新型鋼筋灌膠套筒搭接接頭力學性能研究

尚麗詩,戴紹斌,楊 航

(武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070)

1 概述

近年來，我國建筑市場體量巨大，建筑工業化發展迅猛，預制裝配式混凝土結構憑借其施工速度快、機械化程度高、節約勞動成本、減輕城市污染問題等優點被越來越多地運用到建筑工程中，成為推動我國建筑業轉型升級的關鍵技術。

在預制裝配式混凝土框架結構的設計方案中，結構柱作為承擔豎向荷載和水平荷載的重要構件，其力學性能保障尤為重要。國內外學者對預制裝配式框架柱的鋼筋連接方式進行了較多理論分析和試驗研究[1-8]，在裝配式施工中運用較為普遍的是灌漿套筒連接方式，該技術雖已較為成熟，但因為套筒成本較高，限制了其在工程上的大規模推廣[9]。除此之外，還存在灌漿料無法在高溫天氣(>30 ℃)和低溫天氣(<0 ℃)施工、灌漿料質量不符合標準、施工精度等問題。

為降低裝配式建筑中鋼筋連接成本，本文在總結已有研究的基礎上，提出了一種受力性能可靠、受溫度影響較小、施工方便的鋼筋灌膠搭接連接方式。該方式采用結構膠代替傳統的灌漿料，不僅有很好的流動性，初凝時間也更短，在高溫天氣和低溫天氣都能正常施工，質量有保障。另外，采用Q235矩形鋼管和圓形鋼管兩種套筒代替特制金屬套管，不僅成本低，加工起來也可按需任意截斷，非常簡單。

2 試驗研究

2.1 試件設計

本文使用Q235級外尺寸為25 mm×50 mm矩形套筒和外徑為45 mm的圓形套筒(兩種套筒壁厚均為2 mm)、公稱直徑為16 mm的HRB400級鋼筋和環氧型灌注結構膠設計了兩種新的灌膠套筒，以鋼筋搭接長度、套筒形狀、灌注結構膠的種類為變化參數，制作了3組15個鋼筋灌膠搭接接頭試件。試件設計幾何尺寸如圖1所示，具體設計參數如表1所示。

表1 試件參數

2.2 試件材料性能

2.2.1 鋼筋材料性能

試件鋼筋為HRB400級螺紋鋼，直徑均為16 mm，隨機取三根鋼筋通過拉伸實驗得到其材料力學性能，如表2所示。

表2 連接鋼筋材料性能

2.2.2 灌膠料材料性能

鋼筋連接使用的結構膠為改性環氧樹脂膠黏劑-環氧型灌注結構膠，其抗拉強度為32 MPa,抗彎強度為77 MPa，伸長率為1.4%，鋼-鋼拉伸抗剪強度標準值為17 MPa，鋼-鋼黏結抗拉強度為17 MPa，符合GB 50728—2011中(表4.2.2-3)以混凝土為基材，錨固用結構膠基本性能鑒定中Ⅰ類膠A級的技術要求。

試驗設計的3組15根試件，其中第1組和第3組10根試件的灌膠料為結構膠，第2組5根試件的灌膠料為結構膠中摻入10%的 40目～80目的石英砂[10]。

2.3 測量內容與方法

試件在常溫下養護7 d后[11]，采用武漢理工大學檢測站實驗室WAW-1 000 kN電液伺服萬能試驗機進行拉伸試驗，當鋼筋拉斷或拔出時終止實驗，并由電腦自動記錄實驗數據，如圖2所示。與此同時，為研究套筒在加載過程中的應變變化規律，在套筒上貼有環向和縱向應變片各3個，運用1/4橋的方式用TST3822EW靜態信號測試分析系統應變儀采集應變數據，如圖3所示。

