套筒灌漿缺陷下裝配式混凝土柱及框架的抗震性能

(長沙理工大學土木工程學院，湖南長沙，410114)

目前，裝配式混凝土結構已成為我國建筑結構發展的重要方向之一，它不僅與國家所提倡的綠色環保建筑相契合，而且有利于提高施工效率。JGJ 1—2014“裝配式混凝土結構技術規程”[1]規定，在裝配式混凝土結構中，節點及接縫處的縱向鋼筋連接宜根據接頭受力、施工工藝等要求選用機械連接、套筒灌漿連接、漿錨搭接等連接方式。鋼筋機械連接能滿足現行規范對結構抗震性能的要求[2]，且價格較低廉，但機械連接對鋼筋定位精度要求較高，這給現場施工質量管理帶來較大難度。在漿錨搭接方面，CHEOK等[3-5]對采用該種連接的預應力框架節點進行了低周反復試驗，結果表明預應力節點的耗能能力和恢復能力比對應的現澆節點強，但現行的技術規程規定，對于直接承受動力荷載構件的縱向鋼筋以及直徑大于20mm的鋼筋都不宜采用漿錨搭接，所以，具有一定的局限性[1]。而采用灌漿套筒連接的裝配式豎向構件能有效提高裝配節點的設計質量[6]。在高溫抗火方面，套筒內的高強灌漿料在高溫下能保持較大黏接力，使得鋼筋不被拔出，保證結構具有較大的承載力，耐受的最高溫度可達到700℃左右[7]。李銳等[8-9]研究了將普通鋼筋換成大直徑高強鋼筋后灌漿套筒連接的預制柱抗震性能。另外，錢稼茹等[10-11]還通過試驗和有限元模擬手段對裝配式剪力墻結構的抗震性能進行了研究，均認為其與現澆結構承載力相當。在實際工程中，灌漿套筒連接也會存在一些施工缺陷，如套筒定位偏差、套筒內灌漿不密實等，這都會嚴重影響工程結構的安全性，為此，人們采用試驗手段等對灌漿缺陷下的裝配式混凝土結構進行了研究。鄭清林等[12-14]研究了不同灌漿缺陷程度下連接接頭及其結構的力學性能，發現灌漿缺陷會導致試件承載力、變形性能及剛度出現不同程度下降，但對不同位置的灌漿缺陷對柱抗震性能的影響欠考慮。此外，關于柱灌漿缺陷對整體框架抗震性能的影響研究很少?？梢?，現有的研究主要集中在連接質量完好時裝配式構件、節點的受力性能等方面，而關于灌漿缺陷對裝配式構件及結構的抗震性能影響的研究不夠深入。為此，本文作者采用截斷鋼筋來模擬灌漿缺陷，并利用文獻[12，15]中的柱及框架試驗結果，驗證該方法的有效性，分析在不同數量和位置的灌漿缺陷下裝配式混凝土柱的抗震性能，最后以某單層兩跨的裝配式混凝土框架為研究對象，考慮鋼筋套筒連接存在多處灌漿缺陷，研究結構抗震性能的變化趨勢。

1 套筒灌漿缺陷有限元模型

1.1 模型簡化方案

對于采用套筒連接的結構，常用的有限元模擬方法一般有通過彈簧單元模擬套筒連接，或通過建立實體單元并考慮接觸綁定來模擬[16-17]等。但需指出的是：前者通過彈簧單元不能較好模擬有缺陷的套筒由受拉轉為受壓的力學行為，鋼筋未能與混凝土共同受力，導致混凝土材料過早受壓破壞；后者則容易造成“過約束”而與實際受力狀態不符。為此，本文提出一種新的模擬方法，即通過多點約束(MPC)綁定的方法來模擬結構的套筒連接部分，連接各鋼筋纖維單元端部的主、從節點，混凝土纖維單元也用相同方法進行連接；而對存在灌漿缺陷的連接部分，通過截斷相應位置的鋼筋來模擬連接失效。灌漿缺陷模擬方法如圖1所示。將建好的纖維模型導入ABAQUS程序中，最后通過軟件中的二次開發端口，調用PQFiber子程序[18]中的USteel02和UConcrete02本構模型，分別對結構中的鋼筋和混凝土單軸滯回本構模型進行定義，并進行模擬計算。

