与现浇整体式混凝土 (cast-in-situ monolithic reinforced concrete, CRC) 结构相比, 预制装配式混凝土 (prefabricated reinforced concrete, PRC) 结构具有预制件质量易保证、现场作业量少、占用场地小、粉尘及噪声污染小、工期短、人工成本低等优点, 可取得良好的经济、社会和环境效益, 使得PRC结构近年来在国内建筑工程领域成为研究及应用热点。国外在PRC结构研究中取得了大量成果, 颁布了相应设计、施工标准, 并应用于多、高层建筑中, 经受住了强震考验, 可见通过合理设计、施工的PRC结构具有良好工作性能和抗震性能。受工厂预制模具规模、现场吊装设备吨位和拼装难度限制, 预制件尺寸不能过大, 因此PRC结构必然存在较多数量的拼装接缝。拼装接缝是PRC结构的薄弱环节, 其受力性能对结构整体变形、承载力等静力性能和延性、耗能能力等抗震性能有极大影响, 所以接缝受力性能是PRC结构整体性能优劣的关键。

预制件接缝按填缝材料分为混凝土湿接缝、不灌缝干接缝和胶接缝3类。按接缝构造分为: (1) U形钢筋环搭接+横向锁定插筋的湿接缝 (简称U形钢筋节点) ^{[1,2,3,4,5,6]}; (2) 扩头型横向钢筋搭接+纵向分布筋的桥面板湿接缝^[7,8]; (3) 凸凹榫键齿接头+预应力施加压力的桥梁主梁干接缝或胶接缝^[9,10]; (4) 纵筋焊接于钢板或钢棒连接件的干或湿接缝; (5) 横向螺栓+带螺孔钢板连接件的干接缝^[11]; (6) 纵筋+套筒+灌浆的湿接缝等。以上接缝类型中, U形钢筋节点构造具有加工简便、传力明确的特点, 国内外对单层U形钢筋节点拉、弯、剪受力性能进行了一定研究^{[1,2,3,4,5,6]}, 但对双层U形钢筋环和其他类型接缝受力性能研究较少。钢筋构造对接缝承载力、破坏模式等均有较大影响^[12], 故本文设计3种PRC板湿接缝的新型钢筋构造, 通过ANSYS软件对其受弯性能进行数值仿真分析, 并与试验数据相互验证, 探寻较为合理的钢筋构造。

单块PRC板尺寸为500mm×300mm×150mm (长×宽×厚) , 湿接缝宽300mm, 在干湿混凝土结合界面处设50mm槽口, 以增加后浇灌缝混凝土与PRC板混凝土的结合力和接缝抗剪承载力, 3种钢筋构造如图1所示, 分别记为A, B, C型。接缝钢筋均采用U形纵向钢筋自锁连接方式, 即板面和板底纵向钢筋在接缝处弯成U形箍, 相互伸向对方, 横向插入直径较大的插销筋锁住U形箍, 保证纵向受拉钢筋传力, 受压区压应力主要由混凝土承担, 纵向受压钢筋起辅助作用, 并可承受反向弯矩。为防止纵向受压钢筋失稳外鼓, 在接头处设置竖向拉筋施加约束, 同时可作为单肢箍提高接缝抗剪承载力。3种钢筋构造形式: (1) A型2块拼接板U形纵筋间设160mm搭接段, 以直径较大的横向分布筋阻止U形纵筋滑动, 在横向分布筋处设置竖向拉筋提高接缝抗剪承载力; (2) B型顶、底纵筋弯折45°, 弯折处用横向插销筋和分布筋锁定, 既可实现2块拼接板的纵筋传力, 又可利用斜向弯起筋提高接缝抗剪承载力, 不需设置竖向拉筋, 但弯起筋仅在剪力较大的弯剪区段才能较好发挥作用; (3) C型形式常规, 即2块拼接板顶、底部纵筋弯折180°, 横向插销筋穿过弯钩, 实现纵筋间传力, 接缝处的横向分布筋设置竖向拉筋, 保证抗剪承载力。横向分布筋为8 HPB300, 拉筋为6 HPB300。