3 實驗結果及分析

3.1 實驗結果

經試驗加載至破壞后，試件屈服強度、極限強度、伸長率及其破壞形態如表3所示。對比表2，表3可知，灌膠套筒試件的屈服強度和極限強度接近鋼筋材料性能試驗所測結果。依據JGJ 107—2016鋼筋機械連接技術規程中對接頭極限抗拉強度的規定(表3.0.5)，除f-10d-s,y-10d-j兩根接頭試件滿足Ⅲ級接頭標準等級外，其余13根試件均滿足Ⅰ級接頭標準[12]。

表3 實驗結果

試件整體來說分為兩種破壞形態：1)試件鋼筋在灌膠套筒外部發生斷裂破壞;2)試件鋼筋直接從灌膠套筒中拔出。其中13根試件為鋼筋斷裂破壞，2根試件為鋼筋拔出破壞，幾乎所有的試件均為斷裂破壞，說明此種接頭具有較好的連接性能。

實驗中f-10d-s，y-10d-j兩根接頭試件的鋼筋被拔出，說明灌注結構膠與鋼筋之間的黏結力、機械咬合力和摩擦力的合力，即該接頭的極限承載力弱于鋼筋本身的承載力。鋼筋拔出破壞的兩根試件搭接長度相同，均為160 mm，分析其破壞的原因主要為錨固長度較短，連接鋼筋與灌膠料之間的機械咬合力較弱，導致鋼筋與結構膠之間的黏結力較小；連接鋼筋在拉伸的過程中，橫截面積不斷縮小，這也會使鋼筋和灌膠料之間的握裹作用變小，導致鋼筋拔出。此外，這兩根試件均為強化階段拔出，說明試件的錨固長度已達到臨界錨固長度，此種連接方式要保證受力可靠，鋼筋錨固長度不小于11d即可。

3.2 實驗參數影響分析

影響灌膠接頭試件力學性能的參數包括套筒的形狀、灌膠料的種類、鋼筋錨固長度，分別對不同影響因素下試件的應力-應變曲線、套筒應變規律和破壞形態等進行分析。

3.2.1 套筒形狀的影響

本次實驗設計了10根矩形套筒試件和5根圓形套筒試件，兩種形狀的套筒均有1根為鋼筋拔出導致的試件破壞。觀察圖4中11d和14d兩種錨固長度試件的應力-應變曲線，發現其曲線走勢與鋼筋拉伸應力-應變曲線相同，分為彈性階段、屈服階段、強化階段、頸縮階段這四個階段，且在其他條件相同的情況下，圓形套筒試件的極限應變與矩形套筒試件相比略大，而兩種形狀套筒試件的屈服強度和極限強度接近，無明顯區別。

綜上，兩種形狀套筒對應的試件屈服應力和極限應力無明顯差別，接近鋼筋本身的屈服應力和極限應力，經實驗證明此種連接方式是可靠的。對比實驗選取的尺寸為25 mm×50 mm矩形套筒和直徑為45 mm的圓形套筒，矩形套筒面積減去鋼筋面積后的有效灌膠面積為765 mm2,圓形套筒有效灌膠面積為1 119 mm2，相比之下矩形套筒灌膠量僅為圓形套筒的68%。因此，在進行連接件套筒設計時，建議選用壁厚2 mm的矩形鋼管。

3.2.2 鋼筋錨固長度的影響

在實驗選取的5種錨固長度試件中，錨固長度為10d的3根試件中有2根發生鋼筋拔出破壞，且其極限強度均比鋼筋極限強度低約5%。觀察圖5，圖6可知，鋼筋拔出破壞的試件，其破壞過程與鋼筋拉伸試驗破壞過程不同，分為彈性階段、屈服階段、強化階段、拔出階段這四個階段，試件應力在鋼筋拔出的一瞬間發生陡降，在拔出過程中應力大致呈線性下降，最終殘余應力約為極限應力的50%，試件表現出較好的殘余承載力；錨固長度為11d,12d,13d和14d的試件均發生鋼筋斷裂破壞，且極限強度接近鋼筋極限強度。

