裝配式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點半灌漿套筒連接性能試驗與分析

夏 落，王金貴

（1.青建國際集團有限公司，山東 青島 266000；2.青島地鐵海城置業(yè)有限公司，山東 青島 266000）

在現(xiàn)代建筑領(lǐng)域，裝配式建筑結(jié)構(gòu)因其高效、可控的優(yōu)勢，成為當(dāng)今建筑發(fā)展的重要方向之一。在預(yù)制結(jié)構(gòu)件的現(xiàn)場連接中，半灌漿套筒作為常用的連接方式之一，其連接性能對整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性至關(guān)重要[1]。本研究針對裝配式建筑結(jié)構(gòu)中半灌漿套筒的連接問題，提出一種新型的半灌漿套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過在傳統(tǒng)半灌漿套筒結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加錨固板，并對灌漿料配比進(jìn)行優(yōu)化，提高鋼筋與灌漿料之間的機械咬合力，進(jìn)而提升連接性能。最后通過拉伸試驗評價新型半灌漿套筒的力學(xué)性能。以期通過本研究相關(guān)研究和分析，為提升裝配式建筑結(jié)構(gòu)的連接質(zhì)量提供有力支撐，并能進(jìn)一步推動裝配式建筑技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新。

1 案例概況

某裝配式商業(yè)綜合體項目，占地面積為5萬 m2，總建筑面積為15萬 m2。該商業(yè)綜合體集購物中心、寫字樓和酒店等商業(yè)功能于一體。為響應(yīng)節(jié)能減排、綠色施工理念，采用裝配式建筑結(jié)構(gòu)，注重現(xiàn)代感和獨特性，為城市帶來新的視覺亮點。項目計劃實現(xiàn)80%的裝配率，充分利用工廠預(yù)制和現(xiàn)場組裝的方式，提升施工效率和質(zhì)量。對于預(yù)制結(jié)構(gòu)件的現(xiàn)場連接，設(shè)計采用半灌漿套筒的形式。半灌漿套筒是裝配式建筑鋼筋連接的常用方式，在墻、柱等豎向構(gòu)件的安裝過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，可增強連接部位的整體性。

2 半灌漿套筒設(shè)計

半灌漿套筒是特殊加工的套筒，內(nèi)部灌注特殊灌漿材料，灌漿材料通?？焖倌蹋湛s性能良好，通過材料之間的粘結(jié)和咬合將鋼筋和套筒連接起來。在鋼筋和灌漿材料的界面上，存在摩擦力、內(nèi)聚力和機械咬合力，其中機械咬合力起主要作用[2]。半灌漿套筒的施工質(zhì)量直接影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。由于其施工位置的復(fù)雜性和隱蔽性，使得半灌漿套筒的施工質(zhì)量較難控制，灌漿套筒被認(rèn)為是混凝土預(yù)制結(jié)構(gòu)中潛在的“薄弱環(huán)節(jié)”，特別是在對鋼筋有高應(yīng)力要求的區(qū)域，要求接頭具有較高的強度[3]。

半灌漿套筒的一種失效形式是在鋼筋未達(dá)到屈服荷載之前，鋼筋被拔出。這種形式的破壞沒有充分利用灌漿材料的抗壓性能和鋼筋的抗拉性能。因此，提出一種新的半灌漿套筒設(shè)計形式，在套筒內(nèi)的鋼筋段，增加一處錨固板。錨固板與鋼筋可靠地焊接在一起，然后進(jìn)行灌漿套筒的裝配。灌漿之后，鋼筋與灌漿材料之間的機械咬合力得到極大增強，從而提高半灌漿套筒的力學(xué)性能。新型半灌漿套筒的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 半灌漿套筒結(jié)構(gòu)（d：直徑，l：長度）

新型半灌漿套筒的結(jié)構(gòu)中，套筒采用45#中碳結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的韌性、硬度和抗扭強度，綜合力學(xué)性能較好。連接的鋼筋為工程項目中常用的帶肋鋼筋，主要規(guī)格直徑為20 mm和25 mm兩種。注漿口和出漿口的距離適當(dāng)加長，使錨固板充分發(fā)揮作用。商業(yè)綜合體項目中使用的半灌漿套筒共有2種規(guī)格，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 半灌漿套筒參數(shù)

