超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete,UHPC)和再生混凝土(Recycled Aggregate Concrete,RAC),碳足迹低,属于“低碳混凝土”,合理的优化设计,可以实现工程固碳。在装配式混凝土结构领域,用预制工艺,将再生混凝土梁受拉侧或侧壁的部分RAC用UHPC替换,形成“绿色低碳”的UHPC-RAC组合截面,以提高承载力、延性和耐久性。本文创新设计了预制UHPC-RAC组合梁,通过四分点抗弯性能试验,研究了预制组合梁的受弯性能退化规律,并推导了受弯承载力计算公式。
在RAC梁中,用UHPC替换截面内受拉侧或侧壁的部分RAC后,考虑受拉UHPC厚度、UHPC-RAC结合面粗糙度和侧壁UHPC高度三个变量,采用预制工艺,制作了1根RAC梁和7根预制UHPC-RAC组合梁,采用200T微机控制电液伺服压力试验机,完成了预制UHPC-RAC组合梁的四分点抗弯性能试验。加载全过程中,通过钢筋应变片、混凝土应变片,分析了组合截面各部分材料的应力应变,采用电子位移计记录了跨中和梁端的竖向变形,并通过DIC技术追踪了试件表面裂缝的发生及延展规律。根据测试数据,研究了预制UHPC-RAC组合梁的破坏形态,承载力、变形、初始刚度和延性系数等抗弯性能的变化规律;通过合理假定,基于组合截面平衡条件,推导了预制UHPC-RAC组合梁的受弯承载力计算公式。
采用预制工艺,UHPC与RAC可以形成组合截面,改善了RAC梁的正截面受弯性能。与RAC梁相比,除纯弯区竖向弯曲裂缝外,预制UHPC-RAC组合梁受拉侧的UHPC与RAC结合面形成典型水平裂缝,但箍筋几何尺寸保持不变,随受拉UHPC厚度的增加,在UHPC与RAC粘结部位形成穿筋结合面,限制了开裂后受拉UHPC的剥离脱落;而增加结合面的粗糙度,能进一步阻滞水平裂缝的延展,初始刚度可提高16.6%。预制组合截面中受拉UHPC厚度和侧壁UHPC高度,可以显著提高RAC梁的特征点荷载值,其中开裂荷载和极限荷载,分别增加63.1%和22.9%;随受拉UHPC钢纤维拔出失效,极限荷载后,预制UHPC-RAC组合梁的荷载-位移曲线下降明显,待再生混凝土压溃后,仍有较高的残余强度。此外,组合截面的抗弯刚度、初始刚度均得到明显改善,而构件的延性系数变化较小。预制UHPC-RAC组合梁内钢筋、UHPC和RAC的应变沿截面高度线性变化,基本符合平截面假定;各部分材料共同受力,协同变形,尤其是受拉钢筋与UHPC粘结可靠,与内部钢纤维共同承担拉应力;基于试验研究及合理假定,依据材料的本构模型,将截面内拉、压区的应力分布等效分布后,按照截面内力平衡条件,推导了预制UHPC-RAC组合梁的受弯承载力计算公式,计算结果与试验值吻合较好。
在装配式混凝土结构领域,“绿色低碳”的UHPC与RAC能有效结合,组成的预制UHPC-RAC组合梁,具有良好的承载力和变形性能。本文揭示了预制UHPC-RAC组合梁的受弯破坏机理,分析了承载力、变形、初始刚度和延性系数等受弯性能参数,建立了预制UHPC-RAC组合梁的受弯承载力计算公式。基于此,进一步探索预制UHPC-RAC组合柱、预制UHPC-RAC组合节点的性能研究,为实现工程固碳提供新思路。
超高性能混凝土(UHPC)与再生混凝土(RAC)碳足迹低,属于“低碳混凝土”,同时RAC中再生粗骨料的CO2强化反应,可以实现工程固碳。因此,提出用预制工艺,将性能相似、优势互补的UHPC与RAC组合设计,形成性能良好的预制构件,以创新构型设计技术,实现装配式结构固碳。