綜上，鋼筋臨界錨固長度為10d，為保證連接件受力可靠，應保證鋼筋錨固長度不小于11d。

3.2.3 灌膠料種類的影響

觀察圖4可知，對于搭接長度為11d時的矩形套筒試件，只用結構膠作為灌膠料時試件的屈服強度為435 MPa，極限強度為605 MPa，在結構膠中摻石英砂時試件的屈服強度為435 MPa，極限強度為595 MPa；對于搭接長度為14d時的矩形套筒試件，只用結構膠作為灌膠料時試件的屈服強度為430 MPa，極限強度615 MPa，在結構膠中摻石英砂時試件的屈服強度為425 MPa，極限強度為600 MPa。所以，相比只用結構膠作為灌膠料，摻入一定比例的石英砂并未提高試件的承載能力，反而使承載力略微下降。分析可能是石英砂顆粒過大使得鋼筋與結構膠之前有微小的孔隙，降低試件整體承載力；或因未對石英砂顆粒表面進行處理，缺乏與環氧樹脂結構膠的浸潤性，降低了固化物的強度。

3.2.4 套筒應變規律

選取f-13d-j,y-11d-j兩根試件，作出其鋼筋應力-套筒應變曲線如圖7，圖8所示，其中應變為正時表示拉應變，應變為負時表示壓應變。錨固長度為13d的矩形套筒最大應變為1.064×10-3，遠小于該套筒對應試件的極限應變155.4×10-3；錨固長度為11d的圓形套筒最大應變為0.488×10-3，遠小于該套筒對應試件的極限應變136.4×10-3，說明Q235鋼材兩種形狀的鋼管作為連接鋼筋的套筒在實驗過程中應變較小，滿足強度要求。

由圖7，圖8可知，在試件彈性階段，除測點4快速由壓應變轉變為拉應變外，套筒軸向應變整體為拉應變，環向應變整體為壓應變，且隨著應力的增大而增大；在試件屈服后，應變增速放緩，直到最后呈降低趨勢，軸向拉應變逐漸向0靠攏甚至變為壓應變，環向應變也逐漸向0靠攏甚至變為拉應變。分析軸向應變的變化可能是試件在屈服后，套筒與灌膠料之間有微小的滑移，釋放了部分應力；分析環向應變的變化可能是試件在屈服后，由于泊松效應的影響，鋼筋直徑不斷縮小，從而使鋼筋橫肋與灌膠料之間產生滑移，灌膠料產生裂縫并不斷擴大，導致套筒對灌膠料產生環向約束應力。

4 結論

通過對15個鋼筋灌膠套筒搭接接頭試件進行靜力拉伸試驗研究，可得出以下結論:

1)在其他參數相同的情況下，矩形套筒試件與圓形套筒試件相比，屈服強度和極限強度接近，均能滿足強度要求，而矩形套筒灌膠量僅為圓形套筒的68%，更加經濟，建議優先采用矩形套筒。2)接頭試件有鋼筋拔出和鋼筋斷裂兩種破壞形式，當錨固長度不小于11d時試件破壞形態均為鋼筋斷裂破壞，破壞過程與鋼筋拉伸試驗相同，且滿足JGJ 107—2016鋼筋機械連接技術規程中Ⅰ級接頭的抗拉強度標準。3)用結構膠代替傳統灌漿料，試件表現出較好的力學性能，而在結構膠中摻入一定比例的石英砂，對連接件破壞形態及其承載力影響較小。4)在三個影響參數中，鋼筋錨固長度對連接件的破壞形態影響最大，鋼筋搭接長度為10d的接頭試件多發生鋼筋拔出破壞，且其極限強度相比鋼筋極限強度降低約5%;鋼筋搭接長度不小于11d的接頭試件均發生鋼筋斷裂破壞。故在進行搭接長度設計時，建議鋼筋最小搭接長度選為11d。