圖1 灌漿缺陷模擬方法Fig.1 Method for grouting defect simulations

1.2 模型驗證

為驗證上述有限元模擬方法的有效性，對文獻[12，15]中的裝配式混凝土柱及框架模型試驗結果進行模擬比對。首先，對文獻[12]中裝配式鋼筋混凝土柱模型試驗結果進行模擬分析，模型的混凝土部分采用纖維梁單元，鋼筋通過ABAQUS中的關鍵字rebar加入到構件中，鋼筋材料本構關系假定為理想彈塑性模型，柱底邊界條件采用完全固接。裝配式RC柱試驗模型見圖2，模擬計算結果對比見圖3，缺陷分布見表1。

從圖3可看出：由于ABAQUS軟件模擬采用的PQ-Fiber模型較理想，使得剛度退化現象更明顯，所以，模擬得到的滯回環比鄭清林等[12]得到的滯回環要更加捏攏。但總體上看，ABAQUS模擬得到的水平力P-加載位移滯回曲線與試驗結果較吻合，最大水平力和最大位移均與試驗結果基本一致。

采用文獻[15]中的框架試驗模型(見圖4)來驗證本文ABAQUS纖維模型的正確性。進行模擬分析時，框架中的梁柱單元都采用纖維模型。計算結果對比見圖5。

圖2 裝配式RC柱剖面圖Fig.2 Section drawing of RC fabricated column

圖3 柱滯回曲線的試驗與ABAQUS模擬結果對比Fig.3 Comparison of hysteresis curves of column between experimental results and ABAQUS simulation results

表1 柱子編號及其灌漿缺陷情況Table1 Column number and its grouting defects

圖4 文獻[15]中試驗框架模型Fig.4 Tested frame model in Ref[15]

圖5 框架滯回曲線的試驗與ABAQUS模擬結果對比Fig.5 Comparison of hysteresis curves of frame betweenexperimental results and ABAQUS simulation results

從圖5可看出：由于ABAQUS軟件模擬采用的邊界條件較理想，所以，模擬得到的滯回環比文獻[15]中滯回環稍飽滿，但總體上看，模擬得到的水平力P-加載位移滯回曲線與試驗結果較吻合，最大水平力和最大位移分別為208.5kN和55.0mm，而試驗結果分別為199.0 kN和55.0mm，兩者基本一致。由此可見：上述有限元模擬方法較有效，可用來分析裝配式混凝土柱及框架結構的滯回性能。

2 套筒灌漿缺陷下RC柱抗震性能

2.1 灌漿缺陷數量對RC柱抗震性能的影響

當前雖已開展針對裝配式混凝土柱在不同灌漿缺陷程度下的抗震性能等研究[12-14]，但考慮的情況尚不夠全面。這里仍以文獻[12]中的柱試驗模型為分析對象，通過數值模擬進一步研究鋼筋連接缺陷數量較多(如柱QX-4情形，4根鋼筋存在灌漿缺陷，占總鋼筋數量的50%)時柱抗震性能的變化規律，模擬計算結果見圖6。

結合圖6以及圖3可知：隨著連接失效的鋼筋數量從1根增大至4根，即灌漿缺陷程度增大，柱的整體抗震性能也隨之下降，尤其是當柱截面受拉或受壓一側的鋼筋均有缺陷時，其抗震性能極差，如柱QX-4。這是因為當柱子緊連的4根鋼筋都出現灌漿缺陷時，缺陷一側滯回捏縮效應非常明顯，達到峰值荷載后結構迅速破壞，剛度退化速率明顯比另一側的大。

2.2 灌漿缺陷位置對RC柱抗震性能的影響

為進一步考察灌漿缺陷位置對RC柱抗震性能的影響，設計了柱QX-5和QX-6這2種缺陷模式，分別與柱QX-4和QX-2的缺陷模式進行對比，它們對應的灌漿缺陷數量相同但缺陷位置不同。柱QX-5和QX-6灌漿缺陷位置及其滯回曲線見圖7。

從圖7可知：柱QX-4與柱QX-5缺陷數量同為4個，但柱QX-5的缺陷鋼筋出現在對角位置，其滯回曲線較柱QX-4滯回曲線要飽滿、對稱，且正、負2個方向的剛度退化也較緩慢，延性及耗能能力也較強。同時，結合圖3可知：柱QX-2正向連續的2根鋼筋有缺陷；柱QX-6則位于對角位置的2根鋼筋有缺陷，后者的滯回環更加飽滿、對稱，正負方向的環形面積基本相等，表現出較強的耗能能力；前者負向承載力及環形面積比正向的大。

