界面抗剪摩擦承载力也更大，因此极限抗剪承载力较大；对于板板连接试件，由于拼缝水平设置，在吊装的过程中可能出现界面软索锚环松动或结合面破损，导致结合面受软索约束的挤压力减小，进而使界面抗剪摩擦力减小，因此极限抗剪承载力较小.另外试验环境以及试验中一些人为因素也会导致结果出现一定的差异.

3 界面抗剪承载力计算

通过试验结果可看出，设置软索锚环连接的全装配式混凝土结构拼缝处的抗剪性能实际上可归结于软索锚环自身的抗剪性能.关于新老混凝土界面抗剪承载力的计算，国内外已有大量研究并提出了各种计算方法，此处通过选取3种方法所得计算结果与试验结果的对比，验证新老混凝土界面抗剪承载力的计算是否适用于混凝土与砂浆黏结的界面.

3．1 Eurocode 2 [8]

界面抗剪承载力按下式计算：

τuh=cft+μσn+ρvhfvhyμsin α+cos α≤

0.5νfc. (1)

式中：τuh为界面的极限水平剪应力；c,μ为界面粗糙度决定的系数，见表5；σn为最小界面法向力产生的正应力；ρvh为界面抗剪钢筋的配筋率；α为抗剪钢筋的倾斜角度，45°≤α≤90°；ft和fc分别为界面混凝土抗拉和抗压强度设计值；ν为剪切裂缝引起的混凝土强度折减系数，建议取ν=0.6(1－fck/250），fck为混凝土圆柱体抗压强度标准值.

表5 c与μ的取值

Tab.5 Values of c and μ

界面粗糙度

适用情况

c

μ

非常平滑

钢、塑料、特制的木模

0.25

0.5

平滑

未经特殊处理的表面

0.35

0.6

粗糙

3 mm深,间距40 mm粗糙表面

0.45

0.7

齿咬合

——

0.50

0.9

3．2 ACI 318M-08［9］

ACI中界面抗剪承载力公式主要是在预裂试件的基础上提出来的，一般不利用混凝土本身的强度，只考虑钢筋作用的主导地位，再乘以调整系数，可得：

V=μAsfy≤min (0.2fcAi, 5.51AiN）．(2)

式中：μ为摩擦因数，取值见表6；As和fy分别为横向钢筋的总面积和抗拉强度设计值；fc为界面混凝土抗压强度设计值；N为作用在界面上的法向轴力；Ai为界面面积.

表6 μ的取值

Tab.6 Values of μ

整浇混凝土

粗糙界面

光滑界面

螺栓或钢条锚固

1.4λ

1.0λ

0.6λ

0.7λ

注：对普通混凝土，λ=1.0;对全轻混凝土，λ＝０.75．

3．3 PCI7TH EDITION［10］

界面抗剪承载力公式是以钢筋的破坏为基准提出的，剪力主要由钢筋承担.计算公式如下：

V=φnAsfy.(3)

式中：φ为钢材强度折减系数，受剪时为0.65，受拉时为0.75；n为钢筋根数；As，fy分别为钢筋截面面积和屈服强度.

各试件界面抗剪承载力计算值与试验值对比如图6所示.从图中可以看出，各种方法计算所得结果均存在较大差异，3种方法所得计算值均远大于试验值，除了试件RSJD1a.由此可见，新老混凝土界面的抗剪承载力计算方法并不适用于混凝土与砂浆界面，因此有必要进行后面的分析，推导出适用于混凝土与砂浆界面的抗剪承载力计算公式.



图6 各种方法计算值对比

Fig.6 Comparison of results by various methods

4 理论分析

前期研究发现［9-10］，全装配式混凝土构件在制作安装过程中，会因各种原因而产生初始裂缝，故一般不建议利用界面自身的黏结强度.根据试验荷载滑移曲线，可以认为拼缝处界面抗剪承载力主要由软索受拉产生的界面抗剪摩擦力和软索自身的销栓力提供，在此基础上提出了修正的三折线界面抗剪模型，如图7所示.

4．1 界面模型公式推导

在不考虑界面黏结作用的情况下，界面极限抗剪承载能力主要由结合面在软索受拉作用下产生的界面抗剪摩擦力和软索自身的销栓力决定.

第一阶段，界面抗剪承载力主要受软索对界面抗剪的影响，包括界面抗剪摩擦力和软索销栓力，随着剪切滑移量的增大，抗剪承载力达到最大值；第二阶段，达到峰值剪力后，软索屈服，拉力不再增加，结合面受软索约束产生的挤压力不再增长，但变形继续增加使得结合面裂缝宽度变大，导致界面抗剪摩擦力下降，界面抗剪承载力随之下降；第三阶段，剪力呈稳定趋势(实际上会随着滑移量的增加呈现缓慢下降趋势)，滑移量不断增大，直至钢丝绳出现断裂，试件整体呈现良好的延性，此时界面抗剪承载力主要由软索销栓力承担.

