鍛壓式套筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化及力學(xué)性能試驗(yàn)研究*

鄭志濤，楊皓東，徐 穎，涂剛要，高振華，郝留照

(1.合肥建工集團(tuán)有限公司博士后工作站，安徽 合肥 230088；2.安徽理工大學(xué)博士后流動(dòng)站，安徽 淮南 232001；3.廊坊預(yù)則立建筑材料科技有限公司，河北 廊坊 065000)

0 引言

國(guó)際上將建筑部品工廠化預(yù)制和裝配產(chǎn)業(yè)化施工作為建筑工業(yè)化的重要標(biāo)志，美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家已形成較成熟的裝配式建筑市場(chǎng)。近年來(lái)，隨著《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見(jiàn)》《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見(jiàn)》《關(guān)于促進(jìn)建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的意見(jiàn)》等系列裝配式建筑政策文件的相繼出臺(tái)，我國(guó)裝配式建筑邁入嶄新的發(fā)展階段[1]。

裝配式混凝土預(yù)制構(gòu)件(PC構(gòu)件)間多采用灌漿套筒的連接，套筒構(gòu)造是否合理是決定連接部位是否可靠的關(guān)鍵[2-3]。按加工形式，灌漿套筒可分為機(jī)械加工類(lèi)和鑄造類(lèi)[4-5]。機(jī)械加工類(lèi)套筒原材料價(jià)格高，加工工藝復(fù)雜；鑄造類(lèi)套筒主要采用球墨鑄鐵鑄造，需嚴(yán)格控制球化率≥85%，這一指標(biāo)在工廠預(yù)制環(huán)節(jié)較難控制，易導(dǎo)致套筒性能穩(wěn)定性差，在疲勞和共振作用下出現(xiàn)開(kāi)裂。在連接接頭中，套筒約束灌漿料的劈裂變形[6-7]及合理的套筒結(jié)構(gòu)形式，是保證灌漿接頭力學(xué)性能的關(guān)鍵。

本文結(jié)合PC構(gòu)件安裝施工難點(diǎn)及常用灌漿套筒的不足之處，基于冷鍛壓加工工藝，采用無(wú)縫鋼管，設(shè)計(jì)新型灌漿套筒，并通過(guò)液壓伺服全自動(dòng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展單向拉伸試驗(yàn)，驗(yàn)證套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

1 設(shè)計(jì)思路

PC構(gòu)件間灌漿套筒連接主要通過(guò)灌漿料傳遞荷載，灌漿套筒用來(lái)約束灌漿料的劈裂變形[8-9]。在拉伸荷載作用下，荷載由鋼筋傳遞至灌漿料，在灌漿料內(nèi)呈錐形傳遞，從而使灌漿料發(fā)生膨脹變形，進(jìn)而將荷載傳遞至套筒。套筒內(nèi)壁與灌漿料的摩擦力阻礙套筒與灌漿料間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。因此，優(yōu)化套筒構(gòu)造可顯著提高套筒與灌漿料間的黏結(jié)力。

現(xiàn)有灌漿套筒主要通過(guò)在內(nèi)壁設(shè)置剪力槽來(lái)增加套筒與灌漿料間的黏結(jié)力，剪力槽多設(shè)計(jì)成臺(tái)階狀，但在灌漿作業(yè)中，該構(gòu)造處易產(chǎn)生氣泡聚集，不利于灌漿料在套筒內(nèi)流動(dòng)，在PC構(gòu)件對(duì)接時(shí)，不利于連接鋼筋插入套筒。為改善這一構(gòu)造，有學(xué)者采用無(wú)縫鋼管制作套筒。如Einea等[10]設(shè)計(jì)的全灌漿套筒，通過(guò)在套筒端部設(shè)置鋼環(huán)限制灌漿料與套筒間的軸向滑移；Sayadi等[11-12]通過(guò)在鋼管套筒上設(shè)置多組高強(qiáng)螺栓或環(huán)向凹槽增加套筒與灌漿料間的機(jī)械咬合力，從而限制灌漿料與套筒間的軸向滑移；鄭永峰等[4,13]基于冷滾壓工藝，通過(guò)在無(wú)縫鋼管上滾壓環(huán)向凹槽增加套筒對(duì)灌漿料的軸向約束。雖然這些套筒接頭承載力滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求，但加工工藝相對(duì)復(fù)雜，在一定程度上增加了套筒的制作成本。