本文以受拉UHPC厚度、UHPC-RAC结合面粗糙度和侧壁UHPC高度为参数,设计了预制UHPC-RAC组合梁,通过四分点抗弯性能试验,分析了预制组合梁的破坏机理、承载力与变形,提出了承载力计算公式。研究表明:UHPC与RAC可以有效组合,成型的组合截面内UHPC、RAC和钢筋协同工作,提高了开裂荷载、屈服荷载和极限荷载及相应的变形,初始刚度得到提高。其次,UHPC与RAC结合面产生的水平裂缝,降低了构件力学性能,但UHPC厚度增加,箍筋贯穿结合面,加之结合面矩形键槽,阻滞了裂缝发展和UHPC剥离,提高了组合截面的整体性。最后,组合截面内UHPC、RAC和钢筋的应变线性变化,符合平截面假定,建立了预制组合梁的受弯承载力理论计算公式,计算结果与试验值吻合较好。因此,适应预制工艺的UHPC与RAC组合构造技术,保证了预制UHPC-RAC组合梁的受力性能,建立的理论计算公式,可用于静力设计。
超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)和再生混凝土(Recycled aggregate concrete,RAC),碳足迹低,属于“低碳混凝土”。将再生混凝土梁受拉侧或侧壁的部分RAC用UHPC替换,形成“绿色低碳”UHPC-RAC组合截面,以提高力学性能。采用工厂预制工艺,制作了预制UHPC-RAC组合梁。通过四分点抗弯性能试验,分析了受拉UHPC厚度、UHPC-RAC结合面粗糙度和侧壁UHPC高度,对预制UHPC-RAC组合梁破坏机制、承载力、变形和初始刚度的影响规律,提出了承载力计算公式。研究表明:与RAC梁相比,预制UHPC-RAC组合梁随受拉UHPC厚度的增加,形成的UHPC-RAC穿筋结合面,限制了开裂后UHPC剥离脱落;增加界面粗糙度,阻滞了水平裂缝的延展,初始刚度可提高16.6%;随受拉UHPC钢纤维拔出,荷载-位移曲线下降明显,待再生混凝土压溃后,仍有较高的残余强度。预制UHPC-RAC组合梁的开裂荷载和极限荷载,分别增加63.1%和22.9%,截面抗弯刚度、初始刚度均得到明显改善。组合截面内钢筋、UHPC和RAC协同受力,应变沿截面高度线性变化,符合平截面假定;将截面应力等效分布后,推导了预制UHPC-RAC组合梁的受弯承载力计算公式,计算结果与试验值吻合较好。
对于再生混凝土(Recycled aggregate concrete, RAC)轴心受压构件,结合预制工艺,用物理力学性能出色的超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete, UHPC),替换RAC柱截面外轮廓一定厚度的RAC,形成受压UHPC-RAC组合截面,利用外部UHPC的约束作用,改善RAC受压构件的力学性能。本文创新设计了预制UHPC-RAC组合短柱,通过轴压试验,建立了预制UHPC-RAC组合短柱的受压承载力计算公式,并提出了外壁UHPC形成强约束作用的设计建议。
根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)中轴心受压构件的设计要求,以箍筋位置、UHPC壁厚和UHPC-RAC结合面粗糙度为参数,设计了7个预制UHPC-RAC组合短柱和1个对比分析的再生混凝土短柱,按照预制工艺分两阶段完成制作。采用位移控制的加载制度,通过500t微机控制电液伺服压力试验机施加轴压荷载。记录并分析了各试件的混凝土应变、钢筋应变、竖向位移及荷载的变化规律,揭示了预制UHPC-RAC组合柱的受压破坏形态、荷载-位移曲线、承载力、泊松比和损伤等受压性能参数,检验了规范推荐的轴心受压承载力计算公式的适用性,结合预制UHPC-RAC组合短柱的破坏机理和受力特点,采用叠加原理,建立了可准确计算强约束预制UHPC-RAC组合柱的受压承载力计算公式,并提出了预制UHPC-RAC组合短柱的构造设计建议。
