100%搭接连接“钢筋焊接网叠合柱”力学性能试验研究
简 介
团队针对三一筑工科技股份有限公司研发的钢筋焊接网叠合混凝土结构（简称SPCS叠合结构），通过优化构造措施、简化连接方法，进一步提升SPCS叠合结构的工业化水平。本篇针对100%搭接连接SPCS叠合柱开展试验研究，包括钢筋搭接力学性能试验研究和100%搭接SPCS叠合柱的抗震性能试验研究。
1. 前 言
装配式结构的最大特点即将预制构件通过现场连接形成整体结构。构件的连接可靠性是整体结构可靠重要基础。目前我国装配式混凝土结构中采取装配整体式的连接方式，其中，钢筋的连接主要技术包括钢筋套筒灌浆连接、钢筋浆锚搭接连接和传统的钢筋绑扎搭接连接。
SPCS叠合框架结构体系中，为保障叠合柱的可靠性和结构整体性，叠合柱中纵向钢筋的连接采取了通过钢筋连接器进行连接的方式，这种连接方式的优点是连接可靠，钢筋传力直接。但在研究与工程应用中，也显现了不足之处，即对纵筋的定位要求精确度高、现场施工较繁琐、成本较高等。
基于此，团队提出了叠合柱纵筋采用100%搭接连接的方式，钢筋搭接连接的优点是经济性好，生产、施工效率高，易于检查与验收。
100%搭接SPCS叠合柱采用焊接箍筋网片并绑扎纵向钢筋，置于预制模壳中，纵筋不外露（图1），空腔内放置连接钢筋，施工现场后浇混凝土，形成叠合柱上、下节段的连接（图2）。100%搭接SPCS叠合柱的构造，需要解决的主要问题包括：
100%搭接SPCS叠合柱中形成搭接连接的两根钢筋位于不同的混凝土层，且柱内纵筋直径较大，能否形成良好的搭接效果；
纵筋采用截面100%搭接连接，其抗震性能是否与现浇柱存在区别。
图1 SPCS叠合柱
图2 100%搭接SPCS叠合柱连接示意
为验证100%搭接SPCS叠合柱的抗震能力，开展了SPCS叠合柱钢筋搭接传力性能试验和100%搭接SPCS叠合柱的抗震性能试验。
2.SPCS叠合柱钢筋搭接传力性能试验
通过对SPCS叠合柱内纵筋开展搭接传力研究，揭示SPCS柱钢筋搭接传力性能与现浇柱钢筋搭接传力性能的异同，验证该连接构造的可行性与可靠性。
2.1 试件设计
试件设计以接近SPCS叠合柱内的真实构造与受力状态为原则，选取原型柱截面的一段，通过设置拉钩、C形箍筋分别模拟箍筋对柱纵筋混凝土的约束状态。同时设计全现浇钢筋搭接试件以及全现浇通长钢筋试件作为对照组。
主要的研究参数包括搭接长度、混凝土强度、钢筋直径、钢筋净距以及配箍率，试件设计参数列于表1中，每组3个试件。共设计制作19组（57个）试件（图3）。
试件混凝土设计强度等级C60、C40，钢筋牌号HRB400。
图3 试件设计
表1 试件参数表
试验时，试件锚固于地梁，在试件顶部通过穿心千斤顶施加单向荷载（图4）。
图4 加载装置
2.2 试验现象
试验过程见动画：
（1）轴压试件试验现象
试验加载过程中，典型试件的破坏模态（图5）为：荷载达到100kN~200kN时，顶面可见混凝土劈裂裂缝；荷载达到250kN~300kN时，搭接区顶部箍筋位置水平开裂，并随荷载增大发展成为水平主裂缝，并在上、下两道箍筋内产生斜裂缝，当箍筋加密，斜裂缝减少，转为水平裂缝；当荷载达到峰值荷载的50%后，部分试件底部可见沿结合面发展的竖向裂缝；当荷载达到峰值荷载的70%后，部分试件底部可见混凝土劈裂裂缝。除SC1、SN1组外的试件破坏模式为钢筋拉断破坏；SC1、SN1组试件发生钢筋滑移破坏，滑移破坏原因为其搭接长度最短（0.6la）。典型试验现象见图6。
图5 典型试件破坏模态
（a）水平主裂缝及两侧斜裂缝
b）水平主裂缝及两侧水平裂缝（箍筋加密试件）
（c）混凝土结合面开裂
（d）受拉钢筋处混凝土劈裂
图6 典型试验现象
2.3 试验结果
