DOI： 10.11817/j.issn.1672-7207.2020.05.020
套筒灌浆缺陷下装配式混凝土柱及框架的抗震性能
蒋友宝,袁汉卿,周浩,罗文辉
（长沙理工大学 土木工程学院，湖南 长沙，410114）
摘要:为系统研究灌浆缺陷下装配式混凝土结构的受力性能，提出一种可行的有限元模拟方法。该方法采用截断钢筋模拟灌浆缺陷导致的钢筋连接失效，并结合多点约束绑定(MPC)的方式连接纤维单元。在此基础上，对混凝土柱及框架的抗震性能参数进行分析。研究结果表明：所提出的灌浆缺陷模拟方法适用性较强，其滞回性能模拟计算结果与试验结果较吻合；灌浆缺陷的数量及分布均对柱抗震性能产生较大的不利影响，当柱截面受拉或受压一侧的钢筋连接都有缺陷时其抗震性能下降更多；当柱钢筋连接存在灌浆缺陷时，框架抗震性能也有较大程度下降；相对于仅边柱存在灌浆缺陷的情形，边柱和中柱同时存在灌浆缺陷的框架结构抗震性能更差，其中，最不利情形下的耗能能力仅为完好框架的62.9%。
关键词:装配式混凝土结构；灌浆缺陷；抗震性能；滞回分析；ABAQUS软件
中图分类号:TU398.9 文献标志码:A
文章编号:1672-7207（2020）05-1361-10
Seismic performance of fabricated concrete columns and frames with sleeve grout defects
JIANG Youbao, YUAN Hanqing, ZHOU Hao, LUO Wenhui
(School of Civil Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China)
Abstract: To systematically study the mechanical performance of prefabricated concrete structures with grouting defects,a feasible simulation method was proposed.The method used cutting rebar to simulate the failure rebar connection caused by grouting defects and the multi-point constraint(MPC) method to connect fiber element. Based on this method,the parametric analysis of seismic performance was carried out for concrete columns and frames.The results show that the proposed method for grouting defects simulation presents a good applicability, and the simulation results of hysteretic performance are consistent well with the experimental results.Both the number and distribution of grouting defects lead to unfavorable effects largely on the seismic performance of columns,and an even larger reduction of seismic performance can occur when the rebar in the tension side or compression side of column cross-section is all connected with defects.When grouting defects exist in the rebar joint of column, the seismic performance of the frame structure decreases to a large extent. Compared with the case that only the side columns have grouting defects,the seismic performance is much worse for the frame structure with grouting defects in both the side columns and the middle columns,and in the worst case, the energy dissipation capacity of the frame is only 62.9% of perfect frame.
