裝配式混凝土結(jié)構(gòu)套筒灌漿連接偏差仿真

王 姝，廉瑞強(qiáng)，王初生

(1.重慶工程學(xué)院，重慶 400056；2.重慶工商大學(xué)，重慶 400000)

1 引言

為了令裝配式混凝土結(jié)構(gòu)整體具備一定的抗震性能與承載力[1-3]，套筒灌漿連接是當(dāng)前裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中使用最多的節(jié)點(diǎn)與接縫連接方式。然而，由于這種連接方式缺乏嚴(yán)格的施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范控制，套筒灌漿連接的質(zhì)量無(wú)法得到有效保證[4-6]。為保證預(yù)制套管與混凝土連接處的灌漿質(zhì)量，應(yīng)及時(shí)檢查預(yù)制套管與混凝土連接處的灌漿偏差灌漿，而套筒灌漿連接偏差的檢驗(yàn)需通過檢驗(yàn)套筒灌漿飽滿度高低實(shí)現(xiàn)。

壓電阻抗技術(shù)屬于一種全新的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)，廣泛應(yīng)用于混凝土強(qiáng)度發(fā)展、混凝土裂縫和螺栓松動(dòng)等領(lǐng)域。

基于以上分析，通過仿真研究裝配式混凝土結(jié)構(gòu)套筒灌漿連接偏差，運(yùn)用壓電阻抗技術(shù)實(shí)時(shí)采集所需檢驗(yàn)試件的相關(guān)信號(hào)數(shù)據(jù)，將收集的數(shù)據(jù)用于仿真分析，檢驗(yàn)出各試件的套筒灌漿飽滿度高低，以此對(duì)比出各試件套筒灌漿連接偏差的高低，為有效控制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)套筒灌漿連接質(zhì)量提供參考。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試件材料與制備

以A、B兩組試件為試驗(yàn)試件，其中A組試件通過套筒單獨(dú)制備而成，包含A1、A2兩個(gè)試件；B組試件則為套筒與素混凝土制備而成，包含B1、B2兩個(gè)試件。其中A組兩個(gè)試件的尺寸均為110mm×110mm×330mm，B組兩個(gè)試件的尺寸均為52mm×330mm，兩組各試件的縱向鋼筋均為HRB400強(qiáng)度等級(jí)的25mm直徑螺紋鋼，該螺紋鋼的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值為400Mpa。各試件的套筒表面處理步驟相同，以A組試件為例，其制備步驟為：因套筒外壁屬于圓弧面，而壓電片表面屬于平面，故應(yīng)先通過切割機(jī)于套筒外壁處切割出一個(gè)25mm×25mm平面尺寸且厚度為2.5mm的面，運(yùn)用所切割出的面在套筒外壁粘貼壓電片；制備試件的過程中，為有效防護(hù)粘貼好的壓電片，需在向套筒外壁粘貼好壓電片之后，將環(huán)氧樹脂膠涂布于壓電片表面；在環(huán)氧樹脂膠徹底干硬之后，在110mm×110mm×330mm的試模中居中放置好套筒，并在試模兩端分別加工一塊鋼板，鋼板的尺寸為110mm×110mm×11mm，在鋼板正中打開一個(gè)Φ25mm孔洞，采用25mm直徑螺紋鋼居中安置套筒于試模中；向試模內(nèi)澆筑攪拌后的C35素混凝土，放于振動(dòng)臺(tái)上6min振搗密實(shí)后，放置2d，拆模，于室內(nèi)常溫下養(yǎng)護(hù)脫模后試塊，每日澆一次水，待28d養(yǎng)護(hù)后成型，完成試件的制備。兩組試件的基本信息與壓電片布置位置詳見表1。

表1 各試件基本信息與壓電片布置位置詳情

兩組試件的灌漿飽滿度ρ設(shè)置為以每次25%體積的漿料由0%開始灌漿，同時(shí)對(duì)灌漿料流動(dòng)狀況下的壓電片電導(dǎo)信號(hào)進(jìn)行收集，然后繼續(xù)灌漿25%體積漿料并收集壓電片電導(dǎo)信號(hào)，繼續(xù)重復(fù)以上操作直至套筒灌滿為100%灌漿為止。灌漿時(shí)所用灌漿料為淄博三基建筑工程材料有限公司生產(chǎn)的SG-CGM型灌漿料，各試件所用套筒為江蘇同力金屬有限公司生產(chǎn)的JGJ107-2016型號(hào)。灌漿料與套筒均可滿足建筑行業(yè)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)需求，其中灌漿料的基礎(chǔ)性能符合《鋼筋連接用套筒灌漿料》(JG/T 408—2013)，套筒的基礎(chǔ)性能符合《鋼筋連接用灌漿套筒》(JG/T 398—2012)。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中運(yùn)用灌漿飽滿度ρ對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)套筒灌漿連接偏差進(jìn)行評(píng)估，即試驗(yàn)試件實(shí)際套筒灌漿飽滿度越高則代表該試件套筒灌漿連接偏差越低，反之則代表該試件套筒灌漿連接偏差越高[7-8]。

