鋼筋全灌漿套筒連接試件高溫后抗拉性能試驗研究

張 超，郭 奇，孫可可，吳煥娟，張 碩

（1.中電投工程研究檢測評定中心有限公司，北京 100142；2.中質華興（北京）技術檢測有限責任公司，北京 102446）

0 引言

裝配式混凝土結構鋼筋連接方式中鋼筋套筒灌漿連接是較為重要的一種。隨著我國建筑工業化的飛速發展，裝配式建筑已經被大量使用，而裝配式混凝土建筑也是最常使用的建筑方式。當裝配式建筑發生火災后，鋼筋套筒灌漿連接損傷情況和可靠性是影響裝配式建筑安全的重要因素，需要進行全面的評估。

王國慶［1］對高溫下不同直徑鋼筋、不同高溫的鋼筋套筒灌漿連接進行了試驗研究，得出了相應的破壞規律和極限承載力。鄧曦［2］對鋼筋半灌漿套筒連接在高溫下和高溫后的力學性能進行了系統的試驗研究，并推導了高溫下和高溫后極限位移與溫度的關系。谷凡［3］對高溫作用后的鋼筋灌漿套筒力學性能進行了有限元分析，高溫荷載采用 ISO-834 標準升溫曲線，研究結果表明，隨著受火時間的增加，鋼筋套筒灌漿連接構件的極限拉伸荷載隨之降低。上述學者對高溫下和半灌漿鋼筋套筒灌漿的力學性能研究較多，較少關注全套筒灌漿高溫后受力性能的損傷試驗研究。因此，本文考慮實際火災工況和鋼筋埋設位置的影響，依據 ISO-834 標準升溫曲線，對高溫后鋼筋連接灌漿套筒溫度場進行試驗研究，得出高溫后套筒連接破壞模式和承載力影響參數，為高溫后鋼筋連接灌漿套筒提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 試件設計

試驗共 30 個試件，受火時間包括 5 min、15 min 和30 min，每種試件共計 10 個。灌漿套筒材質為 Q345B 無縫鋼管，規格型號為 GTQ4J－16，套筒長度為 280 mm，外徑 38 mm，內徑 31 mm，灌漿料采用北京市市政工程研究院常溫型套筒灌漿料 CTGM 型，料水比為 1∶0.12（質量比）。鋼筋強度等級為 HRB400，直徑為 14 mm，鋼筋在套筒內的搭接長度為 140 mm。根據 JGJ 355－2015《鋼筋套筒灌漿連接應用技術規程》［4］規定，對于鋼筋偏置接頭，應保證一端鋼筋插入灌漿套筒中心，一端鋼筋偏置后鋼筋橫肋與套筒壁接觸。鋼筋灌漿套筒連接試件如圖 1 所示。火災后鋼筋灌漿套筒試驗參數如表 1 所示。

圖1 鋼筋灌漿套筒連接試件

表1 火災后鋼筋灌漿套筒試驗參數

1.2 材料力學性能

試驗時，灌漿料性能指標如表 2 所示。鋼筋拉伸試驗采用拉力機（見圖 2）完成，鋼筋屈服強度為376 MPa，抗拉強度為 630 MPa。套筒為中建二局洛陽機械有限公司生產，套筒屈服強度為 378 MPa，抗拉強度為 785 MPa。

表2 高強灌漿料性能指標

圖2 鋼筋拉伸試驗

1.3 加載方案

將套筒放置于電阻爐內，并依據 ISO-834 標準升溫曲線進行設置后對鋼筋灌漿套筒進行升溫處理，電阻爐［見圖 3（a）］加熱最高溫度 1 200 ℃，最大可加熱400 mm×600 mm×800 mm 試件，升溫時間包括 5 min、15 min 和 30 min，根據公式（1）可知，三個升溫時間對應的最高溫度分別為 576 ℃、739 ℃ 和 847 ℃。升溫階段完成后，將套筒置于室溫進行自然降溫；當套筒整體溫度降至常溫后，在拉力試驗機［見圖 3（b）］上進行單向拉伸試驗。ISO-834 標準升溫曲線方程為：

