纖維增強混凝土連接的裝配式混凝土結構節點性能綜述

安曉鵬，李清海，武 斌

(1.中國建筑材料科學研究總院有限公司，綠色建材國家重點實驗室，北京 100024； 2.中國建筑材料科學研究總院有限公司，中建材中巖科技有限公司，北京 100024)

0 引 言

裝配式混凝土結構在國內外有了廣泛的應用，已成為建筑工業化的重要組成部分，且裝配式建筑標準化程度高、施工速度快和環境影響小等優勢正在逐步凸顯。近年來，我國正在以裝配式建筑為基礎，不斷地推動建筑工業化的發展。2016年，我國頒布GB/T 51231—2016《裝配式混凝土建筑技術標準》[1]，對裝配式混凝土結構的設計和工程建造進行了規范和引導，裝配式混凝土建筑的安全性也受到越來越多的關注。對于裝配式混凝土建筑，構件之間的連接對結構整體性能的影響較大[2]，尤其是在地震荷載作用下，預制構件連接處失效和破壞是引起建筑物整體倒塌的重要原因[3-4]。為了提升裝配式混凝土結構連接節點性能，研究者提出了預應力鋼絞線壓花錨連接[5]、節點區附加型鋼[6]、設置彎起鋼筋和焊接錨固板等方法。這些方法雖然能夠增強裝配式建筑的整體性能，但往往造成連接區域鋼筋擁擠、箍筋難以安裝等問題[7]。普通混凝土作為使用量最大的建筑材料，有滿足建筑需求的抗壓強度，但也存在抗拉性能較差和耗能高的問題，而纖維增強混凝土則表現出較高韌性，且在土木工程中已有廣泛的應用。纖維增強混凝土在裝配式混凝土建筑中的研究和應用也越來越多，使用纖維增強混凝土連接預制混凝土構件可提高裝配式混凝土結構節點韌性，改變裝配式建筑破壞形式，增強結構承載力和抗震性能。

本文分別對普通纖維混凝土、超高延性纖維增強水泥基復合材料(ECC)和超高性能混凝土(UHPC)在連接的預制混凝土結構的承載力、開裂形式、破壞形式及剛度退化等性能的影響進行了總結，有利于推動纖維增強混凝土在裝配式建筑中進一步研究和應用。

1 裝配式混凝土結構節點連接研究進展

裝配式混凝土結構的性能與節點連接有直接的關系，尤其梁-柱連接在裝配式結構設計中至關重要，節點連接不僅與建筑物局部受力、傳力行為相關，也對建筑物整體性能有較大的影響。理想的節點連接應有效保證構件之間荷載傳遞和限制構件之間的相對位移，提升結構整體穩定性[8]。20世紀60年代，波特蘭水泥協會(PCA)對預制裝配式混凝土節點進行了試驗研究，該研究涵蓋了預制裝配式混凝土結構的連續性、預制混凝土柱頂端承載力、梁-梁和梁-柱連接等主題[9-10]。20世紀80年代，PCA針對多種常用的梁-柱連接形式，研究了各種連接形式的剛度、強度和韌性等關鍵參數[11]。此后，美國和日本聯合對裝配式混凝土結構抗震性能進行了研究[12]，并在實驗和理論研究的基礎上，提出了裝配式結構抗震設計推薦準則，同時，也在新材料應用、裝配式工程技術等方面做了一定的研究[13]。該研究中，美國的研究者主要通過節點韌性連接方式提高預制構件抗非彈性破壞能力，而日本研究者則側重于節點強連接。通常，梁-柱連接的設計應避免節點處發生破壞，尤其是在地震高風險區域，非線性破壞區域與柱之間的距離應至少達到構件深度的一半[14]。如新西蘭預制混凝土結構設計標準中，要求通過相應的承載力設計方法，以保證受彎屈服區域遠離節點區域。通過增強柱和節點的承載力，將受彎屈服控制在梁端塑性鉸區域，可有效提升結構的抗震能力[15]。研究者通過在梁柱鋼筋端部焊接錨固板或設置彎起鋼筋的形式，提高節點處鋼筋的抗拔能力，從而增強節點承載能力，使得梁塑性鉸向遠離柱和節點的方向移動[16-17]。但是，多數研究仍集中在加強配筋和增強鋼筋承載力的角度提升裝配式混凝土節點連接強度，增強混凝土結構的穩定性。隨著混凝土技術的發展，研究者提出了通過改變和提升后澆連接處混凝土本身性能，移動預制混凝土結構塑性鉸位置的方法，提高結構的承載能力。裝配式預制混凝土結構梁-柱節點連接處使用纖維混凝土澆筑，如超高韌性纖維增強水泥基復合材料(ECC)、高性能纖維增強水泥基復合材料(HPFRCC)、韌性纖維增強水泥基復合材料(DFRCC)、纖維增強混凝土(FRC)和超高性能混凝土(UHPC)等，可有效提高結構抗震性能。

