組合方形灌漿套筒連接性能試驗(yàn)

戴紹斌，鄭小林，黃 俊，李玉博，劉 軒

(1.武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引 言

自20世紀(jì)60年代末Yee發(fā)明灌漿套筒連接以來(lái)，眾多學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究工作，開(kāi)發(fā)了各種形式的灌漿套筒。灌漿套筒接頭的受拉性能由鋼筋-灌漿料-套筒之間的黏結(jié)強(qiáng)度決定。已有的試驗(yàn)研究表明，約束灌漿料的劈裂變形能有效提高鋼筋與灌漿料之間的黏結(jié)強(qiáng)度[1-2]。鋼筋套筒灌漿連接正是建立在這一原理之上，通過(guò)合理的套筒形式對(duì)填充灌漿料進(jìn)行約束，從而增加鋼筋黏結(jié)強(qiáng)度，減少錨固長(zhǎng)度，以達(dá)到便于應(yīng)用的目的。各學(xué)者都在致力于用各種方法來(lái)增強(qiáng)這三者之間的黏結(jié)強(qiáng)度，方法基本為在套筒內(nèi)壁增加剪切鍵，有車削螺紋、內(nèi)壁凸起、套筒端部束口，也有采用螺旋箍筋約束等。Ling等[3-5]通過(guò)試驗(yàn)研究了采用不同約束構(gòu)造方式設(shè)計(jì)制作的6類灌漿套筒，并對(duì)THS和WBS兩種類型套筒連接的性能進(jìn)行了對(duì)比，相比WBS中由肋產(chǎn)生的非均勻約束應(yīng)力，由THS斜套筒壁產(chǎn)生的均勻約束應(yīng)力的約束效果要比WBS好。Einea等[6]將4根小直徑鋼筋嵌入光圓鋼管內(nèi)，再輔以不同的端口約束形式設(shè)計(jì)并制作了4種不同形式的灌漿套筒，通過(guò)對(duì)灌漿套筒接頭試件進(jìn)行軸向拉伸試驗(yàn)，得出在合適的約束條件下錨固長(zhǎng)度可以減少到7倍直徑。Rahman等[7]采用2個(gè)鋼板插入并焊接到矩形鋼管的2個(gè)端部，以鋼板作為剪切鍵增強(qiáng)套筒與灌漿料之間的黏結(jié)強(qiáng)度，以此制作了9個(gè)灌漿套筒接頭試件，在軸向拉伸作用下研究了灌漿強(qiáng)度、主筋埋置長(zhǎng)度和套管尺寸對(duì)該矩形套筒連接性能的影響。最后建議200 mm的錨固長(zhǎng)度，這明顯高于現(xiàn)有一般套筒的錨固長(zhǎng)度；造成這一現(xiàn)象的主要原因是以鋼板作為剪切件高度過(guò)高，破壞灌漿料的整體性，且非均勻布置的剪切件導(dǎo)致受力不均勻。Rahman等[8]在螺旋箍筋內(nèi)側(cè)焊4根鋼筋，并以此進(jìn)行了對(duì)接灌漿接頭拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)表明焊接鋼筋和螺旋箍筋的存在能顯著增加黏結(jié)強(qiáng)度，螺旋箍筋作為一個(gè)重要的約束條件對(duì)灌漿料進(jìn)行約束，焊接鋼筋作為一個(gè)重要的橋連機(jī)制來(lái)抵抗拉力。同時(shí)發(fā)現(xiàn)減小螺旋箍筋的間距對(duì)增加黏結(jié)強(qiáng)度作用不大，提供最大的黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)螺旋箍筋的間距約為25 mm。鄭永峰等[9-11]采用普通無(wú)縫鋼管通過(guò)冷滾壓工藝加工而成一種新型套筒，通過(guò)單向拉伸試驗(yàn)研究其約束機(jī)理，發(fā)現(xiàn)套筒變形段內(nèi)壁環(huán)肋相互擠壓的徑向分力能有效地限制灌漿料的劈裂變形，對(duì)灌漿料起到良好的約束作用。隨后各類型套筒已經(jīng)商業(yè)化，所有權(quán)問(wèn)題再加上復(fù)雜的加工工藝造成目前市面上使用的套筒價(jià)格始終居高不下，這是影響裝配式建筑成本的因素之一。因此，找到一種有自己版權(quán)且適合一定使用條件的廉價(jià)套筒成為現(xiàn)階段的任務(wù)之一。本文提出了組合方形灌漿套筒(Composite Square Grout-filled Pipe Splice,CSGPS)，該套筒只需要簡(jiǎn)單的切割焊接，極大地簡(jiǎn)化了加工方法，加工的原材料普遍且容易獲得，故能極大地控制成本，便于推廣。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 組合方形灌漿套筒