典型试件的荷载-位移曲线如（图7）所示，破坏形态汇总于表2。发生钢筋拉断的试件，在达到屈服荷载后，曲线出现明显转折，位移迅速增长而荷载提高缓慢，直至钢筋拉断，承载力完全丧失；而发生钢筋滑移破坏的试件，滑移前曲线趋势一致，且能够发生屈服，在达到或接近峰值后发生滑移，曲线出现明显转折，承载力骤降。
图7 典型试件荷载-位移曲线
表2 试件破坏形态
钢筋自由端滑移量测的变化曲线如图8所示。所有试件在屈服时刻滑移量均小于0.5mm；除发生滑移破的试件外，其余试件的最大滑移量均小于2mm，滑移量非常小。
图8 荷载-滑移曲线
各组试件在屈服时刻钢筋沿荷载方向的典型应变分布如图9所示。由预制筋及后插筋的应变分布可知，在试件达到屈服时，在搭接段内的钢筋基本均处于弹性状态，通过钢筋周围的混凝土，二者可实现有效的应力传递。
图9 屈服时搭接钢筋应变分布
3. 100%搭接SPCS叠合柱抗震试验
通过对100%搭接SPCS叠合柱开展抗震试验，验证100%钢筋搭接SPCS柱的抗弯承载力、延性、耗能能力等抗震性能。
3.1 试验试件设计
共设计制作16个试件，叠合柱与地梁连接节点均采用100%钢筋搭接。叠合柱截面尺寸为500mm×500mm；试件参数包括混凝土强度、剪跨比、纵筋配筋率、搭接区箍筋配筋率、轴压比、搭接钢筋面积比和搭接长度，试件设计示意见图10。试件编号及主要研究参数列于表3中。
图10 100%搭接SPCS柱
表3 试件参数
本次试验为拟静力试验，在柱顶施加恒定竖向荷载后，在柱侧施加往复循环水平荷载，加载装置见图11。
图11 加载装置示意
3.2 试验现象
试验过程见动画，典型试件的破坏状态见图12，典型的试验现象见图13。
所有试件试验现象大致相同。
多数试件在层间位移角1/400~1/190出现初始裂缝，开裂位移角大于1/550，满足框架结构小震下弹性位移角限值要求；两侧受拉时逐渐出现水平裂缝，并逐渐转为斜裂缝，斜裂缝逐步发展形成交叉。受拉侧钢筋逐步屈服、受压侧混凝土压溃，受压区混凝土高度逐渐减小最后导致试件破坏，为典型的弯曲破坏。与现浇柱的弯曲破坏特征一致。
试验过程中没有发生搭接钢筋滑移、模壳与芯部混凝土脱离、焊接箍筋破坏特情况，没有发生水平接缝滑移。屈服前符合平截面假定。
图12 破坏模态
（a）底部混凝土剥落、压溃
（b）底部混凝土剥落、箍筋外露
图13 典型试验现象
3.3 试验结果
典型试件的滞回曲线、刚度退化曲线、柱底转角分布（塑性铰）分别见图14~图16所示。各试件滞回曲线、刚度退化特征基本一致，滞回曲线随着试件参数变化的规律与现浇柱的理论总体一致，没有出现因为构造导致的独特现象。柱底转角分布情况表征了柱底的塑性变形情况，即塑性铰机制，屈服及屈服前曲率沿柱高基本线性分布，屈服后在试件底部一定范围内曲率明显增大，表明柱底形成了塑性铰区。对比现浇试件，叠合柱底的曲率分布情况无明显差异。
图14 典型试件滞回曲线
图15 典型试件刚度退化曲线
图16 典型试件各阶段柱底转角分布
各试件柱底截面在加载各阶段钢筋应变沿截面高度分布如图17所示，试件在屈服之前都基本满足平截面假定，当荷载达到峰值时大部分试件不再满足平截面假定。
图17 试件底截面钢筋应变分布
基于现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010，按弯矩控制的水平承载力计算叠合柱的承载力，并与试验值对，汇总于表4中，表中同时列出了叠合柱的延性系数。
计算时，结合试件构造，截面有效高度h0取用后插钢筋的实际位置进行计算，与试验值对比，除个别试件偏差基本在30%以内。由于受到截面有效高度的影响较大，承载力较之相同参数的现浇柱有一定程度的降低。
