装配施工荷载下约束垫层混凝土拌合物的受压徐变性能.pdf

收稿日期:2023-02-13基金项目:国家自然科学基金项目(51878656);江苏省重点研发计划项目(BE2018636)作者简介:华慧娟(1991),女,工程师,硕士,主要从事装配式结构研究.李富民(1972),男,教授,博士,博士生导师,主要从事预应力研究.第 38 卷第 2 期徐 州 工 程 学 院 学 报(自 然 科 学 版)2023 年6 月Vol.38 No.2Journal of Xuzhou Institute of Technology(Natural Sciences Edition)Jun.2023装配施工荷载下约束垫层混凝土拌合物的受压徐变性能华慧娟1,李富民2(1.江苏苏构建筑科技有限公司,江苏 苏州 215021;2.中国矿业大学 江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室,江苏 徐州 221116)摘要:为研究装配式混凝土结构连接部位约束垫层混凝土拌合物的受压徐变性能,通过试验模拟得到了不同厚度约束垫层混凝土拌合物在强度发育期不同施工荷载历程下的全应变及徐变应变时程曲线,并据此讨论了垫层厚度、加载龄期以及加载应力对约束垫层混凝土拌合物受压徐变的影响规律.研究结果表明:垫层厚度越薄、加载龄期越早、加载应力越大,徐变应变就越大;装配施工荷载下约束垫层混凝土拌合物强度发育期具有良好的、可控的受压徐变性能,可以满足装配施工需求.关键词:装配式混凝土结构;约束垫层;混凝土拌合物;施工荷载;徐变性能中图分类号:TU502+.6 文献标志码:A 文章编号:1674-358X(2023)02-0037-07近年来,在现代绿色、低碳、可持续发展理念的引领下,我国建筑行业重新转向了以预制装配模式为核心特征的新型建筑工业化之路.在预制混凝土结构体系中,预制构件之间的连接是其薄弱部位,是影响结构装配施工性能和服役性能至关重要的部位1-3.当前,我国装配式结构的连接主要遵从“等同现浇”思想,大量工程采用“湿连接装配整体式”结构模式,即在工厂预制部分构件单元,然后在现场进行湿连接,包括绑扎节点及叠合层钢筋、浇筑节点及叠合层混凝土、套筒灌浆连接竖向主筋等.然而,这种模式也带来了许多问题,比如整体结构的预制率低下;预制构件四周出筋,制作、堆放、运输、吊装、对位麻烦;现场支架、支模、绑筋、浇筑工作量仍旧较大;现浇混凝土养护等待时间过长;套筒灌浆连接质量不易保证,套筒过粗而削弱截面有效高度等4.从本质上来讲,最契合装配式结构技术的初衷是“干连接”装配方式5.这种方式目前已在单层工业厂房排架结构、预制剪力墙-梁柱-双 T 板结构、预压装配框架结构等体系中得到应用6-9,具体连接方式是预制构件之间通过预埋钢件焊接连接或通过界面过渡材料(一般为混凝土或砂浆垫层)并采用螺栓或预应力筋进行连接.在干连接体系中,界面过渡材料即混凝土或砂浆垫层主要起到调节尺寸容差、保证预制构件间接触及传力良好等作用,垫层厚度一般较薄,大约在 20100 mm 之间,且扩展面积较小,因而浇筑量很小,但其强度发育所耗时间却显著影响装配施工进度.因此,研究解决垫层强度发育耗时问题对提高干连接装配施工效率具有重要意义.一般情况下垫层混凝土(或砂浆)在拌合物状态下的强度几乎为 0,因而无法直接承受装配施工荷载;但是,当垫层拌合物受到充分横向约束时,就拥有了纵向受压强度,利用这种性质,笔者提出了一种预制混凝土构件嵌入式对接连接技术10,即 2 个预制构件通过形状尺寸相适配的凹坑和凸起并辅以混凝土垫层相接,并采用螺纹套筒技术实现纵筋连接.由于垫层混凝土受到凹坑四壁的横向约束,因而在拌合物状态下即可承受装配施工荷载,从而免于等待其强度发育所耗时间.实际上,这种约束混凝土垫层在传统预制杯口式基础与预制柱的连接中就已存在.73笔者前期研究了装配施工荷载下约束垫层混凝土拌合物的短期单调受压性能,得到了不同厚度约束垫层混凝土拌合物的应力-应变-沉降量关系曲线,建立了随厚度变化的应力-应变关系经验模型,并证实了约束垫层混凝土拌合物具有良好的、可控的短期单调受压性能,可以承受装配施工产生的短期荷载作用11.另一方面,约束垫层混凝土在强度发育过程中会出现比成熟混凝土更大的徐变变形,这一问题也将影响结构体系的连接适配性.因此,弄清约束垫层混凝土在强度发育过程中的徐变发展规律是上述技术体系中需要解决的又一重要问题.