为较准确地获取接缝内部钢筋、混凝土应力、应变和裂缝分布, 建立分离式有限元模型。假定U形钢筋与横向插销筋贴合紧密, 无间隙, 接缝处灌缝混凝土足够密实, 可不考虑接缝处新旧混凝土结合面对抗拉强度的影响, 忽略破坏前接缝处钢筋、混凝土发生黏结-滑移现象。

混凝土采用solid65单元, 钢筋采用link8单元, 支座和加载点钢垫板采用solid45单元。

考虑拼装件受弯时混凝土以单轴受力为主, 混凝土受压本构关系采用GB50010—2010《混凝土结构设计规范》 (2015版) 应力-应变关系模型, 单轴受拉应力-应变关系按上述规范附录确定。钢筋应力-应变关系采用双线性随动强化 (BKIN) 模型, 屈服后为水平直线。材料参数取实测平均值及相应推算值, 如表1, 2所示。

混凝土破坏过程采用Willam-Warnker 5参数破坏准则, 裂缝张开时的剪力传递系数b_t=0.55;裂缝闭合时的剪力传递系数b_c=1.0;单轴抗拉强度f_t取值如表1所示;单轴抗压强度取-1, 即不考虑混凝土被压碎;拉应力释放系数T_c=0.6, 其余参数取程序默认值。

按照试件设计尺寸建模。为避免应力集中影响求解收敛性, 沿长度、厚度方向混凝土单元尺寸为25mm、沿宽度方向为15mm, 钢筋、混凝土单元如图2所示。横向分布筋呈箍筋形状, 置于纵向钢筋内侧, 与试件实际情况保持一致, 用以形成钢筋骨架, 避免弯剪区发生剪切破坏。

试验采用2点对称竖向加载方式, 拼装试件两端简支, 如图3所示。有限元模型采用相同加载方式, 一端施加纵、横、竖向平动约束, 另一端施加横、竖向平动约束。试验中, 为防止加载点和支座处产生应力集中使混凝土局部受压破坏, 在这些部位均设置钢垫板, 因此在有限元分析中同样布置钢垫板, 加载点处施加等效面荷载, 以消除应力集中, 保证收敛性。加载子步每级荷载增量<3kN。非线性方程组求解利用迭代法, 平衡迭代50次, 打开自动时间步选项, 取节点位移增量≤2%作为收敛准则。

进行单调静力加载试验, 采用试算法得到极限荷载。试算法步骤: (1) 根据纵向钢筋估算截面抗弯承载力, 扣除自重产生的弯矩后, 求出极限荷载计算值; (2) 先施加自重, 然后施加稍大于极限荷载计算值的竖向荷载, 如果收敛, 增大荷载重新计算, 直至刚好不收敛为止, 则上一级荷载作为最大收敛荷载, 如果不收敛, 则逐级减小竖向荷载, 直至刚好收敛为止, 得到最大收敛荷载; (3) 以上步得到的最大收敛荷载为基础, 减小荷载增量, 放缓荷载增大速率, 反复试算, 当开始不收敛时, 以最大收敛荷载+本次荷载增量作为极限荷载。

数值仿真分析与试验测得的竖向荷载-跨中挠度关系曲线对比如图4所示, 极限荷载对比如表3所示。

由图4可知, 模拟与实测的荷载-挠度曲线在上升段相差较小, 吻合较好, 但由于数值仿真分析混凝土本构关系未考虑下降段, 钢筋本构关系为理想双线性模型, 钢筋受拉屈服后会引起屈服段钢筋单元节点位移迅速发展, 导致不收敛, 因此数值仿真分析基本以受拉纵筋屈服时的荷载作为极限荷载。但实际试件在受拉纵筋屈服后仍可继续加载, 直至受压区混凝土被压碎才达到极限荷载, 因此数值仿真分析给出的极限荷载相当于实际试件的屈服荷载, 低于实际试件的极限荷载, 表3极限荷载数据对比同样体现这一规律。而且在力控加载方式下, 荷载-挠度曲线下降段也未能模拟。同时, 因钢筋、混凝土间未建立黏结-滑移单元, 因此滑移行为也未能模拟。