2 普通纖維增強混凝土

在混凝土中加入如鋼纖維、玻璃纖維、有機纖維和碳纖維等可提升混凝土抗拉強度和韌性。根據其纖維種類和混凝土性能差異，纖維混凝土現已分為較多的類別，本節中只針對以普通鋼纖維混凝土為主的常規性能纖維增強混凝土。Soubra等[18]研究了鋼纖維混凝土后澆梁-柱節點連接的預制混凝土梁-柱構件的性能，結果表明，鋼纖維混凝土連接構件承載力明顯高于普通混凝土連接構件，且前者耗能是對照組10倍以上。研究者發現雖然鋼纖維混凝土后澆裝配式梁-柱構件在新舊混凝土界面處容易產生裂縫，但構件整體延性和耗能仍高于普通混凝土整體現澆構件[19]。Abdul等[20]對比了抗壓強度均為50 MPa的普通混凝土和鋼纖維混凝土后澆的裝配式梁-柱節點性能，發現鋼纖維混凝土后澆構件破壞后節點處裂縫明顯少于普通混凝土后澆構件；在新舊混凝土界面處，普通混凝土后澆構件裂縫寬度達到25 mm，而鋼纖維混凝土后澆構件直至整體破壞時才出現裂縫。圖1為普通混凝土和鋼纖維混凝土后澆裝配式混凝土梁柱節點破壞形式對比[21]，普通混凝土后澆節點處出現明顯的剪切破壞，而鋼纖維后澆節點只有少量裂縫，構件在梁端發生破壞，鋼纖維混凝土有效地保護了梁柱核心區，對提高裝配式結構抗震性能有較大正面效應。

圖1 裝配式混凝土梁柱節點破壞形式[21]Fig.1 Failure modes of precast concrete beam-column joint[21]

3 超高延性纖維增強水泥基復合材料(ECC)

超高延性纖維增強水泥基復合材料(ECC)是美國密歇根大學Victor Li及其團隊基于材料微觀性能和細觀力學原理設計的新型水泥基材料，該材料具有高拉伸應變-硬化能力，改變了傳統水泥基材料拉應力作用下單裂紋開裂的模式，具有極高的斷裂能，且達到極限荷載時，裂縫寬度低于100 μm。通常，ECC 的極限拉應變為3%～7%，抗拉強度約4～6 MPa，此外，ECC 具有較好的工作性能[22-23]。ECC優異的抗拉性能主要是通過摻入較高長細比的聚合物纖維實現的，常用的纖維有聚乙烯醇纖維(PVA)、聚乙烯纖維(PE)和聚丙烯纖維(PP)。國內外對ECC連接混凝土裝配式結構節點方面進行了研究，與普通混凝土相比，采用ECC澆筑混凝土裝配式結構節點能顯著提高結構整體的極限承載能力和極限位移[24-25]。同時，采用不同纖維配制的ECC均對混凝土裝配式結構節點有明顯的增強作用，相關研究表明，ECC-PE澆筑梁-柱節點可提高結構耗能能力[26]；ECC-PVA澆筑梁-柱節點能夠提高結構抗震性能，提升極限承載力、延性和剪切強度[25]；ECC-PP澆筑梁-柱節點能夠替代節點處部分鋼筋的彎起構造[27]。除ECC自身的良好韌性和多裂縫發展特性外，纖維的摻入降低了鋼筋拔出過程中混凝土基體的破壞程度，使得ECC與鋼筋之間的粘結性能優于普通混凝土[28-29]，這也會增強ECC澆筑的混凝土裝配式結構節點的承載能力。