预制UHPC-RAC组合短柱受压后,因组合截面构造设计的差异,外壁UHPC及箍筋对RAC芯柱形成的约束作用不同,使得破坏形态主要分为强约束的压溃失效和弱约束的UHPC劈裂破坏,其中强约束试件中UHPC内钢纤维的“桥接”作用,有效地控制了试件的开裂,保证了UHPC与箍筋形成的高效组合作用,共同承受组合截面内径向和环向的应力,对RAC芯柱提供了良好的被动约束,显著改善了RAC短柱的受压性能。预制UHPC-RAC组合短柱的受压荷载-位移曲线,分为组合截面未受损的线弹性增长阶段,受损后刚度逐渐减小的非线性弹塑性阶段和承载力明显减小且具有一定残余强度的下降破坏阶段。对于受压承载力,UHPC可以明显提高开裂荷载,其中配箍UHPC壁厚30mm时最大提升164.15%;箍筋位置和配箍UHPC壁厚的变化,使得极限承载力逐步增加,承载力提高系数最大为1.70和1.90,而界面粗糙度对极限承载力增幅的影响较小。此外,因UHPC内钢纤维的“桥接”作用,加之与箍筋的组合作用产生的约束效果,减小了预制UHPC-RAC组合柱的横向变形,泊松比变化范围为0.26-0.18,小于RAC短柱的0.35,;而损伤指标的变化,表明组合短柱轴向变形超过极限位移后,损伤量值呈现突增,之前的损伤指数均小于0.2。通过RAC、UHPC和钢筋的受压应变分析,UHPC与RAC界面粘结良好,各部分材料能协同变形,共同受压,组合截面整体性高,充分发挥了各自的力学性能,以UHPC外壁与箍筋组合作用形成的强约束作用消失,内部RAC轴压失效为最终的破坏形态,基于全截面受荷后的叠加原理,建立了强约束预制UHPC-RAC组合短柱的受压承载力计算公式,计算精度较高。为了提高UHPC的利用率,提出了组合截面的构造设计要求,即形成配箍UHPC,且壁厚不宜小于3倍的箍筋直径,且不大于40mm,UHPC与RAC结合面粗糙度不为0mm。
为了提高再生混凝土柱的受压承载力,基于预制工艺,将物理力学性能出色的超高性能混凝土与再生混凝土组合,形成了外壁UHPC约束RAC芯柱的组合截面,制作的预制UHPC-RAC组合短柱具有良好的受压性能。本文揭示了预制UHPC-RAC组合短柱的破坏形态、材料应变、荷载-位移曲线、承载力、泊松比和损伤指数等受压性能参数的变化规律,明确了提高高性能材料利用率和形成强约束的组合构造设计参数,基于叠加原理,建立了强约束预制UHPC-RAC组合柱的受压承载力计算公式,计算结果与试验值吻合较好。
结合预制工艺,应用具有出色物理力学性能的超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete, UHPC),创新结构构型技术,提升混凝土构件及结构的力学性能和耐久性,具有重要意义。因此,用UHPC替换再生混凝土(Recycled aggregate concrete, RAC)柱截面外轮廓一定厚度的RAC,形成UHPC-RAC组合截面,提出了预制UHPC-RAC组合柱。
本文以箍筋位置、UHPC壁厚和UHPC-RAC结合面粗糙度为参数,设计了预制UHPC-RAC组合短柱,通过轴压试验,分析了破坏形态、荷载-位移曲线和材料应变,揭示了轴压刚度、承载力、泊松比和损伤等性能参数的变化规律。研究表明:预制UHPC-RAC组合短柱外围的UHPC及箍筋对RAC芯柱提供了有效约束,改善了RAC短柱的破坏形态,因不同设计参数形成约束效果的差异,分为强约束的压溃破坏和弱约束的外壁UHPC劈裂破坏。其次,随着箍筋从RAC逐步进入UHPC形成配箍UHPC,以及配箍UHPC厚度的增加,外围UHPC与箍筋形成组合作用的约束效果逐渐增强,轴压刚度和承载力逐渐增大,其中承载力提高系数最大为1.97,泊松比和损伤系数逐渐减小;而UHPC-RAC结合面的粗糙度对轴压性能呈现有利影响,但差异较小。最后,基于组合截面材料的叠加原理,建立了强约束预制UHPC-RAC组合短柱的受压承载力计算公式,计算结果与试验值吻合较好;对配箍UHPC厚度和结合面粗糙度提出了设计建议,保证预制UHPC-RAC组合短柱具有强约束效果,以发挥UHPC的抗压强度,提升材料利用率。因此,在适宜的设计参数保证下,能显著提高预制UHPC-RAC组合短柱的轴压性能。