Key words: prefabricated concrete structure; grout defects; seismic performance; hysterisis analysis; ABAQUS software
图1 灌浆缺陷模拟方法
Fig. 1 Method for grouting defect simulations
目前，装配式混凝土结构已成为我国建筑结构发展的重要方向之一，它不仅与国家所提倡的绿色环保建筑相契合，而且有利于提高施工效率。JGJ 1—2014“装配式混凝土结构技术规程”[1]规定，在装配式混凝土结构中，节点及接缝处的纵向钢筋连接宜根据接头受力、施工工艺等要求选用机械连接、套筒灌浆连接、浆锚搭接等连接方式。钢筋机械连接能满足现行规范对结构抗震性能的要求[2]，且价格较低廉，但机械连接对钢筋定位精度要求较高，这给现场施工质量管理带来较大难度。在浆锚搭接方面，CHEOK等[3-5]对采用该种连接的预应力框架节点进行了低周反复试验，结果表明预应力节点的耗能能力和恢复能力比对应的现浇节点强，但现行的技术规程规定，对于直接承受动力荷载构件的纵向钢筋以及直径大于20 mm的钢筋都不宜采用浆锚搭接，所以，具有一定的局限性[1]。而采用灌浆套筒连接的装配式竖向构件能有效提高装配节点的设计质量[6]。在高温抗火方面，套筒内的高强灌浆料在高温下能保持较大黏接力，使得钢筋不被拔出，保证结构具有较大的承载力，耐受的最高温度可达到700 ℃左右[7]。李锐等[8-9]研究了将普通钢筋换成大直径高强钢筋后灌浆套筒连接的预制柱抗震性能。另外，钱稼茹等[10-11]还通过试验和有限元模拟手段对装配式剪力墙结构的抗震性能进行了研究，均认为其与现浇结构承载力相当。在实际工程中，灌浆套筒连接也会存在一些施工缺陷，如套筒定位偏差、套筒内灌浆不密实等，这都会严重影响工程结构的安全性，为此，人们采用试验手段等对灌浆缺陷下的装配式混凝土结构进行了研究。郑清林等[12-14]研究了不同灌浆缺陷程度下连接接头及其结构的力学性能，发现灌浆缺陷会导致试件承载力、变形性能及刚度出现不同程度下降，但对不同位置的灌浆缺陷对柱抗震性能的影响欠考虑。此外，关于柱灌浆缺陷对整体框架抗震性能的影响研究很少。可见，现有的研究主要集中在连接质量完好时装配式构件、节点的受力性能等方面，而关于灌浆缺陷对装配式构件及结构的抗震性能影响的研究不够深入。为此，本文作者采用截断钢筋来模拟灌浆缺陷，并利用文献[12，15]中的柱及框架试验结果，验证该方法的有效性，分析在不同数量和位置的灌浆缺陷下装配式混凝土柱的抗震性能，最后以某单层两跨的装配式混凝土框架为研究对象，考虑钢筋套筒连接存在多处灌浆缺陷，研究结构抗震性能的变化趋势。
1 套筒灌浆缺陷有限元模型
1.1 模型简化方案
对于采用套筒连接的结构，常用的有限元模拟方法一般有通过弹簧单元模拟套筒连接，或通过建立实体单元并考虑接触绑定来模拟[16-17]等。但需指出的是：前者通过弹簧单元不能较好模拟有缺陷的套筒由受拉转为受压的力学行为，钢筋未能与混凝土共同受力，导致混凝土材料过早受压破坏；后者则容易造成“过约束”而与实际受力状态不符。为此，本文提出一种新的模拟方法，即通过多点约束(MPC)绑定的方法来模拟结构的套筒连接部分，连接各钢筋纤维单元端部的主、从节点，混凝土纤维单元也用相同方法进行连接；而对存在灌浆缺陷的连接部分，通过截断相应位置的钢筋来模拟连接失效。灌浆缺陷模拟方法如图1所示。将建好的纤维模型导入ABAQUS程序中，最后通过软件中的二次开发端口，调用PQ-Fiber子程序[18]中的USteel02和UConcrete02本构模型，分别对结构中的钢筋和混凝土单轴滞回本构模型进行定义，并进行模拟计算。
1.2 模型验证
