鋼筋套筒灌漿連接技術的研究和應用

王 鳳 劉煥玉 華麗英

(陽光學院 土木工程學院 福建福州 350015)

0 引言

隨著建筑業轉型發展的不斷推進，裝配式混凝土結構得到了迅速推廣。預制構件的可靠連接是保證裝配式混凝土結構安全的關鍵。傳統的綁扎搭接、焊接連接、機械連接等鋼筋連接方式不能很好地適用于預制構件間受力鋼筋連接。一種針對裝配式結構的鋼筋連接新技術被提出來——鋼筋套筒灌漿連接技術，該技術不會使鋼筋產生二次應力與變形、可接受相對較大的施工偏差。

最早提出該技術的是美國結構工程師余占疏博士，該技術于20世紀60年代成功地應用在檀香山一棟38層酒店的預制混凝土柱鋼筋續接中，并表現出良好的安全性能，且施工操作方便。隨后，日本引進并改良這一技術，對其進行認證和加以推廣。應用該技術的建筑經受多次地震都沒有被破壞，證明其抗震性能出色[1]。歐美國家將鋼筋套筒灌漿連接技術作為一種鋼筋機械連接方式，大量在裝配式建筑結構中應用。近年來我國也逐步引入該技術，制定相關的技術規范和標準，工程技術人員對技術進行了大量的研究并不斷完善創新。

1 鋼筋套筒的分類和構造

鋼筋套筒灌漿連接接頭由鋼筋、套筒和灌漿料組成。套筒一般由球墨鑄鐵或結構鋼制造而成，形狀多為圓柱形或紡錘形，筒體上通常開設灌漿孔和出漿孔，內腔附有鋼筋限位檔和抗剪鍵等。灌漿料是一種與套筒配套使用的快硬無收縮水泥基材料，適當加入細骨料及少量混凝土外加劑等物質，具有大流動度、早強、高強、微膨脹等性能。

目前市場上套筒種類形式多樣。按套筒的形式，總體上可分為全灌漿套筒和半灌漿套筒兩大類。全灌漿套筒的兩端均采用灌漿方式連接鋼筋，是目前應用最廣泛的一類套筒形式。半灌漿套筒在預制構件端采用直螺紋方式連接鋼筋，現場裝配端采用灌漿方式連接鋼筋。全灌漿套筒與半灌漿套筒的構造形式如圖1所示。

圖1 灌漿套筒構造示意圖

按鋼筋傳力方向的不同，可以分為豎向連接套筒與水平連接套筒。豎向連接套筒主要用于柱的對接、剪力墻的豎向連接等，水平連接套筒主要用于梁、板的搭接及剪力墻的水平連接等。為了保證傳力的可靠性，通常豎向鋼筋連接套筒具有更大的外徑和內徑。按制作材料的不同可以分為球墨鑄鐵套筒和合金結構鋼套筒、優質碳素結構鋼套筒。球墨鑄鐵套筒雖然性能較好但成本高，在日本、歐美等國家應用比較廣泛[2]。結構鋼套筒價格便宜，加工簡便，隨著制造工藝的不斷改進也能滿足技術要求，現在應用越來越多，例如北京建茂建筑設備有限公司研發的JM灌漿套筒就屬于這一類。

2 鋼筋套筒灌漿連接接頭的力學性能

2.1 灌漿套筒的約束機理

與綁扎連接、機械連接等機械連接方式不同，鋼筋套筒灌漿連接接頭是依靠材料間的粘結作用來實現有效傳力的。鋼筋與灌漿料的粘結作用主要由3部分組成：

(1)鋼筋與灌漿料接觸面上的粘附力f1；

(2)灌漿料握裹鋼筋而產生表面摩擦力f2；

(3)鋼筋橫肋與灌漿料之間的機械咬合力f3。

其中起主要作用的是橫肋與灌漿料間形成的咬合力[3]。傳力途徑可概括為：鋼筋→灌漿料→套筒→灌漿料→另外一根鋼筋。當鋼筋受拉時，拉力通過鋼筋與灌漿料間的粘結作用傳遞給灌漿料，灌漿料再通過其與套筒內壁的粘結作用傳遞給套筒，如圖2所示。

(a)縱剖面 (b)橫剖面圖2 灌漿套筒的工作機理

套筒在整個接頭的傳力過程中起著關鍵作用，一方面它可以直接承受鋼筋通過灌漿料傳來的軸向力；另一方面套筒和套筒外混凝土為灌漿料提供有效的側向約束力，增強灌漿料與鋼筋間粘結作用。當連接接頭受到拉力時，通常套筒會分擔更多的軸向力，而接頭在傳遞壓力時能更好發揮灌漿料的材料特性[4]。套筒在軸向力作用下產生軸向應力，灌漿料劈裂膨脹引起的套筒環向應力比較小，一般可忽略環向應力。