綜上所述，當普通鋼筋套筒連接存在缺陷時，裝配式混凝土柱的抗震性能不僅受缺陷數量的影響，同時也受缺陷分布位置的影響，尤其是當柱截面受拉或受壓一側的鋼筋均有缺陷時，其一側的滯回曲線捏縮效應非常明顯。

3 灌漿缺陷下RC框架的抗震性能

3.1 框架結構模型

圖6 QX-4灌漿缺陷位置及其滯回曲線Fig.6 Hysteresis curve of QX-4 and grouting defects position

圖7 QX-5和QX-6灌漿缺陷位置及其滯回曲線Fig.7 Grouting defects position and hysteresis curves of QX-5 and QX-6

根據GB 50010—2010“混凝土結構設計規范”[19]及GB 50011—2010“建筑抗震設計規范”[20]，按照8度設防烈度，設計一榀單層兩跨的裝配式混凝土框架結構。柱子頂部施加恒定軸壓力，軸壓比為0.3，預制柱采用直徑為28mm的HRB500級鋼筋，現澆梁縱筋和箍筋都采用HRB400級鋼筋，預制柱及現澆梁、節點區混凝土等級均為C35，對結構進行擬靜力試驗。通過位移控制水平力P加載，每級正、反2次加載，直至最大位移為80mm。分析框架在不同缺陷程度下結構的抗震性能，其中結構尺寸見圖8。

進行滯回耗能分析時，每一次循環加載的水平力-位移曲線會形成1條滯回環，其所圍的面積即為結構試件所消耗的能量。設每條滯回環所圍的面積為Ei，所有滯回環面積之和為滯回分析的總能量Et，滯回環總面積越大，說明試件的耗能能力越強。

圖8 框架模型Fig.8 Frame models

式中：n為滯回環的數量。結構延性通常以結構極限位移與結構屈服位移之比來衡量：

式中：u為延性系數；Δy為屈服位移；Δu為極限位移。

本文采用“最遠點法”確定構件和結構的屈服點[21]，并以此確定屈服位移和屈服荷載。定義加載過程中水平荷載下降為0.85Pmax(Pmax為峰值荷載)時，對應的位移和荷載分別為極限位移和極限荷載。

3.2 邊柱存在灌漿缺陷時的框架抗震性能

考慮邊柱鋼筋連接存在一定數量的灌漿缺陷(見表2)，對該框架結構的抗震性能進行研究，具體滯回曲線、骨架曲線等數值分析結果見圖9、圖10和表3。

從圖9可知：框架BM滯回曲線對稱且較飽滿；而對于存在灌漿缺陷的結構，滯回曲線的不對稱性和捏縮效應相對明顯，其中框架BQX-1和框架BQX-2的滯回曲線幾乎一致，表明這2種缺陷對結構的影響相同；當正方向加載時，存在缺陷的骨架曲線下降段斜率明顯比框架BM的大。由此可見：隨著水平位移增大，結構的承載力都會出現不同程度下降，而受灌漿缺陷影響的框架，下降程度會更加明顯；當負方向加載時，框架BQX-3負方向與其他3種情況相比剛度退化更加明顯，滯回環面積最小，表明該種缺陷對結構的抗震性能最不利。

表2 邊柱存在灌漿缺陷時的框架模型Table2 Frame models with grouting defects in side columns

圖9 邊柱存在灌漿缺陷時的框架滯回曲線Fig.9 Hysteres is curves of frame with grouting defects in side column

圖10 邊柱存在灌漿缺陷時的框架骨架曲線Fig.10 Frame skeleton curves of side column with grouting defects

從表3可知：缺陷框架的正方向Δu和Δy變化幅度都較大，分別為76.5～79.5mm和19.0～24.5mm，這表明不同位置的灌漿缺陷對結構抗震性能的影響程度也不同；對于延性系數u，負向u變化幅度較大，而正向u則相對穩定，且正向u比對應的負向u高3.7%～16.4%，說明3種缺陷對結構負向加載的影響更大。其中，框架BQX-3正向u甚至比框架BM的略大，在文獻[12]中也存在缺陷結構的延性比無缺陷結構延性更好的情形?？蚣蹷M與其他3種缺陷框架情形相比，其滯回耗能最高。而在3種缺陷框架中，框架BQX-3的滯回耗能最小，較框架BM的滯回耗能下降31.1%，這說明該種灌漿缺陷較不利。