界面滑移

图7 界面三折线受力模型



Fig.7Three stage mechanical model of interface



相关试验研究表明，界面抗剪摩擦力主要与界面抗剪钢筋的面积和强度有关[11]，由此可以假定软索连接的界面抗剪摩擦力为V1=αμfyAs，fy和As分别为软索强度和面积，μ为界面摩擦因数，取值参照文献[9]，本次试验取μ=1；软索销栓作用对界面抗剪影响作用较为复杂，根据Dulacska提出的建议公式[12]，可以取V2=1.27d2fcfy=1.617Asfcfy，其中fc为预制混凝土立方体抗压强度，d为钢筋直径，fy和As分别为软索强度和面积.第一阶段极限承载力取为Pu=V1+V2=αfyAs+1.617Asfcfy，第二阶段承载力取为Pr=V2=1.617Asfcfy.根据试验荷载滑移曲线以及最小二乘法原理，利用Matlab求得参数为α=0.27，故最终提出的预制混凝土与灌浆料界面的极限抗剪承载力公式如下：

Pu=0.27μfyAs+1.617Asfcfy.(4)

4．2 试验验证

由本文提出的计算方法确定的荷载滑移曲线与试验结果曲线对比如图8所示.各试件的拼缝界面的极限抗剪承载力和软索销栓力对比见表7.从图8和表7可以看出，理论方法计算值与试验值吻合比较理想.

为了较全面地分析拼缝处抗剪承载力的影响因素，选取变化参数为界面预制混凝土立方体强度等级、界面软索配筋率、软索锚环间距和界面软索强度.为了较清楚地表现出界面抗剪行为随各参数的变化规律，选取界面极限抗剪承载力作为计算指标.如图9和图10所示.

表7 界面承载力对比

Tab.7 Comparison of results of ultimate capacity

RSJD1a

RSJD1b

RSJD1c

RSJD2a

RSJD2b

极限

Pu

试/kN

506.7

302.5

341.2

216.2

184.7

Pu

计/kN

310.23

Pu

试/Pu

计

1.633

0.975

1.100

0.700

0.600

残余

Pr

试/kN

189.20

190.54

130.43

131.20

132.26

Pr

计/kN

147.74

Pr

试/Pr

计

1.281

1.290

0.883

0.888

0.895

滑移/mm(a)墙与墙 

滑移/mm(b)楼板与楼板

图8 荷载滑移曲线对比

Fig.8 Comparison of results loadslip curves

预制混凝土强度/MPa

图9 极限抗剪承载力随预制

混凝土立方体强度的变化



Fig.9 Influence of the strength of precast concrete

on ultimate shear capacity of interface



软索强度/MPa

图10 界面极限抗剪承载力随软索强度及间距的变化

Fig.10 Influence of the strength and space of soft 

cable on ultimate shear capacity of interface



从图9中可看出，界面极限抗剪承载力随固定界面软索的预制混凝土立方体强度的增加而增加，界面软索配筋率越高，增长速度越快；当预制混凝土强度一定时，软索配筋率越高，界面极限抗剪承载力越大.从图10中可看出，界面极限抗剪承载力随界面软索锚环间距的减小而增大，软索强度等级越高，增长速度越快；在软索锚环间距一定的情况下，软索强度等级越高，界面极限抗剪承载力越高.

5 结论

通过对设置软索锚环的全装配式混凝土构件的试验研究，可以得到以下结论：

1)全装配式混凝土构件的主要破坏为预制构件拼缝处的破坏，在构件发生破坏以前，试件的整体性能取决于拼缝处的抗剪性能.

2)全装配式混凝土结构拼缝界面的受力行为可分为3个阶段，拼缝界面极限抗剪承载力主要由软索受拉产生的界面抗剪摩擦力和软索自身的销栓力提供；达到极限抗剪承载力后，软索屈服不再承受拉力，但继续变形导致裂缝变宽，界面抗剪摩擦力下降，界面抗剪能力随之下降；滑移增长到一定值时，界面抗剪摩擦力退出工作，界面抗剪性能全部由软索销栓力提供.

3)界面抗剪承载能力随固定软索的预制混凝土立方体强度的增加而增强，随软索强度等级、软索配筋率的提高而提高，随软索间距的增加而减小.

4)在实际工程设计中，为了尽量避免拼缝破坏发生在预制构件破坏之前，应选用较高强度的混凝土，减小软索锚环之间的间距、增大拼缝处软索锚环配筋率或选用较高强度等级的软索锚环.

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