大型料場裝配式軌道平臺間隔布置灌漿波紋管連接抗拔力研究

曹 振，李 滿，王春雨（.五冶集團上海有限公司，上海 0900；.上海濟光職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 090；.中國五冶集團有限公司上海分公司，上海 0900）

0 引 言

裝配式具有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、預(yù)制化生產(chǎn)、裝配化施工的特點，可明顯減少現(xiàn)場施工時間，增加施工安全性，減少環(huán)境污染，近年來獲得了長足發(fā)展。不同構(gòu)件之間的連接是預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)快速施工和保證質(zhì)量的關(guān)鍵。根據(jù)JGJ 1—2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱“《規(guī)程》”），鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件之間鋼筋的連接方式有套筒灌漿連接、漿錨搭接連接和焊接連接，其中漿錨搭接是將鋼筋插入預(yù)制混凝土構(gòu)件預(yù)留的孔道中，并在孔道灌注水泥基灌漿料，從而實現(xiàn)鋼筋搭接。該技術(shù)的關(guān)鍵包括孔洞內(nèi)壁的構(gòu)造及其成孔技術(shù)、灌漿料的質(zhì)量以及約束鋼筋的配置方法等各個方面。鑒于我國目前對鋼筋漿錨搭接連接接頭尚無統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此《規(guī)程》第6.5.4條提出較為嚴格的要求：使用前對預(yù)留孔成孔工藝、孔道形狀及長度、構(gòu)造要求、灌漿料和被連接鋼筋，進行試驗驗證，并且直接承受動力荷載構(gòu)件的縱向鋼筋不應(yīng)采用漿錨搭接連接。

在橋梁工程中，與漿錨搭接技術(shù)具有相似性的灌漿波紋管連接方式在橋梁預(yù)制裝配式施工中獲得廣泛應(yīng)用，如上海市滬崇高速在立柱和蓋梁的連接節(jié)點中采用了此方法。灌漿波紋管連接構(gòu)造常用于橋梁工程中墩身與承臺或墩身與蓋梁的連接，該方式為橋墩預(yù)埋受力鋼筋插入蓋梁或承臺的預(yù)埋波紋鋼管內(nèi)并壓注水泥基灌漿料的鋼筋連接方式，在墩身與蓋梁或承臺之間的接觸面往往采用砂漿墊層。該方法現(xiàn)場施工時間短，但需要滿足縱筋足夠的錨固長度，其力學(xué)性能與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土橋墩類似。葛繼平等[1]采用水平單向和雙向擬靜力試驗對比分析了金屬波紋管階段拼裝橋墩和整體現(xiàn)澆橋墩抗震性能的差異，結(jié)果表明在橋墩塑性鉸區(qū)縱筋表現(xiàn)為拉斷破壞，而不是從金屬波紋管中拔出，說明灌漿波紋管連接可靠；賈俊峰等[2]在采用灌漿波紋管錨固鋼筋連接技術(shù)的預(yù)制拼裝墩柱頂部施加水平往復(fù)荷載直至抗側(cè)力承載能力失效，承臺預(yù)埋波紋管內(nèi)鋼筋與高強灌漿料之間均未發(fā)生黏結(jié)滑移失效。JTG/T 3365－05－2022《公路裝配式混凝土橋梁設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱“《規(guī)范》”）對灌漿波紋管連接作出了詳細的規(guī)定，說明該技術(shù)有較廣闊的應(yīng)用價值。

灌漿波紋管錨固連接直接由金屬波紋管形成孔洞，與漿錨搭接相比能夠可靠地確定孔洞的形狀、長度等特征，具有較高的可靠性，已成熟應(yīng)用在橋梁工程上，但是在工業(yè)建筑上尚未獲得使用，且《規(guī)程》對此尚無規(guī)定。一些工業(yè)建筑構(gòu)造型式和承受荷載與橋梁具有相似性，灌漿波紋管錨固連接用在此類工業(yè)建筑上是否合適值得研究。某鋼鐵企業(yè)新建大型料場軌道平臺工程（以下簡稱“工程”）擬采用裝配式結(jié)構(gòu)，其連接方式擬采用灌漿波紋管連接。本文采用Abaqus有限元軟件對工程采用的灌漿波紋管錨固連接的抗拔承載力進行模擬計算研究。