圖3 試驗設備

式中：t為試驗所經歷的時間，min；θ為t時刻的溫度，℃；θ0為試驗爐內初始溫度，℃。不同升溫時間溫度-時間曲線如圖 4 所示。

圖4 不同升溫時間溫度-時間曲線

2 試驗結果

2.1 極限承載力和破壞形態

明顯，表面殘留灌漿料變成灰白色；對于高溫 30 min 試件，套筒和鋼筋表面逐漸被燒紅，灌漿孔和出漿孔處灌漿料呈灰白色。

圖5 高溫后灌漿套筒形態

圖 6 為高溫后灌漿套筒破壞形態，主要包括鋼筋拉斷和鋼筋刮犁式破壞。

圖6 高溫后灌漿套筒破壞形態

表 3 為高溫后灌漿套筒的極限承載力，當受火時間為 5 min 和 15 min 時，破壞形態為鋼筋拉斷，影響極限承載力主要因素為鋼材高溫后強度。當溫度達到 576 ℃和 739 ℃ 時，火災后鋼材屈服強度折減系數分別為 0.877 和 0.818，因此，受火時間為 5 min 和 15 min 時，套筒灌漿連接極限承載力較為接近。當受火時間為 30 min 時，由于其破壞形態變為鋼筋刮犁式破壞，其極限承載力主要取決于高溫后灌漿料與鋼筋之間的粘結強度，由于高溫作用的影響，粘結強度明顯降低，其極限承載力明顯下降。根據表 3 可以看出，鋼筋偏置位置對承載力極限和破壞形態影響較小；隨著受火時間的逐漸增大，灌漿套筒的破壞形態由鋼筋拉斷變為鋼筋刮犁式破壞。

表3 高溫后灌漿套筒最終破壞形態

2.2 承載力分析

根據 T/CECS 252－2019《火災后工程結構結構鑒定標準》［5］附錄 G.0.2 規定，鋼筋高溫冷卻后的屈服強度折減系數可按表 4 進行計算。高溫作用后，鋼筋與套筒之間的粘結強度折減可依據表 4 進行計算。對于高溫后鋼筋與灌漿料之間粘結強度的影響，不少學者進行了詳細的研究，Einea［6］提出了鋼筋與灌漿料之間的平均粘結強度τ的計算公式（2）。

表4 鋼筋高溫冷卻的屈服強度折減系數

式中：k為常數，本文中取值為1.43；fc為高溫下灌漿料的抗壓強度。

式中：fcu（T）表示高溫下立方體的抗壓強度，MPa；fcu表示常溫下立方體抗壓強度，MPa。

根據式（2）和式（3）可知，高溫下灌漿料與鋼筋之間的粘結強度取決于材料經歷的最高溫度和灌漿料本身的強度等級，當受火最高溫度逐漸升高時，高溫下灌漿料立方體抗壓強度逐漸降低，鋼筋與灌漿料之間的平均粘結強度降低，鋼筋套筒灌漿抗拉強度降低。圖 7 為高溫時間-承載力關系圖。可以看出，受火時間從 5 min 到 15 min，承載力變化不明顯，受火時間 30 min，承載力下降較大。

圖7 高溫后灌漿套筒時間-承載力關系圖

3 質量評價

根據 JGJ 355－2015《鋼筋套筒灌漿連接應用技術規程》中的要求，鋼筋套筒灌漿連接接頭的抗拉強度不應小于連接鋼筋抗拉強度標準值，且破壞時應斷于接頭外鋼筋。當高溫時間為 30 min 時，破壞形態為端部灌漿料拔出破壞，此時已不滿足接頭抗拉性能的質量要求。對實際裝配式建筑火災后連接損傷計算，現場檢測結果應結合 T/CECS 252－2019《火災后工程結構結構鑒定標準》混凝土構件表面特征與溫度關系，并采用數值仿真分析，進行綜合判斷。

4 研究結論

考慮鋼筋升溫時間和鋼筋埋設位置的影響，對不同升溫時間高溫后鋼筋灌漿套筒的抗拉性能進行了系統的試驗研究和分析。主要得出以下結論。

1）高溫作用后灌漿套筒抗拉性能主要破壞形態包括鋼筋拉斷和端部灌漿料拔出兩種模式；

2）溫度對灌漿套筒抗拉承載力破壞模式較大，當受火時間達 30 min 時，破壞模式由鋼筋拉斷變為端部灌漿料拔出。Q