2.2 鋼筋套筒灌漿連接接頭的破壞形式

鋼筋套筒灌漿連接接頭的破壞形式主要有以下5種情況：

(1)套筒外鋼筋被拉斷，這是達到連接有效性的最基本要求；

(2)鋼筋拔出破壞，這是因為鋼筋與灌漿料之間粘結力不足；

(3)灌漿料劈裂破壞，主要是由于灌漿料強度不足造成；

(4)灌漿料拔出破壞，這種破壞是因為灌漿料與套筒之間的粘結強度不足；

(5)套筒被拉斷，由于套筒強度不足造成。

為保證接頭的有效性，套筒外鋼筋被拉斷應先于其他破壞形式發生。套筒的強度等級和壁厚尺寸是保證套筒不被拉斷的關鍵因素，鋼筋在套筒內要具有合理的錨固長度。灌漿料的強度和膨脹率對接頭受力起重要作用，灌漿料應具有足夠強度以防劈裂破壞，膨脹性則可以彌補漿體硬化過程的體積收縮，增強粘結作用。此外，套筒內壁上設置一定數量的剪力鍵可阻止灌漿料被拔出[5]。

套筒外鋼筋被拉斷是套筒失效的典型形式(下文將分析這一失效過程的破壞機理)。灌漿料在凝結硬化過程中因體積膨脹受套筒約束而產生壓應力。當受到拉力時，鋼筋通過粘結作用傳遞給灌漿料，使鋼筋灌漿料結合區的初始壓應力逐漸減小并發展為拉應力。當荷載繼續加大，鋼筋的“錐楔” 作用明顯，產生徑向和軸向的分力。鋼筋肋前受壓區混凝土壓應力增大，背面拉應力也增大。當拉應力超過灌漿料的抗拉強度時，開始出現環向劈裂裂縫。裂縫會沿斜向發展，一般指向套筒內壁的剪力鍵處。隨著荷載的不斷增大，出現裂縫的肋部會向內發展，而裂縫寬度逐肋減小，如圖3所示。這樣在結合面開裂區形成一段橫肋與混凝土之間的機械咬合齒段，未開裂區可視為粘結強度的富余區。鋼筋在這一過程中經歷了彈性、屈服及強化階段。鋼筋屈服后，機械咬合齒段基本不再發展，繼續加大拉力鋼筋達到強度極限被拉斷。

圖3 鋼筋與混凝土的機械咬合作用

2.3 鋼筋套筒灌漿連接接頭的相關規范和檢驗方法

鋼筋套筒灌漿連接接頭的強度和變形是考察接頭性能的關鍵性指標，目前世界上很多國家都對其作出了相關規定。美國鋼筋機械連接試驗標準(ASTM A1034)對機械連接接頭的性能要求和試驗方法給出了規定，結構混凝土建筑規范(ACI 318)中要求接頭的抗拉強度應不小于125% 鋼筋屈服強度標準值。美國統一建筑標準(UBC-97)中還規定type2型接頭不能小于0.95倍的鋼筋抗拉強度。主要的試驗方法有單向拉伸試驗，反復拉壓試驗、滑移試驗、疲勞試驗等。

我國的《鋼筋機械連接技術規程》(JGJ107-2010)和《鋼筋套筒灌漿連接應用技術規程》(JGJ355-2015)也作出了相關規定，接頭的實測抗拉強度應大于鋼筋抗拉強度標準值，殘余變形不大于0.1，最大力下的總伸長率不小于6%。由于連接部位的鋼筋通常在同一連接區段內100%連接，并且豎向承重構件連接區域通常位于箍筋加密區，JGJ355-2015對I級接頭的性能要求更高，規定在鋼筋非斷裂破壞時接頭的抗拉強度應大于鋼筋抗拉強度標準值的1.15倍。

3 鋼筋套筒灌漿連接的施工工藝要點

一般情況下套筒在預制構件制作時預先埋入構件的連接端，現場施工時另一個連接構件的外露鋼筋插入套筒，構件安裝定位后，通過灌漿連接鋼筋。施工過程是保證該技術能否發揮作用的關鍵，因此需要進行嚴格的把控，主要的施工技術要點總結為以下3個方面。

3.1 構件設計與制作

合理選擇結構體系，精確設計構件。根據鋼筋尺寸，選用合適的套筒，以保證鋼筋錨固長度、埋置位置符合要求。構件制作過程中采取措施防止套筒、鋼筋移位，嚴格控制灌漿料的水膠比，澆筑速度適中，以免壓力過大造成漏漿[6]。

3.2 現場安裝

預制構件的測量定位極為重要，豎向受力構件要保證構件位置、標高、垂直度、鋼筋位置等[7]。灌漿前需清理構件連接部位，保證套筒內無雜物、無油污、無積水。根據安裝部位和構件尺寸選擇合適的吊裝設備，吊裝前對構件進行編號，制定吊裝方案。吊裝就位后及時進行支撐穩定，并調整構件的垂直度和標高。調整完畢后定位牢固，用配制好的灌漿料依次灌漿。灌漿時保證排漿孔連續流出圓柱狀漿液為止，灌漿后應加強保護，避免使構件受到沖擊、振動。