将优势互补的超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)和再生混凝土(Recycled aggregate concrete,RAC)组合设计为预制UHPC-RAC组合柱。以箍筋位置、UHPC壁厚和UHPC-RAC结合面粗糙度为参数,设计制作了7个预制UHPC-RAC组合短柱,通过轴压试验,分析了破坏形态、材料应变、荷载-位移曲线、承载力、泊松比和损伤等性能参数。结果表明:预制UHPC-RAC组合短柱改善了RAC短柱的破坏形态,因外围UHPC与箍筋形成组合作用对内部RAC约束效果的不同,分为强约束的剪切压溃破坏和弱约束的外壁UHPC劈裂破坏;配箍UHPC及其厚度的增加,增强了外围UHPC的约束作用,提高了预制UHPC-RAC组合短柱的轴压刚度和受压承载力,最大可提升93.3%和97.4%,降低了泊松比和损伤指数,其中泊松比的变化范围为0.26~0.18;UHPC-RAC结合面粗糙度对轴压性能呈现有利影响但差异较小。强约束效果保证了高性能材料力学性能的发挥,采用叠加原理,建立了可准确计算强约束预制UHPC-RAC组合柱的受压承载力计算公式,并提出了预制UHPC-RAC组合短柱的设计要求,提升材料的利用率。
结合聚丙烯(Polypropylene,PP)纤维灌浆料高强、阻裂和增韧的特点,在预制构件进行套筒灌浆连接时,可以充分填补构件单元间的接缝及套筒内的空腔,保证构件连接界面的剪力得到有效传递。本文通过对预制构件连接部位形成的混凝土(预制混凝土构件)-灌浆料-混凝土(混凝土楼板)(简称:CGC)连接节点开展低周往复荷载试验,对CGC连接节点的双界面抗剪性能劣化机制、破坏模式和抗震性能进行深入研究,建立了CGC连接节点双界面的抗剪承载力计算公式,可用于装配式混凝土结构连接节点的抗剪承载力设计计算,推动绿色低碳装配式混凝土结构的应用。
依据《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》(JGJ 355—2015)和《装配式混凝土建筑技术标准》(GB/T 51231—2016)相关设计要求,考虑键槽高度、界面配筋率、轴向压力和灌浆料饱满度对CGC连接节点双界面抗剪性能的影响规律,设计并制作了6个CGC连接节点,剪切平面大小为700mm×200mm,并在节点双界面设置了矩形键槽。试验通过200 t水平作动器施加低周往复荷载,1500 t液压千斤顶施加轴向压力,采用位移控制的加载制度,观察并记录了节点双界面裂缝的发展趋势、钢筋应变和荷载-位移曲线的变化规律,分析了低周往复荷载下CGC连接节点的破坏形态、抗剪承载力、刚度、耗能和延性等抗震性能参数,解析了节点双界面剪应力的组成。
试验现象和数据结果表明:①低周往复荷载下,CGC连接节点破坏形态以界面贯穿裂缝为主。轴向压力的增大,一方面使界面主应力的方向由平行于剪切面转变为向下部构件倾斜。另一方面增强了剪压应力状态下键槽的抗剪作用,阻滞了剪切平面因黏结破坏而直接水平贯通,因而节点最终破坏形态由仅呈现水平贯通裂缝,转变为水平贯通裂缝和“X”型剪切裂缝的耦合状态。②当套筒内灌浆料饱满度为30%时,受剪钢筋与灌浆料间黏结面积减少,在低周往复荷载下套筒内钢筋发生黏结滑移。③键槽高度由6mm增大至12mm和18mm,CGC连接节点的抗剪承载力分别提高了11%和43%,刚度分别提高了11%和14%,但延性降低了10%和21%;轴向压力增大220kN,抗剪承载力提高了3.69倍,但延性降低了16%;界面配筋率增大0.26%,节点抗剪承载力和延性分别提高了51%和6%;而套筒内灌浆料缺失70%导致受剪钢筋发生粘结滑移,使得抗剪承载力和刚度分别降低了29%和4%。