從圖10可知：4種情況的骨架曲線在彈性階段變化不大，但當到達開裂荷載時，框架BQX-3的承載力增速降低，剛度退化速率最大，也較早進入屈服階段，并且其屈服水平段較短，表明該種結構的抗震性能及延性較低；框架BQX-1和框架BQX-2的骨架曲線基本接近，說明這2種缺陷情況對結構的抗震性能影響基本相同；對于框架BM，其屈服階段的剛度退化速率明顯最小，所以，其骨架曲線只略微下降，表明無缺陷框架結構的整體穩定性好。

3.3 邊柱中柱同時存在灌漿缺陷時的框架抗震性能

為進一步研究中柱存在缺陷時對框架結構抗震性能的影響，在框架邊柱存在缺陷的基礎上，進一步考慮中柱也存在灌漿缺陷時對框架結構抗震性能的影響。設計4種缺陷框架，具體情況見表4。

不同灌漿缺陷組合時，框架結構的滯回曲線見圖11，計算結果見表5，骨架曲線見圖12。從表5、圖11和圖12可知：與只考慮邊柱缺陷的框架相比，這4種框架的承載力總體上都比前者略有下降，滯回曲線捏縮更加明顯，說明結構的耗能能力下降，其中框架ZQX-4下降程度最顯著；另一方面，當負向加載時，4種缺陷框架的耗能退化都較明顯，承載力幾乎呈直線下降，說明當中柱邊柱都有缺陷時，對結構負向承載力影響更大；而當正向加載時曲線下降段斜率明顯變小，例如框架ZQX-3正向曲線下降段斜率相對其他3種框架更小，可見當缺陷鋼筋都為對角位置時，框架結構的正向抗推覆能力最強。

表3 邊柱存在灌漿缺陷時的滯回分析結果Table3 Hysteresis analysis results of frames with grouting defects in side columns

表4 框架編號及其框架柱灌漿缺陷Table4 Frame number and its frame column grouting defects

從表5可知：框架正向屈服位移都比負向位移小，這是由于右側有效連接鋼筋較左側多，所能提供的抗推覆力更大，這一點在極限位移方面也有類似體現，其中，框架ZQX-4的屈服荷載平均值最小，與3.2節中的最不利情況框架BQX-3相比，滯回耗能下降8.6%，表明其抗推覆能力和耗能能力進一步降低；與框架BM相比較，此處4種缺陷情形的耗能能力下降31.3%～37.1%，下降程度比只考慮邊柱缺陷情況時的更大。

從圖12可以看出：與只考慮邊柱情況相比，當中柱和邊柱均存在灌漿缺陷時，該類型框架的后期剛度呈直線下降，退化速率更大；這4種缺陷框架的剛度退化速率從大到小對應的框架依次為ZQX-4，ZQX-1，ZQX-2和ZQX-3，它們的總能量由大至小排序亦與此相同；同時，這4種情況的骨架曲線在彈性階段變化不大，但當到達開裂荷載后，剛度退化速率開始增大，屈服點比框架BM的小，這表明缺陷框架結構的整體穩定性差，結構的耗能能力及延性均較差，其中，框架ZQX-3在此4種框架中耗能能力較高，其屈服階段的剛度退化速率稍小。

圖11 不同灌漿缺陷組合時的框架滯回曲線Fig.11 Hysteresis curves of frame with different grouting defect combinations

表5 邊柱中柱均存在灌漿缺陷時的滯回分析結果Table5 Hysteresis analysis results of grouting defects in side columns and middle column

圖12 不同灌漿缺陷組合時的框架骨架曲線Fig.12 Frame skeleton curves of different grouting defects combinations

4 結論

1)提出了一種截斷鋼筋的辦法模擬灌漿缺陷導致的鋼筋連接失效，利用該方法對柱和框架模型試驗結果進行模擬，其滯回性能計算結果與試驗結果較吻合，表明該方法較有效。

2)混凝土柱的抗震性能受灌漿缺陷數量、缺陷分布位置的影響較大，尤其是當柱截面受拉或受壓一側的鋼筋均有缺陷時，柱的抗震性能下降會更多。

3)當柱鋼筋連接存在灌漿缺陷時，單層兩跨框架結構的抗震性能均會較無缺陷情況有所降低。與僅邊柱鋼筋連接存在缺陷的情形相比，考慮邊柱和中柱同時存在缺陷的框架結構抗震性能更差，其中，框架ZQX-4的耗能能力僅為完好框架的

62.9%。