试件的延性系数较高，在4~9之间，与现浇柱的延性相同，表现出较好的延性。
表4 水平承载力试验值与计算值对比
4. 结 论
（1）设计搭接长度不小于1.0la的搭接连接可有效传力，新旧混凝土界面的存在、搭接钢筋净距（1.0d以内）均对搭接的破坏模式、承载能力无明显影响；
（2）100%搭接叠合柱试件均发生典型的弯曲破坏，与现浇柱破坏模式、破坏特征一致，变形能力和延性均较好；承载力、耗能能力受后插纵筋位置的影响较之现浇柱略低，延性系数、初始刚度与现浇柱基本一致；叠合柱的搭接连接没有发生破坏，搭接传力可靠、有效；
（3）轴压比、配筋率、剪跨比、混凝土强度等参数变化的情况下，100%搭接叠合柱力学性能变化规律符合现浇柱的相应规律；轴压比为0.6时，100%搭接叠合柱变形能力受到明显不利影响；
（4）100%搭接叠合柱在滞回荷载作用下，没有发生模壳与后浇芯部混凝土脱离的情况，始终保持整体受力；
（5）100%搭接叠合柱满足“小震不坏”、“大震不倒”的抗震设计要求；
（6）100%搭接叠合柱在柱根部节点压溃区形成塑性铰，与现浇柱一致；
（7）100%搭接叠合柱在屈服前符合平截面假定；
（8）100%搭接叠合柱承载力试验值与计算值比值在1.0~1.5之间。可采用现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010的理论与方法计算其承载力。设计中需要考虑施工偏差对钢筋位置的影响。
特 别 致 谢
感谢清华大学聂建国院士在试验方案论证会上提出的意见与建议；
感谢三一筑工科技股份有限公司提供技术及资金，支持建筑工业化技术的发展。
本 篇 作 者
田春雨，工学博士，研究员，一级注册结构工程师。中国工程建设标准化协会建筑产业化分会副秘书长，中国混凝土与水泥制品协会预制混凝土构件分会副理事长，中国建筑学会建筑结构分会理事，中国建筑学会建筑产业现代化发展委员会理事等。北京市装配式建筑专家组结构组、管理组成员，海南、深圳等地装配式建筑专家组成员。
主要从事高层建筑、装配式结构、组合结构等方向的科研、设计咨询工作。作为主要执笔人参加了国家现行标准《装配式混凝土结构技术规程》、《混凝土试验方法标准》、《钢管混凝土结构设计规范》、《装配式混凝土建筑技术标准》等的编写工作以及相关的研究工作，为国标《装配式建筑评价标准》、《钢结构设计标准》等的审查人，负责多个大型复杂项目及装配式建筑项目的结构设计及顾问工作。主持十二五国家科技支撑计划课题一项，子课题两项，十三五国家重点研发计划课题一项，建设部课题一项，同时参加其他科技支撑计划课题、973项目、建设部课题、北京市课题等多项，并获得国家科技进步奖二等奖1项，华夏建设科学技术一等奖3项、二等奖1项，三等奖1项等。
李 然，工学博士，副研究员，2011年毕业于哈尔滨工业大学。
主要从事装配式混凝土结构的研究工作。负责并参与多项装配式混凝土结构的研发工作，作为骨干研究人员参与“十二五”国家科技支撑计划课题《装配式建筑混凝土框架结构关键技术研究》2011BAJ10B02、《安装施工关键技术研究与规模化应用示范》2011BAJ10B06、《适应岛礁作业的模块化构件的预制与装配技术研究与应用》2014BAB15B03、“十三五”国家重点研发计划课题《装配式混凝土结构关键配套产品开发》2016YFC0701907，以及多项住建部课题、中国建筑科学研究院课题的研发工作。参与国家标准《装配式建筑评价标准》GB/T 51129-2017、行业标准《预制混凝土外挂墙板应用技术标准》JGJ/T458-2018以及多项团体标准的编撰。
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