关于采用ECC套筒加固的灌浆套方形预制钢筋混凝土柱的地震响应实验研究及其基于设计的承载力预测方法

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Experimental study on the seismic response of square precast RC columns with grouted sleeves strengthened by an ECC jacket and its design-oriented bearing-capacity prediction method

　　丁梦佳|徐伟兵|王金|杜秀丽|郭庆创|王成|胡德岭|李金|张伟忠|冯定清中国天津市300384，天津城建大学，民用结构防护与加固天津重点实验室摘要工程水泥基复合材料（ECC）护套已被证明能有效改善结构构件的力学性能。为提升传统预制钢筋混凝土（RC）柱通过灌浆套筒（GS）连接方式的抗震性能，本研究提出了一种采用ECC护套增强的方形预制RC柱。研究对五个试件进行了准静态试验，其中包括一根整体式ECC柱以及四根具有不同ECC护套高度和厚度的预制试件。随后，研究者建立了一种简化的、以设计为导向的方法来预测这类柱子的抗弯承载力。试验结果表明，与传统预制RC柱在连接处和套筒边缘仅出现局部裂缝不同，ECC护套延缓了柱脚节点处的劣化现象，并在护套区域（包括套筒部分）形成了密集的细小裂缝。所有预制试件的最终位移能力均达到整体式ECC试件的90%以上，其延性系数也提升了4.28%，达到27.43%。此外，这些预制试件的能量耗散能力为整体式ECC试件的96.18%至127.60%。简化方法预测的抗弯承载力与实验结果的误差在±15%范围内。这些发现首次阐明了ECC护套如何促进GS区域内的分布式微裂缝形成，这一机制主要得益于其对套筒引起的刚度不连续性的缓解以及变形兼容性的提升。所提出的计算方法为设计应用这种经过ECC护套增强的预制RC柱提供了有益指导。引言近年来，预制RC结构因其施工速度快、环境影响小以及可工厂化生产等优点而受到广泛关注[1]。然而，其在高强度地震区及复杂工程环境中的抗震性能仍是一个重要挑战。其中一个关键技术问题在于确保在不同荷载条件下预制构件之间能够实现有效的连接，因为这些连接直接影响结构的整体抗震表现[2,3]。在各种连接技术中——如预应力筋连接[4]、机械式钢筋拼接连接[5,6,7]、灌浆导管连接[8]、插口或套筒连接[9,10]以及湿接缝连接[11,12]——由于简单且受力传递机制清晰，灌浆套筒连接在预制混凝土柱中被广泛应用[13,14]。在典型的灌浆套筒连接中，钢筋被嵌入预先安装在混凝土构件中的套筒中，并通过高强度灌浆材料进行粘结[8]。不过，套筒区域不可避免地会改变局部刚度分布，这可能会在循环荷载作用下对预制柱的抗震性能和破坏模式产生不利影响[15]，例如在预制节点或套筒边缘出现应力集中和高度局部的损伤，甚至出现难以控制的塑性铰形成或塑性铰位置偏移。尽管设计合理的带灌浆套筒的预制RC柱（PRCC-GSs）可能具备与现浇RC柱相当的强度和延性[16,17]，但这些尚未解决的问题仍可能降低其变形能力或能量耗散能力。这些问题还会大大增加震后修复的难度，从而限制其在注重韧性工程应用中的使用[18,19]。近年来，高性能纤维增强水泥基材料，如ECC[20,21]和超高性能混凝土（UHPC）[22,23]，由于其出色的抗裂性和长期耐久性[24,25]，已成为提升结构性能的理想材料。其中，ECC材料因其应变硬化特性、多处微裂缝（拉伸应变能力为1–6%）以及优异的韧性[26,27,28]，在抗震应用中备受关注。先前的研究已证实，ECC能有效防止混凝土剥落、延缓钢筋屈曲，并保持结构完整性，因此非常适合用于加强RC构件的关键部位，如塑性铰[25]。然而，ECC的高材料成本限制了其全截面应用，这就促使人们考虑使用ECC护套来提升抗震性能并降低成本。为此，张等人[29]和李等人[30]通过实验研究了采用ECC护套增强的RC柱，发现带有ECC护套的柱子在塑性铰区域的滞回响应与全截面采用ECC的柱子相当，甚至更优。韩等人[31,32]则将ECC应用于钢-FRP复合筋加固的结构构件中，发现其承载能力和延性分别提升了87.7%和107.9%。此外，他们还开发了一种简单而准确的计算方法，通过合理考虑ECC的受拉和受压贡献来预测这类复合构件的承载能力。尽管如此，ECC在工程应用中仍面临一些实际难题，尤其是在现场浇筑过程中的质量控制以及与传统混凝土之间可靠界面性能的保障方面。