为此,通过试验研究了约束垫层混凝土拌合物在强度发育期不同施工荷载历程下的徐变发展规律,讨论垫层厚度、加载龄期以及加载应力对徐变的影响规律,以求为约束垫层混凝土连接体系施工效率的提升提供技术依据.1 试验方案1.1 试验材料胶凝材料,PO 42.5 普通硅酸盐水泥;水,普通自来水;细骨料,细河砂;粗骨料,粒径为 510 mm 的小径碎石,以避免因粗骨料粒径太大而在垫层受压过程中率先被压碎的问题.垫层混凝土设计强度等级为C50,配合比用量见表 1(配合比为 1 0.401 1.115 2.071).表 1 垫层混凝土配合比kg/m3水泥水砂石523.17210583.391 083.441.2 试件设计与编号由于垫层混凝土厚度相对于预制构件来说高度过小,倘若按一定比例缩小预制混凝土构件的尺寸进行试验,那么测出的压缩变形主要是 2 个对接连接预制构件发生的压缩变形,而垫层的变形很难被测出.为此,采用钢制盖板和凹形钢模分别模拟上、下对接构件,然后将垫层混凝土拌合物倒入钢模中,于是盖板、钢模和垫层混凝土拌合物三者共同组成了嵌入式对接连接节点试件.试件设计如图 1 所示,其中 t 为垫层混凝土厚度,不同的试件 t 值不同.图 1 试件设计考虑到不同楼层处预制柱连接部位约束垫层混凝土拌合物所受到的装配施工荷载历程不同而表现出不同的徐变发展规律,本试验通过设置不同加载方案分别模拟 3 层房屋的底层、中间层、顶层等 3 处预制柱连接垫层混凝土的受力历程,试件的编号与统计结果见表 2.表 2 试件的编号与统计试件分组模拟楼层试件编号垫层厚度/mm第 1 组底层B-2020B-6060B-10010083徐州工程学院学报(自然科学版)2023 年第 2 期续表试件分组模拟楼层试件编号垫层厚度/mm第 2 组中间层M-2020M-6060M-100100第 3 组顶层T-2020T-6060T-1001001.3 加载与测试根据以上确定的垫层试件平面尺寸(200 mm200 mm),与之适配的预制柱的截面尺寸宜为 360 mm360 mm,柱长(层高)取为 3 600 mm.在一般情况下,预制柱的混凝土强度等级可按 C30 考虑,底层柱的承载力极限状态轴压比按 0.7 考虑,对应的轴压力为 129.7 t;考虑装配施工时垫层混凝土主要受到结构自重等施工荷载作用,所以取承载力极限状态轴压力的0.4 倍,即51.9 t50 t 作为最大装配施工压力;考虑施工期装配压力逐层施加,开始只施加 1 层柱的自重 1.16 t,然后假定每隔 7 d 完成 1 层装配施工,即施加 1 层施工荷载 16.3 t,3 个 7 d 即可完成全部施工荷载.基于上述考虑,3 组试件在强度发育期的徐变加载方案见表 3.表 3 加载方案试件分组加载方案第 1 组1.16 t7 d 17.46 t7 d 33.76 t7 d 50.00 t7 d 50.00 t第 2 组1.16 t7 d 17.46 t7 d 33.76 t14 d 33.76 t第 3 组1.16 t7 d 17.46 t21 d 17.46 t加载装置如图 2 所示,采用 8 根预应力螺纹钢筋对拉 2 根钢梁,形成一个反力框架,每个反力框架同时用于 1 组 3 个不同厚度(100、60、20 mm)垫层试件的加载;所有试件均采用液压千斤顶加载并用力传感器进行压力实时监测,同时采用百分表监测垫层混凝土的压缩变形.图 2 加载装置2 试验结果2.1 全应变时程曲线加载过程中采集百分表数据,绘制出各试件的全应变时程曲线.如图 3 所示.全应变时程曲线表明:不管垫层混凝土厚度与加载方案如何,全应变的变化速率均是先快后慢;施工期内垫层混凝土受到荷载作用越早,发生的全应变越大;加载龄期越晚,相同增幅的荷载作用引起垫层混凝土发生的瞬时应变越小;强度发育93华慧娟,等:装配施工荷载下约束垫层混凝土拌合物的受压徐变性能期结束时,受到荷载作用越大,发生的全应变也越大.图 3 全应变时程曲线2.2 徐变应变时程曲线从全应变时程曲线中剔除增压过程中发生的瞬时受力应变,即可得到徐变应变时程曲线.如图 4 所示.图 4 徐变应变时程曲线徐变应变时程曲线表明:各试件徐变应变时程曲线总体走势基本相同,大致分为 2 个阶段:开始加载24 h 内,徐变速率最快;24 h 后,徐变继续增大,但增大速率放缓,原因是垫层混凝土拌合物最初处于流塑状态,期间在荷载作用下,部分水泥浆因被挤压而缓慢流出,从而使得垫层混凝土出现较大徐变变形;24 h 后04徐州工程学院学报(自然科学版)2023 年第 2 期垫层混凝土已完全失去塑性,不再有流塑变形,因而徐变速率减缓.各试件在强度发育期由装配施工荷载引起的徐变应变最大值在 10%左右,这是一个相对较小的徐变值,说明约束垫层混凝土拌合物可以不必等待强度发育而直接进行装配施工.3 讨论3.1 垫层厚度对徐变的影响表 4 为各垫层试件在强度发育期的总徐变应变.