圖2 試件幾何尺寸及構(gòu)造

1.2 材料性能

用于試件制作的鋼管實(shí)測(cè)強(qiáng)度如表2所示。采用HRB400級(jí)鋼筋加工連接鋼筋及焊接鋼筋，螺旋箍筋采用3 mm線徑彈簧鋼，實(shí)測(cè)強(qiáng)度見(jiàn)表3。灌漿料采用無(wú)收縮高性能灌漿料，水料比取0.125，試塊尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，待脫模后移入標(biāo)養(yǎng)室，經(jīng)過(guò)28 d養(yǎng)護(hù)后測(cè)定抗壓強(qiáng)度。實(shí)測(cè)強(qiáng)度如表4所示。

1.3 試驗(yàn)裝置及測(cè)量?jī)?nèi)容

在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(最大量程為500 kN)上做單向拉伸試驗(yàn)，如圖3所示，加載速率為2 MPa·s-1,當(dāng)鋼筋斷裂或者從灌漿料中拔出時(shí)停止試驗(yàn)，通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)自帶記錄荷載以及位移的功能獲得各個(gè)試件的荷載-位移曲線，另選取部分試件，在套筒一側(cè)表面粘貼環(huán)向及軸向應(yīng)變片；通過(guò)測(cè)量套筒表面的應(yīng)變及荷載-位移曲線研究接頭的性能。

表1 試件參數(shù)

表2 方形鋼管材料性能

表3 連接鋼筋材料性能

表4 高強(qiáng)水泥基灌漿料材料性能

圖3 試驗(yàn)加載裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 破壞形態(tài)

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中只出現(xiàn)1種破壞形態(tài)，即斷裂破壞。對(duì)于套筒內(nèi)部沒(méi)有螺旋箍筋的試件，有的發(fā)出輕微的破裂聲，那是灌漿料裂開(kāi)的聲音，隨著荷載的增加，慢慢趨于穩(wěn)定，不再聽(tīng)到這種聲音；對(duì)于套筒內(nèi)部有彈簧的試件，整體性較好，在整個(gè)試驗(yàn)階段無(wú)此現(xiàn)象。隨著荷載繼續(xù)增加，明顯看到有鋼筋頸縮現(xiàn)象，隨后發(fā)出一聲巨響，鋼筋斷裂，套筒端部灌漿料因鋼筋斷裂瞬間產(chǎn)生的應(yīng)力波作用而脫落，出現(xiàn)錐形破壞,如圖4所示。

圖4 試件破壞形態(tài)

接頭抗拉強(qiáng)度與連接鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的比值均大于1.10，符合《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》[12]中對(duì)Ⅰ級(jí)接頭強(qiáng)度的要求；主要試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。由于所有接頭都是斷于鋼筋，這表明黏結(jié)強(qiáng)度充足；但是由于錨固長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，黏結(jié)強(qiáng)度發(fā)展不充分，根據(jù)公式τ=fu/(πdla)計(jì)算的平均黏結(jié)強(qiáng)度τ并不能代表真實(shí)的黏結(jié)強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果要比實(shí)際的黏結(jié)強(qiáng)度小，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 主要試驗(yàn)結(jié)果

注：fy為屈服荷載；fu為極限荷載；fiu為峰值荷載對(duì)應(yīng)的試件抗拉強(qiáng)度；fbyk為連接鋼筋屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；fbuk為連接鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

2.2 荷載-位移曲線

試件的荷載-位移曲線如圖5所示，斷裂破壞試件的荷載-位移曲線形狀與鋼筋軸拉試驗(yàn)荷載-位移曲線相似。首先是荷載上升階段，材料處于彈性階段，荷載-位移曲線近似呈直線；隨著荷載增加，在套筒中肋前灌漿料開(kāi)始被壓碎，微小裂縫產(chǎn)生。第2段為水平段，鋼筋屈服。在第3段隨著位移的增加，荷載也不斷上升，但較平緩，類似于單根鋼筋軸向拉伸的強(qiáng)化階段。此時(shí)橫肋前灌漿料擠壓充分，不斷被壓碎并且范圍持續(xù)擴(kuò)大，裂縫得到充分開(kāi)展并始終處于套筒的有效約束中。當(dāng)?shù)竭_(dá)某個(gè)點(diǎn)后，位移繼續(xù)增加，荷載卻急劇下降，隨著一聲巨響，接頭外鋼筋被拉斷，整個(gè)過(guò)程類似于單根鋼筋單向拉伸破壞形態(tài)。對(duì)增加螺旋箍筋的方形組合套筒灌漿接頭試件，荷載-位移曲線在形狀上與未配置螺旋箍筋試件相似，但是承載力明顯高于未配置螺旋箍筋的試件，如圖5(c)所示；通過(guò)對(duì)比2類套筒彈性階段的荷載-位移曲線可以看出，帶螺旋箍筋的接頭試件剛度有所提升，如圖5(d)所示,造成這種現(xiàn)象的原因是螺旋箍筋增加了對(duì)灌漿料的約束，使得接頭的整體性更好。同時(shí)可以看出配置螺旋箍筋試件的極限位移明顯較未配置螺旋箍筋試件的極限位移小，減小程度達(dá)15%，表明通過(guò)配置螺旋箍筋提高對(duì)灌漿料的約束以增強(qiáng)試件的整體剛度是切實(shí)可行的。