2.2.1 灌漿飽滿度工況控制

采用人工控制灌漿料體積的方式設(shè)置各種灌漿飽滿度工況。通過橡膠圈固定好試件的上下兩端鋼筋，同時(shí)將套筒底部封住，再選取200ml的注射器由試件頂部鋼筋插入口處將所需灌漿料注射到套筒腔內(nèi)。經(jīng)實(shí)測(cè)，所制備的試驗(yàn)試件套筒灌滿灌漿料的體積為190ml，因所設(shè)置的灌漿飽滿度ρ包括0%、25%、50%、75%及100%五種工況，故每次注入試件套筒腔內(nèi)的灌漿料體積為190×灌漿飽滿度ρ。

2.2.2 套筒灌漿飽滿度識(shí)別

套筒灌漿飽滿度對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能與受力性能有著直接的影響作用，故對(duì)于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)套筒灌漿連接的質(zhì)量而言，精準(zhǔn)識(shí)別套筒灌漿飽滿度缺陷可及時(shí)發(fā)現(xiàn)套筒灌漿連接偏差，對(duì)提升裝配式混凝土結(jié)構(gòu)套筒灌漿連接質(zhì)量有重要作用[8]。壓電阻抗技術(shù)屬于一種較為成熟的結(jié)構(gòu)健康識(shí)別技術(shù)，可對(duì)各類型結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)采集。然而在實(shí)際工程運(yùn)用當(dāng)中，不僅需對(duì)損壞數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)采集，而且需重點(diǎn)關(guān)注所采集數(shù)據(jù)的后期處理與損壞指標(biāo)的創(chuàng)建，以損壞指標(biāo)高低為依據(jù)評(píng)估識(shí)別損壞程度，按照評(píng)估識(shí)別結(jié)果修復(fù)損壞結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)中選用均方根(RMS)、均方根偏差(RMSD)及協(xié)方差(Cov)作為評(píng)估識(shí)別套筒灌漿飽滿度缺陷的指標(biāo)，各指標(biāo)運(yùn)算方式如下：

1)RMS：RMS是通過兩組數(shù)據(jù)平方后再開方而得到的比值，此兩組數(shù)據(jù)的差異性越低則此比值越接近1，運(yùn)算式為

(1)

式(1)中，所采集到的兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別為ai與bi，采集信號(hào)的點(diǎn)數(shù)以n表示。為了將RMS同灌漿飽滿度之間的關(guān)聯(lián)更清晰地展現(xiàn)，現(xiàn)定義Drms新指標(biāo)表達(dá)式為

(2)

式(2)中，若試件100%灌滿漿工況之下所采集到的電導(dǎo)信號(hào)以ai表示，而試件其它灌漿工況之下所采集到的電導(dǎo)信號(hào)以bi表示，那么針對(duì)同一個(gè)壓電片而言，Drms值越低則代表實(shí)際灌漿越飽滿，即套筒灌漿連接偏差越小；反之，若試件0%灌漿工況之下所采集到的電導(dǎo)信號(hào)以ai表示，而試件其它灌漿工況之下所采集到的電導(dǎo)信號(hào)以bi表示，則針對(duì)同一個(gè)壓電片而言，Drms值越低代表實(shí)際灌漿越不飽滿，即套筒灌漿連接偏差越大。

2)RMSD：兩組采集數(shù)據(jù)的相對(duì)變化程度可通過RMSD反映出，運(yùn)算式為

(3)

式(3)中，當(dāng)試件在0%灌漿工況下與其它灌漿工況下所采集的電導(dǎo)信號(hào)分別以ai與bi表示，則同一個(gè)壓電片的RMSD值越高，代表實(shí)際灌漿越飽滿，即套筒灌漿連接偏差越??；當(dāng)試件在100%灌漿工況下與其它灌漿工況下所采集的電導(dǎo)信號(hào)分別以ai與bi表示，則同一個(gè)壓電片的RMSD值越高，代表實(shí)際灌漿越不飽滿，即套筒灌漿連接偏差越大。

3)Cov：兩組采集數(shù)據(jù)的相關(guān)性大小可通過Cov反映出，Cov值越高則代表兩組采集數(shù)據(jù)的相關(guān)性越大，運(yùn)算式為

(4)

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)主要設(shè)備為由吉時(shí)利4200A-SCS型號(hào)精密阻抗分析儀、數(shù)據(jù)連接電纜及紹興俊吉能源科技有限公司生產(chǎn)的HyCT-03測(cè)試夾具所構(gòu)成的信號(hào)采集裝置，該裝置的最高測(cè)試電壓為1V，測(cè)試頻段在22Hz～5.2×106Hz之間；試驗(yàn)中所運(yùn)用的壓電片為Φ18×0.42的圓片，由東莞市聲暢電子科技有限公司提供，其機(jī)電耦合系數(shù)高于0.46，電容值為2.55nF。