3.3 施工工藝檢驗和試樣送檢

在現場施工前需對構件作一次工藝檢驗，灌漿完成后按1000個接頭一個檢驗批對接頭質量進行抽樣檢驗。施工中做好隱蔽工程驗收記錄，施工完畢后不再做復檢。同時，按試驗要求制作套筒連接試件和灌漿料試塊，做好養護工作，達到齡期要求后送到檢測機構檢測。通常進行對中單向拉伸試驗、高應力反復拉壓試驗、大變形反復拉壓試驗等。

4 套筒灌漿連接技術的工程實例應用

沈陽地鐵鳳凰新城工程項目位于沈陽開發大道，總建筑面積為14.7萬m2，其中5棟16層高住宅建筑采用裝配式施工方案，結構形式為裝配整體式剪力墻結構，筏板基礎,如圖4所示。標準層層高2.9m，主體建筑高48.2m，使用的預制構件主要有外墻板、內墻板、樓梯、陽臺板、空調板、PFC板等。該項目外墻和內墻均采用預制形式，邊緣構件為現場澆筑。預制墻板的連接端埋設套筒，上端預留插入鋼筋，側邊外伸與現澆結構連接的水平鋼筋，如圖5所示。

圖4 沈陽地鐵鳳凰新城工程

圖5 預制墻板示意圖

承重結構采用先安裝預制墻板，后澆筑邊緣構件的施工順序。預制墻板的安裝質量是保證結構安全的關鍵，為保證結構連接的質量，對灌漿料的制備和灌漿工藝進行了嚴格控制。事先按設計圖紙檢查預留鋼筋長度，對于長度過短不滿足錨固要求的構件則不能繼續使用。墻板吊裝定位完成后按設計要求做好灌漿分區，各灌漿分區應封堵嚴密。灌漿前將構件結合面清理干凈，用吹氣法清潔套筒內腔。灌漿采用專用的灌漿設備，先用清水潤滑設備，將水排凈后再用配制好的灌漿料沖洗幾次。

該工程采用連通腔壓力灌漿法，灌漿料的流動度一般控制在130mm～160mm，流動度過大會造成灌漿料強度不足，過小則不利于泵送，現場采用流模板進行檢測。當灌漿設備噴嘴流出連續灌漿料時即可開始注漿，每一分區的所有排漿孔流出連續漿體時停止注漿，并迅速用塞子堵住排漿口和灌漿口，泄露到墻面上的漿體要立即用水清洗干凈以免污染墻體。漿體終凝后方可取下塞子，再用防水砂漿嵌填開口處，

漿體達到規定的強度后拆除構件臨時支撐并進行上部結構施工。

此外，該工程的施工溫度跨度比較大，而溫度會極大影響灌漿料的凝固性能和凝固時間，一般應控制在10℃～30℃。當氣溫過低時，采取加熱措施防止灌漿料凍結；溫度過高時需采取降熱措施防止灌漿料失效。對不同溫度下灌漿料均進行取樣，標準養護28d的后檢測抗壓強度。每種規格的鋼筋制作3個套筒灌漿連接接頭試件，標準養護28d后進行抗拉強度、屈服強度和變形的檢測，檢測結果均滿足要求。

工程項目從2012年6月開工，到2012年12月主體完工，體現了裝配式生產方式的高效性。施工過程嚴格控制施工質量，改進施工工藝，確保套筒灌漿連接技術能有效應用。后期工程表現出良好的受力性能，墻板受力鋼筋連接后形成豎向連續抗震墻，與現澆結構無異，表明該技術具有性能可靠、施工方便的特點，可在裝配式建筑中廣泛采用。

5 結語

鋼筋套筒灌漿連接技術作為裝配式結構的一種關鍵技術，對裝配式混凝土結構中推廣應用有著重要作用。隨著裝配式建筑的不斷發展，對該技術的研究和應用將不斷推進。本文基于鋼筋套筒灌漿連接接頭的力學性能、相關標準、施工工藝等方面，結合實際工程應用系統的分析了其應用價值，證明該技術可保證可靠連接且便于施工。

[1] 陳洪,張竹芳.鋼筋套筒灌漿連接技術有限元分析[J].施工技術,2014,32(3):341-349.

[2] 韓超,鄭毅敏,趙勇.鋼筋套筒灌漿連接技術研究與應用進展[J].施工技術,2013,42(21):113-116.

[3] 鄭永峰.GPDS灌漿套筒鋼筋連接技術研究[D].南京:東南大學,2016.

[4] 張偉.裝配整體式混凝土結構鋼筋連接技術研究[D].西安:長安大學,2016.

[5] 吳陶高.套筒類型和內表面形狀對鋼筋連接性能的影響[D].沈陽:沈陽建筑大學,2013.

[6] 馬聰.灌漿套筒的施工現場灌漿技術[J].混凝土,2013,287(9):153-155.

[7] 朱萬旭.用于建筑結構預制拼裝的灌漿套筒連接技術[J].四川理工學院學報,2013,26(4):71-75.