1 工程概況

工程中隔墻頂部卸料車軌道平臺立柱及蓋梁構(gòu)造，如圖1（a）、圖1（b）所示。立柱與隔墻連接，蓋梁與立柱連接，蓋梁上設(shè)置縱梁，縱梁上設(shè)置面板。立柱鋼筋，縱筋為直徑28 mm的HRB400鋼筋，箍筋為直徑10 mm的HPB300鋼筋，縱筋間距為80 mm。立柱鋼筋布置，如圖1（c）所示。立柱混凝土采用C30混凝土。為加快施工進度，縮短工期，擬對卸料車平臺采用裝配式施工。蓋梁與立柱、立柱與中隔墻的連接擬采用灌漿波紋管錨固連接，需進一步確定波紋管尺寸與鋼筋錨固長度。

圖1 軌道平臺構(gòu)造示意圖

2 波紋管連接設(shè)計方案

黃遠等[3]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，錨固長度為鋼筋直徑d的1～5倍時，在沒有波紋管約束的情況下，破壞模式以鋼筋屈服前拔出破壞和屈服后拔出破壞為主，即產(chǎn)生鋼筋滑移破壞。柳家為等[4]在研究鋼筋與波紋管約束灌漿料間的黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系時，試驗研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)波紋管內(nèi)徑D與鋼筋直徑d的孔徑比D/d為3.04時，極限黏結(jié)強度取得較大值，錨固性能表現(xiàn)最佳；錨固長度為3d～5d時，鋼筋滑移破壞，未出現(xiàn)波紋管滑移或混凝土開裂等現(xiàn)象。石棚等[5]研究鋼筋插入式波紋管漿錨連接的錨固性能及受力機理，用有限元法進行了單軸拉伸模擬研究。研究結(jié)果表明：錨固長度為7倍鋼筋直徑的接頭破壞模式為鋼筋拔出破壞，錨固長度為10倍鋼筋直徑的接頭破壞模式均為鋼筋拉斷破壞。王浩等[6]在研究鋼筋-金屬波紋管灌漿連接的錨固性能及其影響因素時，分析了鋼筋錨固長度、孔徑比和螺旋箍筋約束等因素對鋼筋黏結(jié)剛度和黏結(jié)滑移量的影響，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔徑比D/d=2.52～3.50且錨固長度≥10d時，試件破壞形式均為鋼筋拉斷。當(dāng)鋼筋直徑≤25 mm時，建議錨固長度la取10d～15d，孔徑比D/d取2.5～3.5。

帶肋鋼筋和灌漿料之間黏結(jié)力化學(xué)膠結(jié)力很小，加載初期就被克服，黏結(jié)力主要由摩擦力和機械咬合力提供?？讖奖菵/d較小時，灌漿層較薄，在鋼筋徑向分力作用下易受拉開裂，易發(fā)生鋼筋拔出破壞?？讖奖冗^大時，金屬波紋管對核心區(qū)灌漿料的約束作用減弱，鋼筋與灌漿料的黏結(jié)剛度也會降低。在荷載作用下，鋼筋月牙肋會對灌漿料產(chǎn)生斜向壓力，軸向分力使灌漿料受剪，徑向分力使灌漿料受拉，灌漿料產(chǎn)生膨脹。合適的孔徑比能夠使金屬波紋管產(chǎn)生環(huán)向約束作用，能夠有效抑制灌漿料的變形和裂縫的發(fā)展，增強鋼筋和灌漿料間的摩擦和機械咬合作用，使極限黏結(jié)強度增大。

綜上所述，為保證灌漿料的約束性及灌漿料與鋼筋的黏結(jié)，波紋管內(nèi)徑及錨固長度需達到一定的要求。《規(guī)范》第6.2.4條規(guī)定：波紋鋼管的長度不應(yīng)小于24倍鋼筋直徑（24d），波紋鋼管內(nèi)徑不宜小于d＋40 mm，壁厚不應(yīng)小于2 mm，波紋鋼管的波高不宜小于3 mm，波紋鋼管的波距不宜大于32 mm。波紋鋼管間的凈距不應(yīng)小于波紋鋼管外徑，且不應(yīng)小于50 mm。

工程波紋管內(nèi)徑取70 mm，波紋管采用Q235鋼。由于立柱縱筋直徑d為28 mm，間距為80 mm，如果波紋管都布置在中隔墻和蓋梁上，則波紋管凈距為10 mm，不能滿足《規(guī)范》要求，且波紋管凈距過小時容易造成混凝土開裂。為滿足波紋鋼管凈距要求，提出波紋管間隔布置的方案（如圖2所示），即在立柱上隔1根鋼筋布置1個波紋管，蓋梁上對應(yīng)立柱預(yù)留鋼筋位置設(shè)置波紋管，對應(yīng)立柱波紋管位置預(yù)留鋼筋，立柱與中隔墻同理。蓋梁內(nèi)波紋管在蓋梁內(nèi)貫穿，立柱和中隔墻內(nèi)波紋管錨固長度取20d。實際施工中需要通過砂漿填充層的厚度和調(diào)平墊塊（如圖3所示）調(diào)整預(yù)制構(gòu)件的高度和平整度，同時考慮預(yù)制構(gòu)件受力要求，砂漿填充層厚度不能過大。《規(guī)范》第6.2.2條規(guī)定，預(yù)制拼裝橋墩中立柱與承臺或立柱與蓋梁之間的拼裝接縫砂漿墊層厚度宜為10～30 mm。