从中可以看出,同一加载历程(相同的楼层)下,垫层厚度越薄,发生的徐变应变越大.一般认为,混凝土构件的体表比(体积与表面积的比值)越小,表面水分蒸发的影响就越大,产生的干燥徐变也就越大12.试验中垫层厚度越薄,体表比就越小,因而徐变应变也就大.表 4 垫层试件 28 d 内的总徐变应变垫层厚度/mm底层应变中间层应变顶层应变200.1020.0670.051600.0930.0640.0431000.0620.0500.0383.2 加载龄期对徐变的影响表 5表 7 为各加载历程(即各楼层)下各厚度垫层混凝土试件在不同时段(即不同龄期)中所发生的徐变占发育期总徐变的比值.表 5 模拟底层试件各时段徐变占比垫层厚度/mm1.16 t7 d 17.46 t17.46 t7 d 33.76 t33.76 t7 d 50.00 t50.00 t7 d 50.00 t2060%15%21%4%6055%22%18%5%10066%22%8%4%表 6 模拟中间层试件各时段徐变占比垫层厚度/mm1.16 t7 d 17.46 t17.46 t7 d 33.76 t33.76 t7 d 33.76 t33.76 t7 d 33.76 t2082%10%3%4%6079%14%5%2%10078%14%4%4%表 7 模拟顶层试件各时段徐变占比垫层厚度/mm1.16 t7 d 17.46 t17.46 t7 d 17.46 t17.46 t7 d 17.46 t17.46 t7 d 17.46 t2096%2%2%0%6093%2%5%0%10082%8%3%8%从中可以发现:在第 1 个 7 d,即使只承受 1 层柱的自重那么小的荷载,但徐变占比却很大,说明在强度发育初期徐变受流塑变形影响很大;从第 2 个 7 d 开始,每个时段的徐变占比小了很多,但总体上也呈现出随龄期增长而下降的趋势,即使在后期还有增载的情况下依然如此.由此表明,加载龄期对发育期约束混凝14华慧娟,等:装配施工荷载下约束垫层混凝土拌合物的受压徐变性能土的徐变影响非常显著.3.3 加载应力对徐变的影响图 5 为各厚度试件在不同加载历程下的徐变发展曲线.从中可以看出:在垫层厚度相同的情况下,试件徐变是底层中间层顶层,这是因为阶段性增载次数也是底层中间层顶层,也就是说全程总体应力水平也是底层中间层顶层.图 5 加载应力对徐变的影响4 结论通过试验,研究了装配式混凝土结构连接部位约束垫层混凝土拌合物在强度发育期的受压徐变性能,得到的主要结论如下:1)约束垫层混凝土拌合物在强度发育期 28 d 内受装配施工荷载作用下的徐变发展规律为前 24 h 内发展迅速,而后发展速率逐渐放缓,后期接近稳定.2)垫层厚度、加载龄期、加载应力对约束垫层混凝土拌合物的徐变发展影响显著,垫层厚度越薄、加载龄期越早、加载应力越大,徐变应变也越大.3)约束垫层混凝土在强度发育期由装配施工荷载引起的徐变应变最大值在 10%左右,这是一个相对较小的徐变值,说明约束垫层混凝土拌合物可以不必等待强度发育而直接进行装配施工.参考文献:1 LU X L.Precast concrete structures in the futureJ.Structural Concrete,2014,15(1):1-2.2 LI F M,LUO X Y.Interfacial zone effects of chloride penetrations in precast concrete member jointsJ.Advances in Cement Research,2019,31(6):279-289.3 ZHAO J,LI F M.Chloride transport in interfacial zone of new-old concrete joints of precast prestressed concrete bridges under fatigue loadJ.Journal of Materials in Civil Engineering,2022,34(10):04022263.4 王献忠,杨健,沙斌,等.预制装配式混凝土结构体系与关键技术的研究J.建筑施工,2017,39(2):273-275.5 李富民,范力,黄朗.装配式混凝土结构斜缝免胶预压节点受剪性能分析J.东南大学学报(自然科学版),2022,52(1):57-64.6 黄小坤,田春雨,万墨林,等.我国装配式混凝土结构的研究与实践J.