3 灌漿料配合比

初始流動性，30 min時的流動性，1、3、28 d時的抗壓強度是評價灌漿料性能的主要指標(biāo)[4]。初始流動性和30 min時的流動性決定了施工作業(yè)的持續(xù)時間。1 d和3 d時的抗壓強度反映了灌漿料的凝固特性，影響著施工進(jìn)度。影響以上灌漿料性能指標(biāo)的主要因素有膠砂比、硅粉用量百分比、減水劑用量百分比、HCSA膨脹劑用量百分比和粉煤灰用量百分比，并分別編號A、B、C、D、E，以流動性和抗壓強度為主要參考指標(biāo)，通過正交試驗來確定灌漿料的最優(yōu)配合比。A～E每個因素設(shè)計4個試驗序列，如表2所示。通過分析確定每個因素的影響順序和最佳序列組合，如表3所示。

表2 正交試驗因素各因素序列

表3 灌漿料影響因素排序和最佳序列組合

對于影響因素A，除了1 d抗壓強度所確定的最佳序列為A1外，其他性能指標(biāo)所確定的最佳序列為A3。由影響因素排序可知，膠砂比A排序最靠后，影響最小，因此，對于影響因素A，即膠砂比確定為0.9。

關(guān)于影響因素B，所有指標(biāo)的最佳序列確定為B1，所以，硅粉用量百分比，確定為6%。

影響因素C的最佳序列比較復(fù)雜。按照初始流動性、30 min時流動性和3 d時抗壓強度3個指標(biāo)，得出的最優(yōu)序列為C4；按照1d抗壓強度指標(biāo)，得出的最佳序列為C1；按照28 d抗壓強度指標(biāo)，得出的最佳序列為C3。此外，減水劑用量百分比對初始流動性和3 min流動性的影響很大，其次是其對1d抗壓強度的影響，而對3 d抗壓強度和28 d抗壓強度的影響較小。因此，對于影響因素C，減水劑用量百分比的最佳序列確定為C4，即0.6%。

對于影響因素D，HCSA膨脹劑用量百分比，對各種指標(biāo)的影響相對較小。根據(jù)表3數(shù)據(jù)，選擇序列D3，各個指標(biāo)得以均衡，灌漿料總體性能較優(yōu)，因此，HCSA膨脹劑用量百分比最終確定為D3，即8%。

影響因素E的最佳序列也比較復(fù)雜。從影響因素的重要性而言，粉煤灰用量百分比，對初始流動性和30 min流動性的影響重要程度排第2位，對3個抗壓強度的影響重要程度排第3位。相應(yīng)的最佳序列分別是E1和E4。與E4相比，選擇E1將導(dǎo)致初始流動性和30 min流動性略有降低，但1、3和28 d抗壓強度改善明顯。因此，最終確定粉煤灰用量百分比的最佳序列為E1，即5%。

4 連接性能試驗

4.1 拉伸試驗性能

單向拉伸試驗可得出半灌漿套筒試樣的屈服荷載、極限荷載，并且可以觀察出破壞的具體形式。性能良好的半灌漿套筒的單向拉伸試驗性能，應(yīng)該接近鋼筋單向拉伸性能[5]。單向拉伸試驗設(shè)備型號為EW-2000D液壓式試驗機，最大試驗力為2 000 kN。試驗過程從零開始施加荷載，控制試驗設(shè)備的夾頭，按照5 N/(mm2·s)的速率逐漸施加荷載，直至試件破壞。試驗過程中，當(dāng)荷載施加達(dá)到一定數(shù)值時，發(fā)出“啪”的聲響，鋼筋斷裂，單向拉伸試驗數(shù)據(jù)如表4所示，得到試件T25-G2-12的時間-荷載曲線如圖2所示，試件的破壞形式與鋼筋拉伸斷裂相似。

表4 單向拉伸試驗數(shù)據(jù)