圖5 試件荷載-位移曲線

2.3 套筒應(yīng)變分布規(guī)律

圖6 試件S-315-12荷載-套筒環(huán)向應(yīng)變曲線

圖7 試件S-315-12荷載-套筒軸向應(yīng)變曲線

分析試件S-315-12的表面應(yīng)變，圖6為不同荷載N下沿套筒表面長(zhǎng)度方向的環(huán)向應(yīng)變分布，圖7為不同荷載N下沿套筒表面長(zhǎng)度方向的軸向應(yīng)變分布。通過(guò)應(yīng)變值可知軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變分別為拉應(yīng)變和壓應(yīng)變，統(tǒng)一表現(xiàn)出沿套筒中線呈對(duì)稱的趨勢(shì)，峰值點(diǎn)出現(xiàn)在套筒中點(diǎn)，中點(diǎn)兩側(cè)逐漸減?。磺€基本都呈線性變化關(guān)系，沒(méi)有明顯的轉(zhuǎn)折或由拉轉(zhuǎn)壓的趨勢(shì)，不會(huì)出現(xiàn)類似變形套筒受拉之后在變形段部分應(yīng)變復(fù)雜的現(xiàn)象，也從側(cè)面反映該套筒傳力簡(jiǎn)單明確，這是截面完整帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，為套筒的應(yīng)用提供了保證。通過(guò)對(duì)比方形鋼管與現(xiàn)有的其他類型套筒表面的應(yīng)變值大小發(fā)現(xiàn)，方形鋼管表面的應(yīng)變較其他類型套筒小，這主要是因?yàn)榻M合套筒中嵌入的焊接鋼筋參與受拉，分擔(dān)了傳過(guò)來(lái)的部分拉力。

3 組合灌漿套筒連接工作機(jī)理

套筒灌漿連接、插入式預(yù)留孔箍筋約束灌漿搭接連接[13]以及套筒約束漿錨搭接連接[14]是目前應(yīng)用于裝配式建筑中鋼筋連接主要的3類濕連接方式，其中第1類連接方式是通過(guò)鋼筋-灌漿料-套筒之間的黏結(jié)實(shí)現(xiàn)力的傳遞，鋼筋受力后通過(guò)灌漿料與鋼筋之間的黏結(jié)力傳遞給套筒，然后通過(guò)套筒反向傳給另一端鋼筋，因此對(duì)套筒本身的材料性能要求較高。插入式預(yù)留孔箍筋約束灌漿搭接連接搭接長(zhǎng)度通常較大，而預(yù)留孔直徑一般較小，鋼筋不易對(duì)位插入，無(wú)疑增加了施工難度。結(jié)合前2類連接方式，有學(xué)者提出了套筒約束漿錨搭接連接[14]，通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)研究了該連接方式的破壞機(jī)理及受力特點(diǎn)，接頭受拉后，通過(guò)灌漿料直接將一部分拉力傳遞給另一端鋼筋，再通過(guò)套筒將另一部分拉力傳遞給鋼筋，正是由于這樣的機(jī)理，該連接方式對(duì)套筒本身的要求不高，可以采用普通鋼制作套筒。

結(jié)合之前的研究，對(duì)于本文提出的組合方形套筒，通過(guò)方形鋼管四角的鋼筋參與受拉，改變了之前由套筒本身單一受拉的傳力方式。接頭受拉后，拉力從一端鋼筋傳遞給灌漿料，再通過(guò)灌漿料傳遞給焊接鋼筋和方形鋼管，焊接鋼筋和方形鋼管同時(shí)參與受拉，再通過(guò)灌漿料傳遞給另一端鋼筋(圖8)，改善了傳力方式，降低了對(duì)制作套筒本身的材料要求。值得注意的是，根據(jù)《鋼筋連接用灌漿套筒》(JG/T 398—2012)[15]中規(guī)定的套筒材料機(jī)械性能:屈服強(qiáng)度f(wàn)y≥355 MPa，抗拉強(qiáng)度f(wàn)u≥600 MPa，有人認(rèn)為該要求太過(guò)苛刻。鄭永鋒等[9-11]利用市場(chǎng)上現(xiàn)有并常用的低合金無(wú)縫鋼管(Q345與Q390)冷滾壓而成的新型變形灌漿套筒亦無(wú)法滿足該要求，所以通過(guò)尋找新型傳力方式的套筒結(jié)構(gòu)形式以降低套筒本身材料限制的思路是可行的。此外，由于該套筒是由各部分焊接組合而成，內(nèi)腔沒(méi)有車削、冷壓造成的螺紋或凸起，整個(gè)截面完整，沒(méi)有薄弱部位。