④CGC连接节点达到峰值荷载前,界面相对滑移较小,节点抗剪承载力主要由界面黏聚力和键槽抗剪力组成;峰值荷载后,随着节点界面相对滑移的增大,界面黏聚力和键槽抗剪力失效,此后仅由受剪钢筋的销栓力和轴向压力产生的界面摩擦力组成。⑤根据CGC连接节点的破坏模式,明确了节点双界面抗剪承载力由界面黏聚力、键槽抗剪力、受剪钢筋产生的界面摩擦力、销栓力和轴向压力产生的界面摩擦力五部分组成,依据叠加原理建立了CGC连接节点双界面的抗剪承载力计算公式。
采用聚丙烯纤维灌浆料填补预制构件连接接缝以及灌浆套筒的空腔可以提高预制构件连接节点界面的抗剪性能。本文揭示了低周往复荷载下CGC连接节点的破坏模式、抗剪承载力、刚度、耗能和延性的变化规律,解析了节点双界面剪应力的组成,依据叠加原理建立了CGC连接节点双界面的抗剪承载力计算公式,计算结果与试验值吻合较好。
聚丙烯(Polypropylene,PP)纤维灌浆料作为一种高性能水泥基复合材料,具有高强、阻裂和增韧的特点,在预制构件进行钢筋套筒灌浆连接时,可以充分填补构件单元间的接缝及套筒内的空腔,提高界面的连接性能。在构件连接部位形成的混凝土(预制混凝土构件)-灌浆料-混凝土(混凝土楼板)(简称:CGC)连接节点,其双界面的抗剪性能是保证结构整体安全性的关键。因此,对地震作用下CGC连接节点的双界面抗剪性能劣化机制、破坏模式和抗震性能进行深入研究,有助于装配式混凝土结构的精细化数值分析,推动绿色低碳装配式混凝土结构的应用。
本文通过低周往复荷载试验,研究了键槽高度,界面配筋率、轴向压力和灌浆料饱满度对CGC连接节点的破坏模式、抗剪承载力、刚度、耗能和延性等参数的影响规律。结果表明:CGC连接节点破坏形态以界面水平贯穿裂缝为主,轴向压力的增加使键槽发展出斜向裂缝的同时,节点呈现“X”型剪切斜裂缝;增大键槽高度和轴向压力,能提高CGC连接节点的抗剪承载力、刚度和耗能,但降低了节点的延性;其中,键槽高度由6mm提升至12mm和18mm,节点抗剪承载力提升11%和43%,刚度提升11%和14%,但延性降低10%和21%;界面配筋率的增大改善了节点的抗震性能,而套筒内灌浆料的缺失使节点抗剪承载力和刚度均有下降;最后,根据CGC连接节点的破坏模式,解析了连接节点双界面剪应力的组成,基于叠加原理建立了CGC连接节点双界面的抗剪承载力计算公式,计算结果与试验值吻合较好,可用于装配式混凝土结构连接节点的抗剪承载力设计计算,促进工程应用。
聚丙烯(Polypropylene,PP)纤维灌浆料是一种高性能水泥基复合材料,具有高强、阻裂和增韧的特点,在预制构件进行钢筋套筒灌浆连接时,可以充分填补构件单元间的接缝及套筒内的空腔,提高界面的连接性能。在构件连接部位形成的混凝土-灌浆料-混凝土(CGC)连接节点的双界面的抗剪性能是保证结构整体安全性的关键。考虑键槽高度、界面配筋率、轴向压力和灌浆料饱满度,研究了低周往复荷载下CGC连接节点的破坏模式、抗剪承载力、刚度、耗能和延性的变化规律。结果表明:CGC连接节点破坏形态以界面水平贯穿裂缝为主,轴向压力的增加使键槽发展出斜向裂缝的同时,节点呈现“X”型剪切斜裂缝;增大键槽高度和轴向压力,能提高CGC连接节点的抗剪承载力、刚度和耗能,但降低了节点的延性;其中,键槽高度由6 mm提升至12 mm和18 mm,节点抗剪承载力提升11%和43%,刚度提升11%和14%,但延性降低10%和21%;界面配筋率的增大改善了节点的抗震性能,而套筒内灌浆料的缺失使节点抗剪承载力和刚度均有下降。根据CGC连接节点的破坏模式,解析了节点双界面剪应力的组成,基于叠加原理建立了CGC连接节点双界面的抗剪承载力计算公式,计算结果与试验值吻合较好。