組合方形灌漿套筒連接性能試驗

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)計研究院有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引 言

自20世紀60年代末Yee發(fā)明灌漿套筒連接以來，眾多學(xué)者已經(jīng)開展了大量的研究工作，開發(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)強度決定。已有的試驗研究表明，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)強度[1-2]。鋼筋套筒灌漿連接正是建立在這一原理之上，通過合理的套筒形式對填充灌漿料進行約束，從而增加鋼筋黏結(jié)強度，減少錨固長度，以達到便于應(yīng)用的目的。各學(xué)者都在致力于用各種方法來增強這三者之間的黏結(jié)強度，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]通過試驗研究了采用不同約束構(gòu)造方式設(shè)計制作的6類灌漿套筒，并對THS和WBS兩種類型套筒連接的性能進行了對比，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)計并制作了4種不同形式的灌漿套筒，通過對灌漿套筒接頭試件進行軸向拉伸試驗，得出在合適的約束條件下錨固長度可以減少到7倍直徑。Rahman等[7]采用2個鋼板插入并焊接到矩形鋼管的2個端部，以鋼板作為剪切鍵增強套筒與灌漿料之間的黏結(jié)強度，以此制作了9個灌漿套筒接頭試件，在軸向拉伸作用下研究了灌漿強度、主筋埋置長度和套管尺寸對該矩形套筒連接性能的影響。最后建議200 mm的錨固長度，這明顯高于現(xiàn)有一般套筒的錨固長度；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，并以此進行了對接灌漿接頭拉伸試驗，試驗表明焊接鋼筋和螺旋箍筋的存在能顯著增加黏結(jié)強度，螺旋箍筋作為一個重要的約束條件對灌漿料進行約束，焊接鋼筋作為一個重要的橋連機制來抵抗拉力。同時發(fā)現(xiàn)減小螺旋箍筋的間距對增加黏結(jié)強度作用不大，提供最大的黏結(jié)強度時螺旋箍筋的間距約為25 mm。鄭永峰等[9-11]采用普通無縫鋼管通過冷滾壓工藝加工而成一種新型套筒，通過單向拉伸試驗研究其約束機理，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)，該套筒只需要簡單的切割焊接，極大地簡化了加工方法，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 試驗概況

1.1 試驗設(shè)計

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測強度如表2所示。采用HRB400級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，實測強度見表3。灌漿料采用無收縮高性能灌漿料，水料比取0.125，試塊尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，待脫模后移入標養(yǎng)室，經(jīng)過28 d養(yǎng)護后測定抗壓強度。實測強度如表4所示。

1.3 試驗裝置及測量內(nèi)容

在萬能材料試驗機(最大量程為500 kN)上做單向拉伸試驗，如圖3所示，加載速率為2 MPa·s-1,當鋼筋斷裂或者從灌漿料中拔出時停止試驗，通過萬能試驗機自帶記錄荷載以及位移的功能獲得各個試件的荷載-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；通過測量套筒表面的應(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 高強水泥基灌漿料材料性能

圖3 試驗加載裝置

2 試驗結(jié)果

2.1 破壞形態(tài)

在整個試驗過程中只出現(xiàn)1種破壞形態(tài)，即斷裂破壞。對于套筒內(nèi)部沒有螺旋箍筋的試件，有的發(fā)出輕微的破裂聲，那是灌漿料裂開的聲音，隨著荷載的增加，慢慢趨于穩(wěn)定，不再聽到這種聲音；對于套筒內(nèi)部有彈簧的試件，整體性較好，在整個試驗階段無此現(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)

接頭抗拉強度與連接鋼筋抗拉強度標準值的比值均大于1.10，符合《鋼筋機械連接技術(shù)規(guī)程》[12]中對Ⅰ級接頭強度的要求；主要試驗結(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)強度充足；但是由于錨固長度過長，黏結(jié)強度發(fā)展不充分，根據(jù)公式τ=fu/(πdla)計算的平均黏結(jié)強度τ并不能代表真實的黏結(jié)強度，計算結(jié)果要比實際的黏結(jié)強度小，計算結(jié)果見表5。