圖8 組合灌漿套筒傳力機(jī)制

當(dāng)接頭受拉時(shí)，套筒是一個(gè)有效的的約束條件，由楔入鋼筋造成的灌漿料劈裂變形受到套筒的約束。取一個(gè)肋間距范圍內(nèi)的灌漿料，灌漿料受到的作用力有鋼筋對(duì)灌漿料的擠壓應(yīng)力P、滑移面上的摩擦應(yīng)力μp，如圖9所示(β為滑移面切向與鋼筋縱向的夾角)；將P和μp分別沿縱向和徑向分解，二者的縱向分量之和形成黏結(jié)應(yīng)力τ，徑向分力即為內(nèi)壓力δp[16]。

圖9 鋼筋-灌漿料作用機(jī)制

組合方形灌漿套筒內(nèi)嵌的焊接鋼筋橫肋-灌漿料之間存在較大的機(jī)械咬合作用，且連接鋼筋與灌漿料之間的接觸面積遠(yuǎn)小于組合方形套筒內(nèi)腔與灌漿料之間的接觸面積，所以套筒-灌漿料之間的黏結(jié)破壞在本試驗(yàn)中不起控制作用。組合套筒約束了灌漿料的劈裂變形，能明顯提高鋼筋與灌漿料之間的黏結(jié)強(qiáng)度[1-2]，黏結(jié)破壞模式將轉(zhuǎn)為拔出或斷裂破壞。通過(guò)對(duì)比試件S-315-16與S-315-16-t，帶螺旋箍筋接頭的剛度有所增加，滑移明顯減小，套筒中螺旋箍筋對(duì)進(jìn)一步約束灌漿料，增加黏結(jié)強(qiáng)度，提高接頭整體性有明顯作用，最終能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的破壞[17-23]，組合套筒約束示意見(jiàn)圖10(a),(b)。箍筋的作用能有效改善Ling等[3-5]提到的非均勻約束問(wèn)題，在環(huán)向箍筋的作用下，這種不均勻的約束將通過(guò)箍筋均勻地?cái)U(kuò)散到灌漿料中去，提供更為合理的約束[24]。

圖10 組合灌漿套筒約束示意圖

由于該組合套筒沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何的車削或冷加工，保證了截面的完整性，沿套筒長(zhǎng)度方向每個(gè)截面都沒(méi)有變化，造成套筒表面軸向應(yīng)變皆為拉應(yīng)變；受泊松效應(yīng)的作用，所有截面的環(huán)向應(yīng)變皆為壓應(yīng)變，不會(huì)出現(xiàn)由壓轉(zhuǎn)拉的現(xiàn)象，從而有利于在反復(fù)拉壓作用下的后期性能。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)鋼筋錨固長(zhǎng)度為7.5d時(shí)，組合灌漿套筒接頭的抗拉強(qiáng)度與鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值之比大于1.1，表現(xiàn)出良好的承載力。

(2)套筒內(nèi)腔構(gòu)造形式將影響接頭的傳力機(jī)制、應(yīng)變分布以及約束機(jī)理，套筒內(nèi)壁與灌漿料之間的黏結(jié)主要取決于內(nèi)壁焊接鋼筋與灌漿料之間的作用；由于組合套筒內(nèi)腔沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何形式的外加工，截面完整，所以沿套筒長(zhǎng)度方向的軸向和徑向應(yīng)變均勻分布，與其他變形套筒表面的應(yīng)變有很大區(qū)別。

(3)螺旋箍筋能明顯增強(qiáng)對(duì)灌漿料的約束作用，從而提高接頭的整體剛度，建議應(yīng)用配置螺旋箍筋的組合套筒即B類套筒。

(4)當(dāng)錨固長(zhǎng)度為7.5d時(shí)，接頭斷于鋼筋，此時(shí)計(jì)算出來(lái)的黏結(jié)應(yīng)力小于極限黏結(jié)應(yīng)力，可以進(jìn)一步減少錨固長(zhǎng)度或者增加待連接鋼筋的直徑以便研究其極限黏結(jié)強(qiáng)度，并確定其合適的錨固長(zhǎng)度。