将ECC与预制施工相结合，可以为确保可靠的浇筑质量和界面性能提供可行的解决方案。Mohebbi等人[10]通过实验研究了ECC在减轻塑性铰损伤方面的效果，发现带有ECC的预制套筒墩在塑性铰处损伤较小，且没有出现塑性铰位置偏移现象。徐等人[33]则对一种预制ECC-RC复合柱、普通预制RC柱以及现浇RC柱进行了循环加载试验，结果表明这两种预制柱的延性和承载能力与现浇RC柱相当。此外，预制ECC-RC复合柱的能源耗散能力和抗损伤能力也优于另外两种柱子。这些研究表明，在预制RC柱的潜在塑性铰区域引入ECC，可以显著提升其抗震性能，尤其是在延性、能量耗散和抗损伤能力方面。更重要的是，在套筒/节点附近设置ECC护套，可以直接针对PRCC-GSs系统应用中的核心问题。由于ECC护套的弹性模量相对较低，它能够缓解GSs引起的局部刚度不连续性，从而降低应力集中程度，提高GS区域的变形兼容性。同时，ECC的多处微裂缝特性有助于在PRCC-GSs系统中形成分布式损伤，进而提升其抗震韧性。此外，ECC护套的配置还可以在减少ECC使用量的同时提升系统的抗损伤能力和能量耗散能力，从而提高ECC的整体实用性。然而，关于带有ECC护套的试件的实验研究仍然较少，这阻碍了其更广泛的应用。尤其是预制ECC-RC复合柱中ECC护套的施工方法及其加固效果仍有待进一步明确。现有文献中还有两个关键问题尚未得到充分解决：（1）ECC护套的高度和厚度对裂缝发展、塑性铰形成机制以及滞回性能的影响；（2）目前尚缺乏用于预测这类复合柱抗弯承载力的简化设计方法。因此，本研究旨在通过系统的实验研究和理论分析来解决这些不足。具体而言：（1）提出了一种由ECC护套增强的新型PRCC-GSs结构，并明确了其施工优势；（2）通过准静态循环试验，研究了ECC护套的高度和厚度对裂缝发展、塑性铰形成、能量耗散能力、刚度退化以及应力分布的影响；（3）建立了用于预测这类复合柱抗弯承载力的简化方法，为相关工程设计应用提供理论支持。章节节选采用ECC护套增强带GSs的预制RC柱的概念所提出的带ECC护套的PRCC-GSs结构可通过两种实用的施工方式实现：（a）预制柱的整体分阶段浇筑；（b）预制柱的分段预制后再进行现场组装。这两种方式可根据不同的项目约束条件（如运输限制和现场条件）进行选择，同时仍能保证ECC材料及界面性能的可靠性。试验试件描述本研究共设计并制作了五根柱状试件，其中包括四根带有ECC护套的PRCC-GSs试件，以及一根作为参考的整体式ECC柱。实验方案旨在研究ECC护套的高度和厚度对所提出的PRCC-GSs系统抗震性能的影响。为确保直接可比性，所有试件均采用相同的几何尺寸设计。每根柱子的横截面均为正方形，其尺寸为……滞回曲线与骨架曲线试验试件的滞回曲线如图9所示。在初始加载阶段（位移：0–15毫米），滞回曲线呈现近乎线性的响应，表明处于弹性变形状态。随着位移的增加，逐步出现的裂缝和损伤积累导致了刚度下降。当纵向钢筋发生屈服后，滞回环会出现明显的收缩现象，且在较大位移时这种收缩更为明显，滞回环……复合柱抗弯承载力的简化计算方法及其核心应用原理GSs会在柱子高度方向上造成明显的刚度和强度不连续，因为套筒区域的强度远高于预制节点缝及套筒上缘[1]。这种不连续性会导致塑性铰向节点缝或套筒边缘偏移[15]。根据试验结果，节点区域的集中损伤主要发生在峰后加载阶段，而峰前阶段的响应则主要由ECC与混凝土之间的相互作用决定。结论本研究提出了一种由ECC护套增强的新型PRCC-GSs结构。通过准静态循环试验评估了其抗震性能，并开发了一种简化方法来预测这类复合柱的抗弯承载力。研究得出的结论如下：（1）ECC护套从根本上改变了PRCC-GSs的裂缝发展模式和损伤演化过程，进一步提升了其抗震性能。本研究首次揭示了……作者贡献说明丁梦佳：正式分析、研究、方法论、资源、软件、初稿撰写。徐伟兵：正式分析、资金获取、研究、方法论、审稿与编辑。王金：资金获取、研究、方法论、审稿与编辑。杜秀丽：研究、方法论、资源。郭庆创：方法论、资源、软件。王成：研究、方法论、资源。胡德岭：软件、验证、可视化。利益冲突声明作者声明自己不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。致谢本研究部分得到了国家自然科学基金（项目编号52108428、52178446、51978021、51908015）、北京市自然科学基金（项目编号8232001）以及中央高校基本科研业务费（项目编号2025MS069）的支持，特此表示衷心感谢。