本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，優(yōu)化套筒內(nèi)壁構(gòu)造和套筒加工工藝，設(shè)計(jì)新型鍛壓式全灌漿套筒和半灌漿套筒(見(jiàn)圖1)。全灌漿套筒兩端為冷鍛壓區(qū)，中間為光滑區(qū)；半灌漿套筒一端為冷鍛壓區(qū)，另一端為螺紋連接區(qū)，其中螺紋連接段需經(jīng)熱擠壓處理。

圖1 鍛壓式灌漿套筒

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 全灌漿套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

全灌漿套筒接頭如圖2所示。全灌漿套筒采用45號(hào)鋼管經(jīng)冷鍛壓加工一體成型，包括由管材鍛壓形成的灌漿錨固段及一體構(gòu)造成型于錨固段兩端的插入端；錨固段管壁上分別設(shè)有灌漿孔和排氣孔。套筒兩端灌漿錨固段經(jīng)鍛壓加工制成，沿軸線方向間隔布置多個(gè)環(huán)向鍛壓凹槽，環(huán)向鍛壓凹槽由8個(gè)間隔均布于錨固段外周面上的壓入凹痕形成，同時(shí)，在套筒錨固段內(nèi)壁形成鍛壓凸起肋，相鄰2個(gè)鍛壓凸起肋間形成剪力槽，剪力槽與鍛壓凸起肋表面圓滑相接。套筒中部為平直段，設(shè)有連接鋼筋限位釘。為提升灌漿套筒結(jié)構(gòu)性能，基于相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)套筒結(jié)構(gòu)及加工工藝進(jìn)行如下具體優(yōu)化。

圖2 全灌漿套筒接頭

1)采用冷鍛壓模具沿灌漿錨固段軸線方向間隔壓入多個(gè)倒梯形凹槽，沿套筒環(huán)向呈一定角度排列，同一截面處凹槽在套筒外壁形成環(huán)向凹槽，在套筒內(nèi)壁形成環(huán)向凸起，各環(huán)向凸起間形成剪力槽，剪力槽與套筒內(nèi)壁凸起表面弧形過(guò)渡相接。

2)在套筒兩端灌漿錨固段第1段剪力槽處分別設(shè)灌漿孔和排氣孔。

3)套筒灌漿錨固段最小內(nèi)徑D2與所采用的45號(hào)鋼管原材內(nèi)徑D1滿(mǎn)足：0.85D1≤D2≤0.9D1，筒外壁2個(gè)相鄰環(huán)向凹槽間距L1≥5(D2-D1)。

4)套筒灌漿錨固段端部截面尺寸與采用的45號(hào)鋼管原材相同。

2.2 半灌漿套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

半灌漿套筒接頭如圖3所示。半灌漿套筒為分體式構(gòu)造，包括由管材鍛壓制成的灌漿錨固段，錨固段一端的插入端，及設(shè)置于錨固段另一端的螺紋連接段。灌漿錨固段與全灌漿套筒構(gòu)造相同，其不同點(diǎn)在于螺紋連接段，包括壓接段和分體內(nèi)螺紋連接件，其中壓接段與錨固段為同一整體，壓接段外周面上間隔鍛壓形成多個(gè)壓陷溝，且構(gòu)成壓接段的內(nèi)壁徑向尺寸相對(duì)于管材原始徑向尺寸呈徑向縮減；分體內(nèi)螺紋連接件為內(nèi)螺紋管狀構(gòu)造，因所述壓接段內(nèi)壁徑向尺寸的縮減，而被嵌裝于所述壓接段中形成固定連接。

圖3 半灌漿套筒接頭

2.3 鍛壓式灌漿套筒結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)分析

針對(duì)裝配式PC構(gòu)件連接施工特點(diǎn)，與現(xiàn)有灌漿套筒產(chǎn)品相比，本文所述鍛壓式灌漿套筒具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1)灌漿套筒錨固段端部采用喇叭口設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖4)，端口最大直徑D較規(guī)范中灌漿套筒錨固段環(huán)形突起部分的內(nèi)徑D3增加超過(guò)4mm，尺寸增加比例為40%，更有利于預(yù)制構(gòu)件中灌漿套筒與下方鋼筋的對(duì)中，方便吊裝施工，有效提高吊裝效率。