圖2 波紋管間隔布置示意圖

圖3 砂漿墊層與調(diào)平墊塊示意圖

3 設(shè)計方案抗拔力計算

本方案波紋管采用間隔布置。此種布置方式未見有相關(guān)研究，現(xiàn)采用Abaqus有限元軟件對該方案的抗拔承載能力進行模擬計算。

建立柱體的1/4模型，如圖4所示。立柱采用C30混凝土，灌漿體抗壓強度為80 MPa，均采用混凝土損傷塑性本構(gòu)模型模擬材料特性，模型中采用實體單元C3D8R。豎向鋼筋為HRB400，采用延性損傷本構(gòu)模型，能夠模擬鋼筋斷裂，單元類型為實體單元C3D8R；箍筋采用理想彈塑性模型，Truss單元。波紋管為Q235鋼，采用理想彈塑性模型，Shell單元。根據(jù)文獻，錨固長度為20倍鋼筋直徑時，鋼筋拉斷，不必再考慮滑移，所以模型中不再考慮鋼筋與混凝土和鋼筋與灌漿體之間的滑移，鋼筋和灌漿體、灌漿體與波紋管、波紋管與混凝土、鋼筋和混凝土之間均采用Tie約束，模擬各個部件之間良好的黏結(jié)性能。箍筋與混凝土采用Embedded約束。預(yù)埋鋼筋下部與C30彈性體材料連接，模擬縱向鋼筋的約束作用。在鋼筋頂部均施加位移邊界條件，各鋼筋位移一致，采用Abaqus/Explicit模塊進行計算。

圖4 有限元模型

計算完成后，提取鋼筋頂端反力與位移關(guān)系（如圖5所示）。在鋼筋頂端位移達到0.5 mm時，反力出現(xiàn)波動，這是由于立柱混凝土出現(xiàn)水平裂縫（如圖6所示）導(dǎo)致的，此時預(yù)埋鋼筋處混凝土淺表也產(chǎn)生受拉損傷。隨著位移進一步增長，鋼筋端部反力也繼續(xù)線性增加，當(dāng)位移達到2.2 mm時，鋼筋端部反力達到240 kN，之后鋼筋進入塑性狀態(tài)。

圖5 鋼筋端部位移-反力曲線

在位移達到2.2 mm時，柱體受拉開裂范圍進一步擴大，出現(xiàn)更多的水平裂縫，同時預(yù)埋鋼筋周圍混凝土達到極限損傷的范圍進一步擴大。此時灌漿體的損傷程度要小于柱體混凝土的損傷程度，如圖7所示。這說明間隔布置型式的灌漿波紋管錨固連接強度由柱體混凝土和鋼筋的強度決定，破壞不會首先從波紋管-灌漿體-鋼筋組成的體系中產(chǎn)生，從而保證抗拔承載能力滿足要求。

圖7 位移2.2 mm時損傷分布圖

4 結(jié) 語

灌漿波紋管錨固連接已經(jīng)在橋梁工程中獲得成熟應(yīng)用，該技術(shù)應(yīng)用在與橋梁工程結(jié)構(gòu)和荷載相似的工業(yè)建筑上值得研究。波紋管內(nèi)徑和鋼筋直徑取合適比例時，波紋管對高強灌漿體起到縱向約束的作用，從而會提高鋼筋與灌漿體的黏結(jié)力。在縱向鋼筋間距較小時，為采用合適內(nèi)徑的波紋管，則波紋管之間的凈距難以滿足要求，此時可采用間隔布置波紋管間隔的型式滿足凈距要求。通過有限元模擬分析發(fā)現(xiàn)，采用此種布置形式時，錨固長度和孔徑比滿足要求時，不會產(chǎn)生鋼筋拔出破壞，錨固連接強度由柱體混凝土和鋼筋強度決定，從而保證該連接方式的抗拔承載能力。由于數(shù)值計算的局限性，該種連接方式需要進一步的試驗研究，并應(yīng)進行抗水平力和抗震性能的研究。