根据图4、表3提取的荷载、挠度、刚度特征值如表4所示。综合分析图4、表4可知, 3种钢筋构造荷载-挠度曲线上升段均分为开裂前阶段、开裂至受拉纵筋屈服的带裂工作阶段和破坏阶段, 开裂荷载基本相同, 开裂挠度和屈服挠度相近, 平均刚度均呈现随荷载增加而降低的规律。A型构造屈服荷载和极限荷载分别比B, C型平均值大46.5%, 62.7%, 由于A型构造跨中搭接范围纵筋数量增加1倍;B, C型构造屈服荷载和极限荷载相近, 二者上升段曲线形状相似, 各阶段转折点的荷载、挠度值也相近。A型构造曲线上升段相对特别, 第2阶段出现了刚度不降反升的现象, 其原因是搭接处纵筋发生少量滑移后被横向分布筋和混凝土限制, 搭接纵筋才开始稳定传力, 发生滞后现象。试验曲线显示C型构造峰值挠度比其他2种构造大60%左右, 原因是纵向钢筋U形环加工定位不整齐, 部分U形环与横向插销筋间存在间隙, 随荷载增大, 受拉区纵、横钢筋间隙分别先后闭合, 导致裂缝宽度增加。第3阶段挠度增长较快。

根据以上受力分析、试件制作及拼接过程对A, B, C 3种类型接缝钢筋构造进行综合评价, 如表5所示。“横向插销筋锁定间隙要求”考虑当横向插销筋与预制板受拉纵筋U形环间存在一定间隙时, 2块预制板间纵筋不能通过横向插销筋立即实现传力, 需待受拉区混凝土开裂、产生一定挠度、间隙消失后才开始传力。“钢筋微调难度”表示当预制板纵筋U形环加工精度不高、出现参差不齐现象时, 横向插销筋将与纵向钢筋U形环存在间隙或插销筋难以穿过全部U形环, 这时需对U形环位置、大小做适当调整, 以免因无法拼装成为废品。表5中未对总用钢量进行比较, 因为A型构造存在搭接段使得纵筋用量略有增加, 但横向插销筋由分布筋充当, 可相互抵消, 因此3种钢筋构造总用钢量差别不大。由表5评价结果可知, A型构造在各方面具有较明显优势。

1) 采用有限元法分析预制混凝土构件拼装接缝受弯性能具有一定可行性, 在不考虑混凝土被压碎、钢筋强化段、混凝土本构关系下降段、钢筋与混凝土黏结-滑移特性时, 一般能较准确得到纵筋屈服时的荷载值, 略低于实际极限荷载。

2) 有限元分析采用力控施加荷载时, 荷载-挠度曲线上升段与试验实测曲线吻合较好, 尤其以混凝土开裂前弹性阶段吻合最好。

3) A, B, C 3种接缝钢筋构造受弯破坏过程均分为3阶段, 即开裂前阶段、带裂工作阶段和破坏阶段。B, C型接缝钢筋构造在荷载-挠度曲线上升段形态、荷载特征值及相应挠度特征值较接近, 说明B, C型构造受弯性能相近。A型接缝钢筋构造挠度特征值与B, C型相近, 但抗弯承载力较B, C型提高40%～60%。

4) 通过加工及布置精度要求、调整难度、插销锁定容许间隙、拼装难度、钢材利用率等方面综合比较可知, A型构造在3种接缝钢筋构造中较有优势。B, C型接缝钢筋构造在纯弯段的受弯性能差别不大, 但B型构造因设置弯起筋, 可起抗剪作用, 因此在剪弯段B型构造较C型构造更具优势。

5) B, C型接缝钢筋构造横向插销筋与纵筋U形环间隙大小对裂缝宽度、挠度、纵筋传力连续性影响较大, 但对抗弯承载力影响不大。间隙越小越好, 但间隙越小, 横向插销筋的插入难度越大。