灌漿套筒連接混凝土柱腳節點抗震性能研究

楊永超

（山東天健信達工程咨詢有限公司，山東 臨沂 276000）

0 引言

利用混凝土-FDP（高性能纖維聚合材料）摻雜技術提高混凝土強度的研究思路目前已在路橋領域得到了廣泛應用，取得了良好成效。李秋林等[1]深入研究了高層鋼結構建筑抗震性能的關鍵影響因素，對破壞性構件模擬實驗原則進行了優化補充，構建了系統分析表征參數體系。胡方鑫等[2]采用可更換屈曲約束耗能板優化結構研究了鋼框架柱腳節點的抗震特性，發現在相同沖擊能量的前提下，耗能板結構可在低承載能力條件下表現出更優良的結構穩定性。李成玉等[3]采用損傷分析的方式，分析了滑移摩擦柱腳震中的損傷產生過程和損傷程度，證明不同的節點連接方式顯著影響結構的抗震性能。綜合以上研究結果可合理推測利用FRP-混凝土加固材料可有效減少地震對預制混凝土柱的損傷，本文在以往研究的基礎上進行材料模擬實驗，綜合考慮連接節點對結構抗震性能的影響，利用正交實驗法進行性能和抗震損傷分析。

1 FRP-混凝土材料柱腳連接節點抗震性能實驗

1.1 材料性能正交實驗參數設計

由于FRP-混凝土摻雜材料并未改變灌漿套筒連接施工方式，因此利用原有的施工設備和標準進行施工，與傳統材料相比，摻雜材料具有高強度、高延展性的特點，在當前的裝配建筑施工環境下有良好的應用價值。相關研究表明，FRP-混凝土構件本身具有良好的抗震性能，本實驗在此基礎上進一步將節點連接層次納入抗震性能評價范疇。灌漿套筒連接會形成外包式柱腳，實驗以現有的外包式規范柱腳形式為基準模型，測試埋深、軸壓比和套管厚度對建筑結構抗震性能的影響[4]。

實驗采用正交實驗設計模式，通過改變軸壓比和套管厚度、埋深、箍筋設置與栓釘數目五個基本參數，基本構型為5 因素3 水平，構建出16 組不同的實驗設計方案，每個構件實驗組具體參數設置數據如表1 所示。

表1 構件正交設計參數詳情表

其中加強箍筋0 水平表示不加設加強箍筋，1 水平表示加裝箍筋，埋深以套管內直徑D 為基準，D 取300mm。套管主要采用水泥Q345 鋼材，FRP 性能材料由建筑市場購置得到，材料為微米級，摻雜比例選定與流程均按照摻雜混凝土標準操作手冊進行，對于形成的標準大小水泥塊進行壓力測試，抗壓能力為78.12MPa±8.43MPa。

1.2 材料性能實驗構件模擬設計

模擬構件采用天津廣德材料集團的FRP 微米級復合纖維材料，灌注混凝土材料采用C25 標準，鋼管采用Q345 鋼材，每組方案設置8 個柱腳節點試件進行平行實驗，利用SPSS 數據分析軟件分析數據，置信區間為95%，去掉異常值后計算平均值。構件在設定的變量參數條件下進行荷載實驗。實驗中柱體設計為1 500mm，加裝25mm 作漿料，柱體箍筋采用標準鋼材，鋼筋套筒采用傳統連接模式，套筒上注漿口與出漿口間距設置為117mm[5]。

試驗模擬現場的施工工序進行加工，均采用傳統的混凝土套筒施工方式，構件分為預制構件和現澆構件。其中柱體和地梁在實驗前按照圖紙進行加工預制，所有實驗采用的主體均為同批次加工產物，灌漿套筒為加工成品，利用滾軋直螺紋的方式與柱內鋼筋進行連接，套筒采用預埋法，外露鋼筋，根據分組不同分別注入水泥基和FRP-水泥基復合材料，制成對照組和實驗組的基礎構件。構件制作完成以后，檢查各類監測點的埋點是否準確，安裝好灌漿管。為保證構件的代表性，制作的預制構件需要定期進行灑水養護，避免部分構件因為保存和運輸而出現結構性損傷。