为验证上述有限元模拟方法的有效性，对文献[12，15]中的装配式混凝土柱及框架模型试验结果进行模拟比对。首先，对文献[12]中装配式钢筋混凝土柱模型试验结果进行模拟分析，模型的混凝土部分采用纤维梁单元，钢筋通过ABAQUS中的关键字rebar加入到构件中，钢筋材料本构关系假定为理想弹塑性模型，柱底边界条件采用完全固接。装配式RC柱试验模型见图2，模拟计算结果对比见图3，缺陷分布见表1。
从图3可看出：由于ABAQUS软件模拟采用的PQ-Fiber模型较理想，使得刚度退化现象更明显，所以，模拟得到的滞回环比郑清林等[12]得到的滞回环要更加捏拢。但总体上看，ABAQUS模拟得到的水平力P-加载位移滞回曲线与试验结果较吻合，最大水平力和最大位移均与试验结果基本一致。
采用文献[15]中的框架试验模型(见图4)来验证本文ABAQUS纤维模型的正确性。进行模拟分析时，框架中的梁柱单元都采用纤维模型。计算结果对比见图5。
图2 装配式RC柱剖面图
Fig. 2 Section drawing of RC fabricated column
图3 柱滞回曲线的试验与ABAQUS模拟结果对比
Fig. 3 Comparison of hysteresis curves of column between experimental results and ABAQUS simulation results
图4 文献[15]中试验框架模型
Fig. 4 Tested frame model in Ref[15]
图5 框架滞回曲线的试验与ABAQUS模拟结果对比
Fig. 5 Comparison of hysteresis curves of frame between experimental results and ABAQUS simulation results
从图5可看出：由于ABAQUS软件模拟采用的边界条件较理想，所以，模拟得到的滞回环比文献[15]中滞回环稍饱满，但总体上看，模拟得到的水平力P-加载位移滞回曲线与试验结果较吻合，最大水平力和最大位移分别为208.5 kN和55.0 mm，而试验结果分别为199.0 kN和55.0 mm，两者基本一致。由此可见：上述有限元模拟方法较有效，可用来分析装配式混凝土柱及框架结构的滞回性能。
表1 柱子编号及其灌浆缺陷情况
Table 1 Column number and its grouting defects
2 套筒灌浆缺陷下RC柱抗震性能
2.1 灌浆缺陷数量对RC柱抗震性能的影响
当前虽已开展针对装配式混凝土柱在不同灌浆缺陷程度下的抗震性能等研究[12-14]，但考虑的情况尚不够全面。这里仍以文献[12]中的柱试验模型为分析对象，通过数值模拟进一步研究钢筋连接缺陷数量较多(如柱QX-4情形，4根钢筋存在灌浆缺陷，占总钢筋数量的50%)时柱抗震性能的变化规律，模拟计算结果见图6。
结合图6以及图3可知：随着连接失效的钢筋数量从1根增大至4根，即灌浆缺陷程度增大，柱的整体抗震性能也随之下降，尤其是当柱截面受拉或受压一侧的钢筋均有缺陷时，其抗震性能极差，如柱QX-4。这是因为当柱子紧连的4根钢筋都出现灌浆缺陷时，缺陷一侧滞回捏缩效应非常明显，达到峰值荷载后结构迅速破坏，刚度退化速率明显比另一侧的大。
2.2 灌浆缺陷位置对RC柱抗震性能的影响
为进一步考察灌浆缺陷位置对RC柱抗震性能的影响，设计了柱QX-5和QX-6这2种缺陷模式，分别与柱QX-4和QX-2的缺陷模式进行对比，它们对应的灌浆缺陷数量相同但缺陷位置不同。柱QX-5和QX-6灌浆缺陷位置及其滞回曲线见图7。
图6 QX-4灌浆缺陷位置及其滞回曲线
Fig. 6 Hysteresis curve of QX-4 and grouting defects position
图7 QX-5和QX-6灌浆缺陷位置及其滞回曲线
Fig. 7 Grouting defects position and hysteresis curves of QX-5 and QX-6
从图7可知：柱QX-4与柱QX-5缺陷数量同为4个，但柱QX-5的缺陷钢筋出现在对角位置，其滞回曲线较柱QX-4滞回曲线要饱满、对称，且正、负2个方向的刚度退化也较缓慢，延性及耗能能力也较强。同时，结合图3可知：柱QX-2正向连续的2根钢筋有缺陷；柱QX-6则位于对角位置的2根钢筋有缺陷，后者的滞回环更加饱满、对称，正负方向的环形面积基本相等，表现出较强的耗能能力；前者负向承载力及环形面积比正向的大。