圖4 灌漿套筒錨固段端部構(gòu)造

2)灌漿套筒外壁剪力槽為八角結(jié)構(gòu)，受力更合理。鍛壓式灌漿套筒接頭試件切開(kāi)后效果如圖5所示，灌漿套筒剪力槽內(nèi)呈圓弧面圓滑過(guò)渡，利于灌漿時(shí)氣泡順利排出，且可顯著增加套筒內(nèi)壁與灌漿料間的接觸面積，增大灌漿料與套筒間的機(jī)械咬合力，從而提高接頭承載力。

圖5 鍛壓式灌漿套筒接頭試件切開(kāi)后效果

3)灌漿套筒灌漿端的圓弧形設(shè)計(jì)，對(duì)外增加灌漿套筒與混凝土的握裹力，對(duì)內(nèi)增加受力面積，與灌漿料結(jié)合更好，以此抵抗鋼筋所受到的拉力，從而提高整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

4)全灌漿套筒采用無(wú)縫鋼管原材經(jīng)冷鍛壓工藝一體成型，可實(shí)現(xiàn)批量化流水線施工，生產(chǎn)效率高，可在一定程度上降低套筒制作成本；半灌漿套筒螺紋連接段內(nèi)螺紋分體管和套筒筒體經(jīng)熱處理后壓接連接，連接可靠度高。

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)適用于φ14，φ18，φ22連接鋼筋的3種不同型號(hào)全灌漿和半灌漿套筒試件，借助500kN液壓伺服全自動(dòng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試件單向拉伸試驗(yàn)。

試驗(yàn)加載時(shí)，由0加載至鋼筋拉應(yīng)力為0.6倍的鋼筋屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，卸載至鋼筋內(nèi)力為0，測(cè)量殘余變形u0，然后施加荷載至試件最大拉力，記錄試件的極限抗拉強(qiáng)度后加載至試件破壞，測(cè)量最大拉力下的總伸長(zhǎng)率Asgt。按JGJ 107—2016《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》中有關(guān)殘余變形的規(guī)定計(jì)算u0，Asgt。試件鋼筋屈服前采用荷載控制加載，加載速率為2N/mm2·s-1，屈服后采用位移控制加載直至試件破壞，位移控制加載速率為5mm/min。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在單向拉伸荷載作用下，所有試件均發(fā)生連接鋼筋拉斷破壞，符合《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》中Ⅰ級(jí)接頭的破壞形態(tài)要求。對(duì)試驗(yàn)所測(cè)得的試件各性能參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示。QDL表示全灌漿單向拉伸，BDL表示半灌漿單向拉伸，A，B，C表示每組3個(gè)平行試件。

表1 灌漿套筒材料性能參數(shù)

由表1可知，本文設(shè)計(jì)的全灌漿套筒試件fu/fstk為1.18～1.24，半灌漿套筒試件fu/fstk為1.19～1.25，均>1.10；在單向拉伸荷載作用下，2種類(lèi)型套筒試件殘余變形u0均<0.10mm；全灌漿套筒試件最大總伸長(zhǎng)率Asgt為23.7%～33.1%，半灌漿套筒試件最大總伸長(zhǎng)率Asgt為18.9%～24.7%，均遠(yuǎn)大于6%，符合規(guī)范《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》中Ⅰ級(jí)接頭的相應(yīng)指標(biāo)規(guī)定。表中全灌漿套筒試件最大總伸長(zhǎng)率Asgt普遍大于相同規(guī)格半灌漿套筒試件，說(shuō)明與半灌漿套筒接頭相比，全灌漿套筒接頭抗變形能力更強(qiáng)[14]。

4 結(jié)語(yǔ)

1)灌漿套筒采用無(wú)縫鋼管原材經(jīng)冷鍛壓工藝一體成型，結(jié)構(gòu)整體性好，可批量化流水線加工，生產(chǎn)效率高，可在一定程度上降低套筒制作成本。

2)灌漿套筒錨固段端部喇叭口設(shè)計(jì)便于預(yù)制構(gòu)件中灌漿套筒與下方鋼筋的對(duì)中，方便吊裝施工；灌漿套筒外壁剪力槽為八角結(jié)構(gòu)，受力更合理；套筒剪力槽內(nèi)呈圓弧面圓滑過(guò)渡，利于灌漿時(shí)氣泡順利排出，提高灌漿質(zhì)量。

3)鍛壓式全灌漿套筒和半灌漿套筒構(gòu)造合理，接頭承載力、最大總伸長(zhǎng)率、殘余變形等參數(shù)均能滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中Ⅰ級(jí)接頭要求。