圖2 單向拉伸時間-荷載曲線

由表4數(shù)據(jù)可知，直徑為20 mm鋼筋的半灌漿套筒試件，極限抗拉荷載為163.2 kN，極限抗拉強度為519.2 MPa。直徑為20 mm的HRB400級鋼筋，其抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為113 kN，試件的極限抗拉荷載是鋼筋抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值的1.44倍。根據(jù)JGJ107《鋼筋機械連接技術(shù)規(guī)程》，半灌漿套筒試件達(dá)到了Ⅰ級接頭的標(biāo)準(zhǔn)。同理，直徑為25 mm鋼筋的半灌漿套筒試件，極限抗拉荷載為227.4 kN，極限抗拉強度為567.5 MPa。試件的極限抗拉荷載是鋼筋抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值的1.60倍，同樣達(dá)到了Ⅰ級接頭的標(biāo)準(zhǔn)。

圖2所示的半灌漿套筒試件的單向拉伸時間-荷載曲線，與單獨拉伸相同直徑的鋼筋試驗類似，曲線分為4個階段。第1階段，荷載隨時間近似呈指數(shù)上升趨勢。該階段為彈性階段，鋼筋有彈性，主要承受拉力，而灌漿料則受擠壓，二者共同作用。第2階段，荷載上升緩慢，內(nèi)部開始出現(xiàn)細(xì)小的裂紋，試件達(dá)到屈服強度。第3階段，荷載變化較小，試件內(nèi)部的裂紋持續(xù)發(fā)展，試件處于強化階段。第4階段，鋼筋從某處頸縮，最終斷裂，荷載快速下降。

4.2 半灌漿套筒表面應(yīng)變

在半灌漿套筒表面貼上了電阻應(yīng)變片，通過應(yīng)變片觀測荷載與應(yīng)變的關(guān)系。應(yīng)變片的粘貼位置如圖3所示，A1、B1沿著半灌漿套筒試件的軸向粘貼，A2、B2則與軸線垂直粘貼，粘貼位置在半灌漿套筒試件長度的三等分處。

圖3 應(yīng)變片的粘貼位置

以半灌漿套筒試件T22-G2-7為例，得到荷載-應(yīng)變曲線，如圖4所示。

圖4 半灌漿套筒試件荷載-應(yīng)變曲線

由圖4可以看出，隨著荷載持續(xù)增大，半灌漿套筒試件的應(yīng)變呈現(xiàn)出近似線性增大的趨勢。同等情況下，縱向應(yīng)變明顯大于橫向應(yīng)變，符合材料拉伸應(yīng)變的胡克定律。相同荷載下縱向應(yīng)變B1比A1大，橫向應(yīng)變A2比B2大。因為在B1、B2應(yīng)變片的粘貼處，是錨固板的位置，附近區(qū)域會產(chǎn)生應(yīng)力集中。在較小荷載作用下，縱向應(yīng)變或者橫向應(yīng)變的差異不大。隨著荷載逐漸增大，差異逐漸擴大，應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯，表明錨固在提高半灌漿套筒連接性能的同時，帶來了應(yīng)力集中問題，薄弱點就在應(yīng)力集中點附近。

5 結(jié)語

結(jié)合某商業(yè)綜合體項目，研究裝配式建筑結(jié)構(gòu)的半灌漿套筒連接性能，得到以下結(jié)論：

（1）提出一種帶錨固板的新型半灌漿套筒結(jié)構(gòu)，錨固板與鋼筋可靠地焊接在一起，然后進(jìn)行灌漿套筒的裝配、灌漿。鋼筋與灌漿料間的機械咬合力得到增強，提高半灌漿套筒的連接性能。

（2）通過正交試驗確定影響灌漿料性能的關(guān)鍵因素和最優(yōu)配比，以流動性和抗壓強度為參考指標(biāo)，確定了灌漿料最優(yōu)配比。

（3）拉伸試驗分析表明，半灌漿套筒具有良好的連接性能，達(dá)到了Ⅰ級接頭標(biāo)準(zhǔn)。半灌漿套筒表面應(yīng)變測試，展示了荷載增大與應(yīng)變線性增長的相關(guān)性，并通過應(yīng)力集中現(xiàn)象找到了錨固板附件的薄弱點。