综上所述，当普通钢筋套筒连接存在缺陷时，装配式混凝土柱的抗震性能不仅受缺陷数量的影响，同时也受缺陷分布位置的影响，尤其是当柱截面受拉或受压一侧的钢筋均有缺陷时，其一侧的滞回曲线捏缩效应非常明显。
3 灌浆缺陷下RC框架的抗震性能
3.1 框架结构模型
根据GB 50010—2010“混凝土结构设计规范”[19]及GB 50011—2010“建筑抗震设计规范”[20]，按照8度设防烈度，设计一榀单层两跨的装配式混凝土框架结构。柱子顶部施加恒定轴压力，轴压比为0.3，预制柱采用直径为28 mm的HRB500级钢筋，现浇梁纵筋和箍筋都采用HRB400级钢筋，预制柱及现浇梁、节点区混凝土等级均为C35，对结构进行拟静力试验。通过位移控制水平力P加载，每级正、反2次加载，直至最大位移为80 mm。分析框架在不同缺陷程度下结构的抗震性能，其中结构尺寸见图8。
图8 框架模型
Fig. 8 Frame models
进行滞回耗能分析时，每一次循环加载的水平力-位移曲线会形成1条滞回环，其所围的面积即为结构试件所消耗的能量。设每条滞回环所围的面积为Ei，所有滞回环面积之和为滞回分析的总能量Et，滞回环总面积越大，说明试件的耗能能力越强。
表2 边柱存在灌浆缺陷时的框架模型
Table 2 Frame models with grouting defects in side columns
(1)
式中：n为滞回环的数量。结构延性通常以结构极限位移与结构屈服位移之比来衡量：
(2)
式中：u为延性系数；
y为屈服位移；u为极限位移。
本文采用“最远点法”确定构件和结构的屈服点[21]，并以此确定屈服位移和屈服荷载。定义加载过程中水平荷载下降为0.85Pmax(Pmax为峰值荷载)时，对应的位移和荷载分别为极限位移和极限荷载。
3.2 边柱存在灌浆缺陷时的框架抗震性能
考虑边柱钢筋连接存在一定数量的灌浆缺陷(见表2)，对该框架结构的抗震性能进行研究，具体滞回曲线、骨架曲线等数值分析结果见图9、图10和表3。
从图9可知：框架BM滞回曲线对称且较饱满；而对于存在灌浆缺陷的结构，滞回曲线的不对称性和捏缩效应相对明显，其中框架BQX-1和框架BQX-2的滞回曲线几乎一致，表明这2种缺陷对结构的影响相同；当正方向加载时，存在缺陷的骨架曲线下降段斜率明显比框架BM的大。由此可见：随着水平位移增大，结构的承载力都会出现不同程度下降，而受灌浆缺陷影响的框架，下降程度会更加明显；当负方向加载时，框架BQX-3负方向与其他3种情况相比刚度退化更加明显，滞回环面积最小，表明该种缺陷对结构的抗震性能最不利。
图9 边柱存在灌浆缺陷时的框架滞回曲线
Fig. 9 Hysteresis curves of frame with grouting defects in side column
图10 边柱存在灌浆缺陷时的框架骨架曲线
Fig. 10 Frame skeleton curves of side column with grouting defects
表3 边柱存在灌浆缺陷时的滞回分析结果
Table 3 Hysteresis analysis results of frames with grouting defects in side columns
从表3可知：缺陷框架的正方向△u和△y变化幅度都较大，分别为76.5～79.5 mm和19.0～24.5 mm，这表明不同位置的灌浆缺陷对结构抗震性能的影响程度也不同；对于延性系数u，负向u变化幅度较大，而正向u则相对稳定，且正向u比对应的负向u高3.7%～16.4%，说明3种缺陷对结构负向加载的影响更大。其中，框架BQX-3正向u甚至比框架BM的略大，在文献[12]中也存在缺陷结构的延性比无缺陷结构延性更好的情形。框架BM与其他3种缺陷框架情形相比，其滞回耗能最高。而在3种缺陷框架中，框架BQX-3的滞回耗能最小，较框架BM的滞回耗能下降31.1%，这说明该种灌浆缺陷较不利。
从图10可知：4种情况的骨架曲线在弹性阶段变化不大，但当到达开裂荷载时，框架BQX-3的承载力增速降低，刚度退化速率最大，也较早进入屈服阶段，并且其屈服水平段较短，表明该种结构的抗震性能及延性较低；框架BQX-1和框架BQX-2的骨架曲线基本接近，说明这2种缺陷情况对结构的抗震性能影响基本相同；对于框架BM，其屈服阶段的刚度退化速率明显最小，所以，其骨架曲线只略微下降，表明无缺陷框架结构的整体稳定性好。