3 仿真結(jié)果分析

采集到兩組試件在0%～100%不同灌漿工況下的壓電片電導(dǎo)信號(hào)，在此均以100%灌漿工況下的電導(dǎo)信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)ai，其它灌漿工況之下所采集到的電導(dǎo)信號(hào)為bi，對(duì)兩組各試件壓電片電導(dǎo)的Drms指標(biāo)值、RMSD指標(biāo)值及Cov指標(biāo)值依次進(jìn)行運(yùn)算，通過對(duì)比兩組試件壓電片在各種灌漿工況下三種指標(biāo)的變化情況，識(shí)別試件的實(shí)際套筒灌漿飽滿度，即各試件的套筒灌漿連接偏差情況。

3.1 Drms指標(biāo)值結(jié)果分析

運(yùn)用所采集的各試件壓電片電導(dǎo)信號(hào)，對(duì)A、B兩組試件壓電片電導(dǎo)Drms指標(biāo)值進(jìn)行運(yùn)算，所得運(yùn)算結(jié)果如表2所示。

表2 兩組試件壓電片電導(dǎo)Drms指標(biāo)值

通過表2可看出，在以各試件100%灌漿工況下所采集到的電導(dǎo)信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)的情況下，隨著灌漿飽滿度ρ的提升，各試件壓電片電導(dǎo)Drms值均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，因100%灌漿飽滿度ρ時(shí)各試件壓電片電導(dǎo)Drms值均為0，故以75%灌漿飽滿度ρ時(shí)各試件壓電片電導(dǎo)Drms值作為最終對(duì)比值，可得出各試件壓電片電導(dǎo)Drms值由高到低排序依次為A1—B2—A2—B1，由此可見，各試件中A1試件的壓電片電導(dǎo)Drms值最高，也就是其實(shí)際灌漿飽滿度最低，其套筒灌漿連接偏差最大；而B1試件的壓電片電導(dǎo)Drms值最低，即其實(shí)際灌漿飽滿度最高，其套筒灌漿連接偏差最小。

3.2 RMSD指標(biāo)值結(jié)果分析

繼續(xù)運(yùn)算獲取到A、B兩組各試件壓電片電導(dǎo)的RMSD指標(biāo)值，如圖1所示。

圖1 各試件壓電片電導(dǎo)RMSD指標(biāo)值對(duì)比

由圖1能夠得知，在同樣的基準(zhǔn)信號(hào)下，各試件壓電片電導(dǎo)RMSD值隨灌漿飽滿度ρ的提升均呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)，仍以75%灌漿飽滿度ρ時(shí)各試件壓電片電導(dǎo)RMSD值進(jìn)行對(duì)比，各試件壓電片電導(dǎo)RMSD值由高到低排序依次為A1、B2、A2、B1，說(shuō)明，A1試件與B1試件分別為壓電片電導(dǎo)RMSD值最高與最低試件，即A1試件實(shí)際灌漿最不飽滿，其套筒灌漿連接偏差最大，B1試件實(shí)際灌漿最為飽滿，其套筒灌漿連接偏差最小。

3.3 Cov指標(biāo)值結(jié)果分析

A、B兩組試件壓電片電導(dǎo)的Cov指標(biāo)值運(yùn)算結(jié)果詳見表3。

表3 各試件壓電片電導(dǎo)Cov指標(biāo)值(×10-11)

分析表3中數(shù)據(jù)可得出，在灌漿飽滿度ρ的提升過程中，各試件壓電片電導(dǎo)Cov值也隨之升高，其中B1試件在灌漿飽滿度ρ為100%時(shí)其壓電片電導(dǎo)Cov值最高，而A1試件此時(shí)的壓電片電導(dǎo)Cov值最低，由此說(shuō)明，B1試件的實(shí)際灌漿最飽滿，A1試件的實(shí)際灌漿最不飽滿，即B1試件套筒灌漿連接偏差最小，而A1試件套筒灌漿連接偏差最大。

綜合以上三組仿真結(jié)果可得出，A、B兩組四個(gè)試件中實(shí)際灌漿飽滿度最高的為B1試件，也就是B1試件為各試件中套筒灌漿連接偏差最低的試件，該試件套筒灌漿連接質(zhì)量最高。

4 結(jié)論

1)運(yùn)用壓電阻抗技術(shù)采集各組試件壓電片不同灌漿工況下的電導(dǎo)信號(hào)，運(yùn)用所采集電導(dǎo)信號(hào)數(shù)據(jù)運(yùn)算出各試件壓電片電導(dǎo)的Drms指標(biāo)值、RMSD指標(biāo)值與Cov指標(biāo)值，依據(jù)運(yùn)算結(jié)果分析得知，A組的A1試件實(shí)際灌漿飽滿度最低，其套筒灌漿連接偏差最大，而B組的B1試件實(shí)際灌漿飽滿度最高，其套筒灌漿連接偏差最小。通過仿真可初步檢驗(yàn)出裝配式混凝土結(jié)構(gòu)套筒灌漿連接偏差。

2)在以后的研究中，會(huì)以不同灌漿工況下所采集的電導(dǎo)信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)，繼續(xù)檢驗(yàn)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)套筒灌漿連接偏差，為精準(zhǔn)把控裝配式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。