3.1 裂縫和破壞形式

研究者對ECC澆筑的裝配式混凝土結構梁-柱節點的裂縫和破壞形式進行了實驗研究，梁柱框架在達到極限承載力后呈塑性破壞形式，主要破壞區域集中在梁端的塑性鉸位置，其破壞機制滿足“強節點弱構件”“強柱弱梁“的基本結構設計總則。Gou等[30]對比了普通混凝土整體現澆、普通混凝土后澆梁-柱節點和低收縮ECC后澆梁-柱節點在循環荷載作用下的性能差異，結果顯示，普通混凝土后澆梁-柱節點構件提前出現首條裂縫，且首條裂縫出現時荷載僅為整體現澆構件的1/2，但低收縮ECC后澆梁-柱節點構件首條裂縫出現時的荷載與整體現澆構件一致。此外，該研究還對比了不同鋼筋構造形式的ECC后澆節點性能，結果顯示，鋼筋構造形式對首條裂縫出現荷載的影響較小，這表明ECC后澆節點能保證與整體現澆結構一致的性能，無須額外增加配筋或改變端部鋼筋錨固形式。同時，ECC后澆節點構件的首條斜向剪切裂縫出現時荷載明顯高于普通混凝土后澆節點構件。Choi等[6]設計了一種通過在梁-柱節點處設置方型鋼加強并采用ECC后澆的預制混凝土梁-柱節點連接形式，與整體現澆混凝土梁-柱構件節點處產生斜向剪切裂縫不同，其裂縫主要集中在遠離梁-柱節點的塑性鉸區域，隨著荷載的增大，裂縫區域向節點處擴張，同時裂縫寬度明顯低于現澆構件；同時，Choi等還比較了ECC不同后澆長度對梁-柱的影響，結果表明，縮短后澆混凝土長度引起塑性鉸區域向梁-柱節點移動，但同等后澆長度情況下，梁端部設置彎起鋼筋會在一定程度上阻止塑性鉸區域向梁-柱節點移動。Lu等[24]研究發現，當位移角為1%時，后澆ECC與預制混凝土界面處出現可見裂縫，但隨著荷載的增加裂縫寬度未見明顯增大，作者認為該裂縫是由后澆ECC與預制混凝土彈性模量的差異引起，并不是界面連接失效引起。此外，ECC后澆構件表現為多裂縫開裂形式，且裂縫寬度明顯小于普通混凝土后澆構件[31]，產生裂縫后纖維的連接作用產生了積極的作用。圖2(a)、(b)分別為普通混凝土和ECC后澆試件最終破壞形式，在節點鋼筋布置一致的情況下，普通混凝土后澆構件為典型的梁-柱節點剪切破壞，而ECC后澆構件為梁端部開裂破壞，且未見明顯的混凝土壓碎的現象。

圖2 普通混凝土和ECC后澆裝配式混凝土梁柱節點破壞形式[30]Fig.2 Failure modes of precast concrete beam-column joint[30]

綜上所述，ECC后澆的預制混凝土構件在首條裂縫出現時荷載與現澆結構一致，優于普通混凝土后澆的梁-柱節點構件；ECC后澆的預制混凝土構件在荷載作用下，裂縫主要出現區域遠離梁-柱節點連接處，節點處以微裂縫為主；達到極限荷載時，ECC后澆構件為梁端塑性破壞，避免了節點處剪切破壞的不利狀況的發生。

3.2 承載力和滯回特性

滯回曲線是循環作用下的荷載-位移曲線，反映構件反復力作用下的變形特征、剛度退化和能量消耗等特征。采用ECC現澆節點連接的混凝土構件的滯回曲線較整體普通混凝土現澆構件，往往更飽滿，即同等抗壓強度時，ECC現澆節點構件具有較大的極限承載力和變形能力[32]。當梁-柱構件達到最大荷載后，采用ECC澆筑節點的構件承載力峰值退化速率低于普通混凝土構件[33]。與ECC取代普通混凝土澆筑梁-柱節點的現澆構件相比，預制混凝土結構使用ECC后澆節點也同樣對構件極限承載力和變形能力有正面效應。研究者對比了ECC節點的現澆梁-柱構件和ECC后澆節點的裝配式構件在循環荷載作用下的性能表現，結果顯示，當達到極限承載力后，隨著位移角的增大，現澆構件承載力沒有明顯的降低，而后澆ECC預制構件承載力略有降低，同時，不同的節點鋼筋布置形式對ECC后澆梁-柱構件在彈性階段和荷載峰值的影響較小[34]，此外，增大梁-柱節點處ECC澆筑區域對預制混凝土梁柱構件極限承載力的影響較小，但明顯增強構件的韌性和變形能力[6]。圖3為Xu等[31]通過對比試驗得到的不同澆筑形式、材料的梁-柱構件滯回曲線和骨架曲線，從圖中可知，ECC后澆節點能夠使裝配式梁-柱構件滯回曲線更飽滿、穩定，優于圖2(b)中普通混凝土后澆節點構件；但裝配式梁-柱構件反向承載力較現澆構件明顯降低，這與相關研究結果一致[34]，反向極限承載力下降約10%。由此可知，ECC后澆裝配式梁-柱體系整體承載力和變形能力能夠與現澆混凝土體系保持一致的性能，但反向荷載承載能力較現澆體系有所下降。