3.3 边柱中柱同时存在灌浆缺陷时的框架抗震
性能
为进一步研究中柱存在缺陷时对框架结构抗震性能的影响，在框架边柱存在缺陷的基础上，进一步考虑中柱也存在灌浆缺陷时对框架结构抗震性能的影响。设计4种缺陷框架，具体情况见表4。
表4 框架编号及其框架柱灌浆缺陷
Table 4 Frame number and its frame column grouting defects
不同灌浆缺陷组合时，框架结构的滞回曲线见图11，计算结果见表5，骨架曲线见图12。从表5、图11和图12可知：与只考虑边柱缺陷的框架相比，这4种框架的承载力总体上都比前者略有下降，滞回曲线捏缩更加明显，说明结构的耗能能力下降，其中框架ZQX-4下降程度最显著；另一方面，当负向加载时，4种缺陷框架的耗能退化都较明显，承载力几乎呈直线下降，说明当中柱边柱都有缺陷时，对结构负向承载力影响更大；而当正向加载时曲线下降段斜率明显变小，例如框架ZQX-3正向曲线下降段斜率相对其他3种框架更小，可见当缺陷钢筋都为对角位置时，框架结构的正向抗推覆能力最强。
图11 不同灌浆缺陷组合时的框架滞回曲线
Fig. 11 Hysteresis curves of frame with different grouting defect combinations
从表5可知：框架正向屈服位移都比负向位移小，这是由于右侧有效连接钢筋较左侧多，所能提供的抗推覆力更大，这一点在极限位移方面也有类似体现，其中，框架ZQX-4的屈服荷载平均值最小，与3.2节中的最不利情况框架BQX-3相比，滞回耗能下降8.6%，表明其抗推覆能力和耗能能力进一步降低；与框架BM相比较，此处4种缺陷情形的耗能能力下降31.3%～37.1%，下降程度比只考虑边柱缺陷情况时的更大。
图12 不同灌浆缺陷组合时的框架骨架曲线
Fig. 12 Frame skeleton curves of different grouting defects combinations
表5 边柱中柱均存在灌浆缺陷时的滞回分析结果
Table 5 Hysteresis analysis results of grouting defects in side columns and middle column
从图12可以看出：与只考虑边柱情况相比，当中柱和边柱均存在灌浆缺陷时，该类型框架的后期刚度呈直线下降，退化速率更大；这4种缺陷框架的刚度退化速率从大到小对应的框架依次为ZQX-4，ZQX-1，ZQX-2和ZQX-3，它们的总能量由大至小排序亦与此相同；同时，这4种情况的骨架曲线在弹性阶段变化不大，但当到达开裂荷载后，刚度退化速率开始增大，屈服点比框架BM的小，这表明缺陷框架结构的整体稳定性差，结构的耗能能力及延性均较差，其中，框架ZQX-3在此4种框架中耗能能力较高，其屈服阶段的刚度退化速率稍小。
4 结论
1) 提出了一种截断钢筋的办法模拟灌浆缺陷导致的钢筋连接失效，利用该方法对柱和框架模型试验结果进行模拟，其滞回性能计算结果与试验结果较吻合，表明该方法较有效。
2) 混凝土柱的抗震性能受灌浆缺陷数量、缺陷分布位置的影响较大，尤其是当柱截面受拉或受压一侧的钢筋均有缺陷时，柱的抗震性能下降会更多。
3) 当柱钢筋连接存在灌浆缺陷时，单层两跨框架结构的抗震性能均会较无缺陷情况有所降低。与仅边柱钢筋连接存在缺陷的情形相比，考虑边柱和中柱同时存在缺陷的框架结构抗震性能更差，其中，框架ZQX-4的耗能能力仅为完好框架的62.9%。
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（编辑 陈灿华）
收稿日期： 2019 -08 -12; 修回日期： 2019 -10 -08
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51678072) (Project(51678072) supported by the National Natural Science Foundation of China)
通信作者：蒋友宝，博士，教授，博士生导师，从事复杂结构可靠性分析与设计研究；E-mail: jiangybseu@163.com