2 FRP-混凝土套筒灌漿連接試件破壞模擬分析

2.1 構件破壞實驗模擬方法設計

實驗采用示數型壓力設備進行軸向施壓，通過反力架控制加壓方向，加載力與柱體軸線的夾角需要控制在6.5°以內。狀態穩定后，利用滾軸改變壓力加載方向。方向的互動改變需要嚴格利用儀表進行檢測控制，地梁全程不應出現軸向轉動的情況，避免影響實驗結果。實驗過程中利用MTS 控制系統實現水平低周往復荷載變化。軸向施壓起始壓力值設定為10kN，然后改變荷載方向，再重新回到原受力方向后改變荷載力，本次實驗荷載增量為10kN/次[6]，循環直至數字式的裂縫寬度檢測儀采集到水平值以上數值為止，觀察此時構件裂紋的發展情況。

2.2 構件破壞實驗結果對比

對照組與實驗組在同一方案中軸壓比、套管厚度、埋深D、加強箍筋、栓釘數目等條件均保持一致，僅改變灌漿混凝土的基準性質，對照組采用FRP-混凝土材料，混合質量比根據相關手冊選定，對照組采用一般混凝土。

通過總結實驗現象發現，在軸向加壓階段對照組和實驗組構件均無明顯的損壞現象，柱體與基礎完好。當壓力為102.41kN 時第12 方案對照組套管與基礎界面的連接處出現細小裂縫，此時裂縫寬度計出現示數波動，其他組均無明顯的示數反應。當壓力荷載為130.83kN 時，多數對照組基礎頂面出現裂縫，出現水平位移。隨著荷載不斷變化，裂縫開始快速發展延伸。以第4 方案對照組為例，此時構件出現弧形裂縫，位移達到54.12mm，裂縫距離基礎表面約為320mm。隨著荷載增大，裂縫不斷發育，構件出現混凝土脫開現象。而實驗組在荷載為4kN 時，出現裂縫示數的為第12 方案、第7 方案和第14 方案。以14 方案為例，其柱腳處出現裂縫，裂縫寬度檢測儀出現示數，構件出現側向位移。實驗統計了在135kN 荷載條件下，出現裂紋的構件的最大裂縫寬度對比如圖1 所示。

圖1 實驗組與對照組最大裂縫寬度對比圖

其中對照組最大裂縫寬度平均值為8.97mm，分布標準差為4.01，實驗組最大裂縫寬度平均值為4.52，分布標準差為2.71。示數結果顯示，實驗組構件破壞情況優于實驗組，裂縫寬度受軸壓比、套管厚度、埋深D 等因素影響趨勢與對照組相似，說明應用FRP-混凝土一定程度上緩解了構件在地震破壞環境下混凝土開裂情況。

為驗證數據的充足性和有效性，記對照組為F1，實驗組為F2，根據實驗結果，F1 組平均值μ1=8.97，δ1=4.01，F2 組平均值μ2=4.52，δ2=2.71。利用SPSS 對兩組數據進行獨立樣本T 檢驗[7]，結果如表2 所示。

表2 最大裂縫獨立因子T 檢驗分析結果表

結果顯示，二組之間萊文方差等同性檢驗顯著性P=0.052＞0.05，二組之間方差不齊，以不假定方差計算結果為準。均值對比結果顯示，二者之間雙尾顯著性p=0.03＜0.05，說明間FRP-混凝土材料數據與普通混凝土數據在0.05 顯著性水平存在顯著性差異，效果改進具有統計學意義。利用PASS 對測試數據量進行檢驗，設定數據把握度為90%，根據統計的方差不等的計算結果，利用PASS 進行不等標準差T 檢驗樣本量模擬計算，結果如圖2 所示。