建筑科学,2018,34(9):50-55.24徐州工程学院学报(自然科学版)2023 年第 2 期7 芦静夫,孙占琦,邱勇,等.大跨重载预应力混凝土双 T 板受力性能试验研究J.工业建筑,2020,50(9):62-67.8 ELLIOTT K S.Research and development in precast concrete framed structuresJ.Progress in Structural Engineering and Materials,2000,2(4):405-428.9 WANG H S,MARINO E M,PAN P.Design testing and finite element analysis of an improved precast prestressed beam-to-column jointJ.Engineering Structures,2019,199:109661.10 李富民,邓天慈,华慧娟,等.一种预制混凝土构件对接连接结构:201510387583.2P.2015-06-30.11 李富民,罗小雅,华慧娟,等.装配施工用约束垫层混凝土拌和物短期受压性能J.建筑科学与工程学报,2017,34(1):91-98.12 潘家英.混凝土结构的徐变计算J.土木工程学报,1983,15(4):29-40.(责任编辑 徐永铭)Compressive Creep Performance of Restrained Concrete Mixture Cushion Under Assembly Construction LoadHUA Huijuan1,LI Fumin2(1.Jiangsu Sugou Architecture&Technology Co.,Ltd.,Suzhou 215021,China;2.Jiangsu Key Laboratory of Environmental Impact and Structural Safety in Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)Abstract:In order to study the creep behavior of restrained concrete mixture cushion at the joint of precast concrete structure,the time history curves of full strain and creep strain of restrained concrete mixture cushion of different thickness under different construction load histories during the strength development period were obtained through experimental simulation,and the influence of cushion thickness,loading age and loading stress on compressive creep of restrained concrete mixture cushion were discussed.The results show that the creep strain becomes larger when the thickness of the cushion is thinner with the earlier loading age and greater loading stress.Under the load of assembling construction,the restrained concrete mixture cushion has good and controllable compressive creep performance during the strength development period,which can meet the requirements of assembling construction.Key words:prefabricated concrete structure;restrained cushion;concrete mixture;construction load;creep performance34华慧娟,等:装配施工荷载下约束垫层混凝土拌合物的受压徐变性能