3.3 承載力/剛度退化

結構承載力和剛度的退化性能關系到建筑結構受較大荷載(如地震荷載等)作用后，是否仍能不發生倒塌，其對結構安全性能的影響較大[35]。結構設計相關標準規范中也對該性能做了具體的要求，如美國混凝土學會ACI T1.1-01中推薦，當位移角達到3.5%后，承載力應高于初始承載力的75%。實驗研究表明，ECC后澆節點的預制混凝土裝配式梁-柱構件均能達到上述要求，且該比例往往高于85%[6,31]，同時，ECC后澆構件承載力退化低于同樣構造的普通混凝土后澆構件。相同強度的ECC與普通混凝土相比，受同樣荷載作用后，ECC的殘余抗壓強度高于普通混凝土[36]，且在循環荷載的加載過程中，ECC后澆節點構件承載力退化速率明顯低于普通混凝土現構件[6]，此外，ECC基體與鋼筋之間較強的粘結力也對此有一定的影響[37]。由于ECC的彈性模量通常低于普通混凝土，則ECC后澆節點的裝配式梁-柱構件的初始剛度往往低于現澆混凝土以及普通裝配式構件，此外，ECC和預制混凝土界面粘結狀況是否對裝配式構件初始剛度有影響并不明確。然而，ECC的應變硬化特性使得ECC后澆構件剛度退化速率低于普通構件[6]，當構件位移角達到3%時，ECC后澆節點構件剛度高于普通裝配式構件和現澆混凝土構件。

因此，ECC后澆梁-柱節點可有效降低結構經受較強地震荷載作用時倒塌的風險，提高裝配式預制混凝土結構的抗震性能，但是，ECC材料組成、細觀性能與構件宏觀性能的關系及影響機理研究較少。

圖3 不同澆筑形式、材料的梁-柱構件滯回曲線和骨架曲線[31]Fig.3 Hysteretic and envelop curves for different cast type and materials[31]

4 超高性能混凝土(UHPC)

20世紀90年代，Richard 等[37]使用水泥、硅灰、石英砂粉、纖維和減水劑等原材料，在較低水灰比的狀況下，配制形成了活性粉末混凝土(RPC)，該混凝土有較高的抗壓強度。Larrard 等[38]在活性粉末混凝土的基礎上，采用最緊密堆積原則進行配比優化設計，并首先提出了超高性能混凝土(UHPC)的概念，但仍需對其進行高溫養護。由于受生產工藝和生產能耗等因素的限制，UHPC在當時并未實現較大規模的應用[39]。隨著相關研究的深入，使用常規原材料和標準養護條件下，已能夠實現超高性能混凝土抗壓強度高于120 MPa的要求，生產成本得到進一步降低[40-41]。目前，超高性能混凝土在橋梁工程[42]、道路工程[43]、建筑工程[44]和加固修復工程[45]等已經得到較廣泛地應用。超高性能混凝土(UHPC)抗壓強度通常為120～200 MPa，最高可達800 MPa，抗拉強度為6～10 MPa，彈性模量為40～70 GPa，其破壞形式與普通鋼纖維混凝土類似，但當達到荷載峰值時仍有較大的抗彎承載力，此外，UHPC的韌性遠大于普通混凝土[46]。

近年來，UHPC后澆連接預制混凝土結構的研究和應用主要集中在預制橋梁方面。Grace 等[47]通過實驗研究發現，UHPC后澆連接的預制混凝土T型梁破壞時，T型梁翼緣混凝土壓碎，而UHPC節點及界面未發現明顯的破壞，相關研究同樣表明，UHPC后澆連接的預制混凝土橋梁極限承載力取決于預制混凝土構件而非后澆節點[48]。同時，采用UHPC連接預制橋梁構件時，對連接處鋼筋搭接長度要求有所較低，Graybeal等[49]報道鋼筋搭接長度為150 mm時，UHPC連接的預制構件能夠滿足設計承載力要求，Arafa等[50]研究結果顯示，當鋼筋搭接長度為200 mm時，構件最終破壞部位為預制混凝土部分。Maya 等[51]研究了UHPC后澆連接的預制箱梁橋在不同鋼筋搭接長度(40/50倍鋼筋直徑)狀況下的性能，結果顯示，預制箱梁的破壞形式均為梁上表面混凝土壓碎，且跨中位移均高于整體預應力梁橋承載力計算值；同時，雖然UHPC后澆連接箱梁橋的初始抗彎剛度低于整體預應力梁橋，但前者抗彎剛度隨荷載增大的降低速率較低。UHPC后澆部分通常無可見裂縫，但新舊混凝土界面處及界面附近的預制混凝土部分往往為主要裂縫出現區域[42,52]，因此，為了更好地發揮UHPC后澆連接的優勢，宜通過結構優化設計加強應力向UHPC后澆區域傳遞。