圖2 PASS 樣本量分析詳情圖

證明實驗組與對照組之間存在顯著性差異，需要的有效樣本數量為28 個，考慮20%的檢測異常概率，需要的檢測樣本數量為36。試驗中每組方案進行了8 組平行試驗，試驗對7 組方案進行了裂縫統計，有效數據為112個，遠高于所需的樣本數，因此統計數據充足，數據分析結果有效。

3 FRP-混凝土套筒灌漿連接抗震性能參數分析

3.1 強度退化分析

結構破壞性試驗利用低周往復荷載檢驗結構抗震性能，為定向分析不同的因素對構件穩定性的破壞，對各方案在實驗過程中的強度退化程度進行了定量計算。研究采用第二次循環前后的峰值的比值作為評價參數，稱為二級強度退化參數。實驗組不同方案的二級退化參數記錄如表3 所示。

表3 不同方案強度二級退化參數表

實驗結果表明，對于采用了混合材料的實驗組，二級退化參數值處于78%～92%之間，退化程度不強。但是采用了加固措施的方案其二級退化參數明顯高于未采用加固措施的構件，比如方案12，其二級退化參數為74.47%。而采用了加固措施并增加埋深的方案6，其二級退化參數89.60%，相較于方案6 提升了15.13%。二級退化參數數值越大，當退化參數低于60%說明結構強度發生了明顯退化，結構整體已經發生了不穩定變化，已經逼近界限范圍。利用SPSS 進行正交方差分析，認為對于二級退化參數存在顯著性影響的參數是埋深、是否加強箍筋和軸壓比。采用了FRP-混凝土材料進行套筒灌漿連接的試件在選擇450mm 埋深并加裝箍筋和栓釘后，抗損傷性能良好，在地震過程中柱腳節點的承載力退化得到了有效優化。

3.2 節點剛度退化

為驗證不同方案之間的節點剛度退化區別，同時檢測記錄不同的構件在混凝土開裂和鋼筋扭曲情況，利用割線剛度對不同周期的構件剛度進行表征，計算荷載周期滯回環割線剛度曲線峰值位移和矢量荷載變化絕對值之間比值作為剛度表征參數。為定量比較不同試件的剛度退化情況，對計算出的表征參數進行了標準化和統一化處理，因此采用一個測試周期前后的剛度表征參數的比值作為退化參數，實驗同樣選用第二荷載周期，退化參數記為二級剛度退化參數[8]，具體數值如表4 所示。

表4 不同方案剛度二級退化參數表

荷載破壞實驗初期，試件的剛度承載力達到峰值，開始逐步進入剛度下降趨勢，利用SPSS 進行曲線的曲率分析，發現第二周期內剛度變化進入典型變化區。二級退化參數值處于75%～83%之間，部分設計合理的方案的剛度曲線下降區域平緩且有明顯的曲線平滑區，如方案8，平均剛度退化參數為81.66%。這表明在合理的鋼管厚度的條件下，采用FRP-混凝土材料進行套筒灌漿連接形成的柱腳節點有良好的延伸性，剛度退化延緩，抗震性能得到了提升。同時說明加裝箍筋和栓釘能在第二周期提升結構的穩定性，減緩地震初期結構的剛度退化。

4 結論

（1）研究采用模擬實驗法進行了FRP-混凝土材料柱腳連接節點抗震性能測試，采用統計學手段以軸壓比、套管厚度、埋深D、加強箍筋、栓釘數目作為水平因子構建了16 組不同條件正交實驗，證明在不同的施工條件下FRP-混凝土材料與普通混凝土材料的應用效果存在顯著差異。結構破壞性實驗結果顯示，新材料在構件在地震破壞環境下混凝土開裂情況得到了改善。樣本量分析結果顯示，實驗有效數據量遠大于所需樣本量，數據信息合理有效。

（2）利用正交方差分析確定了對于結構強度和結構剛性影響較大的關鍵因子。結果表明，采用FRP-混凝土材料進行套筒灌漿連接形成的柱腳節點有良好的結構剛性和延展力，采用450mm 埋深并加裝箍筋和栓釘可以有效緩解地震初期結構強度和剛度退化的情況，提升構件抗震性能。