表5 主要試驗結(jié)果

注：fy為屈服荷載；fu為極限荷載；fiu為峰值荷載對應(yīng)的試件抗拉強度；fbyk為連接鋼筋屈服強度標準值；fbuk為連接鋼筋抗拉強度標準值。

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化階段。此時橫肋前灌漿料擠壓充分，不斷被壓碎并且范圍持續(xù)擴大，裂縫得到充分開展并始終處于套筒的有效約束中。當?shù)竭_某個點后，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，整個過程類似于單根鋼筋單向拉伸破壞形態(tài)。對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；通過對比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灌漿料的約束，使得接頭的整體性更好。同時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15%，表明通過配置螺旋箍筋提高對灌漿料的約束以增強試件的整體剛度是切實可行的。

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下沿套筒表面長度方向的軸向應(yīng)變分布。通過應(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)出沿套筒中線呈對稱的趨勢，峰值點出現(xiàn)在套筒中點，中點兩側(cè)逐漸減小；曲線基本都呈線性變化關(guān)系，沒有明顯的轉(zhuǎn)折或由拉轉(zhuǎn)壓的趨勢，不會出現(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單明確，這是截面完整帶來的優(yōu)勢，為套筒的應(yīng)用提供了保證。通過對比方形鋼管與現(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，這主要是因為組合套筒中嵌入的焊接鋼筋參與受拉，分擔(dān)了傳過來的部分拉力。

3 組合灌漿套筒連接工作機理

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類連接方式是通過鋼筋-灌漿料-套筒之間的黏結(jié)實現(xiàn)力的傳遞，鋼筋受力后通過灌漿料與鋼筋之間的黏結(jié)力傳遞給套筒，然后通過套筒反向傳給另一端鋼筋，因此對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度通常較大，而預(yù)留孔直徑一般較小，鋼筋不易對位插入，無疑增加了施工難度。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]，通過力學(xué)試驗研究了該連接方式的破壞機理及受力特點，接頭受拉后，通過灌漿料直接將一部分拉力傳遞給另一端鋼筋，再通過套筒將另一部分拉力傳遞給鋼筋，正是由于這樣的機理，該連接方式對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，對于本文提出的組合方形套筒，通過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參與受拉，再通過灌漿料傳遞給另一端鋼筋(圖8)，改善了傳力方式，降低了對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)定的套筒材料機械性能:屈服強度fy≥355 MPa，抗拉強度fu≥600 MPa，有人認為該要求太過苛刻。鄭永鋒等[9-11]利用市場上現(xiàn)有并常用的低合金無縫鋼管(Q345與Q390)冷滾壓而成的新型變形灌漿套筒亦無法滿足該要求，所以通過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)腔沒有車削、冷壓造成的螺紋或凸起，整個截面完整，沒有薄弱部位。

圖8 組合灌漿套筒傳力機制

當接頭受拉時，套筒是一個有效的的約束條件，由楔入鋼筋造成的灌漿料劈裂變形受到套筒的約束。取一個肋間距范圍內(nèi)的灌漿料，灌漿料受到的作用力有鋼筋對灌漿料的擠壓應(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械咬合作用，且連接鋼筋與灌漿料之間的接觸面積遠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)強度[1-2]，黏結(jié)破壞模式將轉(zhuǎn)為拔出或斷裂破壞。通過對比試件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，套筒中螺旋箍筋對進一步約束灌漿料，增加黏結(jié)強度，提高接頭整體性有明顯作用，最終能實現(xiàn)預(yù)期的破壞[17-23]，組合套筒約束示意見圖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題，在環(huán)向箍筋的作用下，這種不均勻的約束將通過箍筋均勻地擴散到灌漿料中去，提供更為合理的約束[24]。

圖10 組合灌漿套筒約束示意圖

由于該組合套筒沒有經(jīng)過任何的車削或冷加工，保證了截面的完整性，沿套筒長度方向每個截面都沒有變化，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

(1)鋼筋錨固長度為7.5d時，組合灌漿套筒接頭的抗拉強度與鋼筋抗拉強度標準值之比大于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制、應(yīng)變分布以及約束機理，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)腔沒有經(jīng)過任何形式的外加工，截面完整，所以沿套筒長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對灌漿料的約束作用，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)當錨固長度為7.5d時，接頭斷于鋼筋，此時計算出來的黏結(jié)應(yīng)力小于極限黏結(jié)應(yīng)力，可以進一步減少錨固長度或者增加待連接鋼筋的直徑以便研究其極限黏結(jié)強度，并確定其合適的錨固長度。