除預制橋梁外，科研人員對UHPC連接預制框架結構方面也有一些研究。UHPC連接的預制混凝土抗彎性能與現澆混凝土梁相似，且明顯優于普通混凝土連接的預制梁。馮軍驍等[53]對比了受拉鋼筋搭接長度分別為10D、15D、20D、25D、30D和35D(D為受拉鋼筋直徑)時裝配式梁的受彎性能，結果顯示，受拉鋼筋搭接長度對裝配梁的極限承載力和裂縫開展形式的影響較小，且承載力均大于設計值的1.3倍；UHPC后澆段均未發現明顯裂縫，新舊混凝土界面開裂現象較為明顯。同時，受拉鋼筋搭接長度為10D時，承載力和變形能力已達到與現澆混凝土一致的水平，該搭接長度明顯低于ACI-318-11[54]、MC-2010[55]和EHE-08[56]中關于鋼筋搭接長度推薦值。由此可見，使用UHPC連接裝配式構件可大幅度降低鋼筋搭接長度，減少裝配式建筑中現澆混凝土量，提高裝配率。Maya等[57]對比了受拉鋼筋搭接長度分別為10D、15D和20D(D為受拉鋼筋直徑)時，UHPC連接裝配梁的破壞形式，結果顯示，當鋼筋搭接長度為10D，裝配梁為劈裂破壞；當鋼筋搭接長度為15D時，裝配梁為復合破壞，即側面劈裂破壞前受拉鋼筋基本屈服；當鋼筋搭接長度為20D時，裝配梁為延性破壞，梁上表面混凝土壓碎。因此，受拉鋼筋搭接長度較短時，雖然能夠保證裝配梁的承載力，但是適當延長鋼筋搭接長度對結構抗震性能有正面影響，同時，該研究中最大搭接長度20D仍遠低于相關規范中的推薦值。圖4為裝配梁UHPC后澆段及其附近在受拉面的混凝土形變分布[57]，可以看出，UHPC后澆段形變較小且大小基本一致，而新舊混凝土界面處形變最大，因此，與預制混凝土梁橋一致[42,52]，提升新舊混凝土界面粘結力和加強應力向UHPC后澆區域傳遞為UHPC后澆裝配式建筑中應關注的重點。

圖4 裝配梁受拉面混凝土形變[57]Fig.4 Deformations at the tensile chord of precast concrete beam[57]

UHPC后澆連接預制混凝土梁柱方面的研究相對較少，據文獻報道，當后澆段設在梁端，而梁柱節點為預制混凝土時，承載力與現澆結構表現一致，但破壞形式為梁柱節點區域剪切破壞[58]；當后澆段為梁柱節點時，當達到極限承載力時，梁端出現塑性鉸，后澆UHPC梁柱節點即新舊混凝土界面未發生明顯破壞[59]。

綜上所述，UHPC連接的預制混凝土裝配式結構，可達到與現澆混凝土結構一致的承載力，且可較大程度降低受拉鋼筋搭接長度要求，但適當延長鋼筋搭接長度和后澆段長度，可有效提升裝配梁的跨中極限位移，優化破壞形式；對于裝配式框架結構，后澆段宜設在梁柱節點處，有利于提升結構抗震性能；新舊混凝土界面及界面附近預制混凝土區域是構件破壞時裂縫集中區域，提升UHPC與普通混凝土粘結力可有效提升結構整體受力性能。

5 結 論

(1)普通纖維增強混凝土連接的梁柱構件整體承載力、延性和耗能優于普通混凝土連接的構件，達到極限荷載時，梁端形成塑性鉸，梁柱核心區只有少量裂縫。

(2)ECC連接的裝配式混凝土結構極限承載力與現澆構件一致或優于現澆構件。首條裂縫出現在新舊混凝土界面，但界面裂縫往往并不是主裂縫，構件呈多裂縫破壞模式；ECC連接的裝配式結構初始剛度低于普通混凝土現澆結構，但剛度退化率較低；ECC后澆連接節點可避免預制混凝土結構梁柱節點剪切破壞。

(3)UHPC連接的裝配式結構發生破壞時，UHPC部分幾乎無明顯裂縫產生，主要破壞區域為新舊混凝土界面及界面附近預制混凝土部分；使用UHPC后澆連接預制混凝土構件，可較大程度縮短連接處鋼筋搭接長度和后澆段長度。