鋼筋直徑及錨固長度對灌漿套筒錨固性能影響的試驗研究

胡賽軍 HU Sai-jun

（中鐵十四局集團第三工程有限公司楊柳立交項目，濟寧 272000）

0 引言

套筒灌漿鋼筋連接是連接預制構件縱向鋼筋的主要形式，其性能直接影響建筑構件的整體性。該技術起源于美國，隨著該技術發展與實際工程的運用，先后被多個國家相關領域的權威結構認定為鋼筋連接的重要技術。國內研究起步雖然較晚，但是目前已經進行了部分探索工作，第二十屆全國現代結構工程學術研討會上肖博仁首次對于套筒灌漿技術的發展歷史、使用現狀以及在實際工程中遇到的各種問題做了總結分析[1]。在通過自然環境下套筒灌漿連接的大量研究發現，其力學性能與連接鋼筋直徑、強度、形狀等自身特性有著密切關系；與灌漿料強度、養護齡期等自身特性以及內部構造、錨固長度和鏈接形式[2-3]等有著密切影響關系；在一定范圍內增大鋼筋錨固長度、灌漿料強度可有效地提高鋼筋套筒灌漿連接的拉伸性能。然而通過現有灌漿套筒在裝配式建筑應用中的統計分析發現，目前已有灌漿套筒在裝配式建筑應用中灌漿套筒錨固連接性能發揮不充分、加工工序復雜且成本高，不能普遍推廣應用。為解決這一關鍵技術問題，本試驗在總結國內外現有的研究基礎上，提出灌漿套筒性能可能會受預留鋼筋直徑和錨固長度的影響，采用普通無縫鋼管進行試驗，該套筒冷加工制作，成本較低，尺寸適中，便于施工。通過設計3組試件，分別從錨固鋼筋直徑及錨固長度對灌漿套筒錨固性能的影響規律進行探索，給出錨固長度鋼筋直徑的關系，為灌漿套筒的設計提供參考，為鋼筋套筒灌漿連接的推廣與應用奠定理論基礎。

1 試驗概況

1.1 灌漿套筒方案

套筒連接試件共包括三個部件：①鋼筋：采用等級為HRB400級鋼筋；②灌漿料，采用套筒連接專用灌漿料；③套筒，采用優質碳素鋼結構制成。試件簡圖如圖1所示，其中L為鋼筋段長度，L0為鋼筋錨固長度。

圖1 灌漿套筒截面示意圖

本次試驗所采用鋼筋直徑分別為40mm、30mm、20mm；錨固長度分別為200mm、300mm、400mm。根據試驗需要，對鋼筋進行相應處理。設計如表1所示。其中d為鋼筋直徑，且按照規范L0≥8d=320mm。套筒試件根據試驗設計方案，進行切割、車絲。

表1 試驗設計與參數

1.2 灌漿套筒材料

1.2.1 鋼筋

為保證灌漿缺陷處參數變量的唯一性，鋼筋取試驗同批次，數量3根，長度為1200mm，測量鋼筋的屈服強度和抗拉強度，結果取平均值。本次試驗采用試驗設備為美特斯工業系統（中國）有限公司設計的萬能試驗機，設備型號為SHT4106，最大載荷1000kN。本次試驗所取鋼筋長度依據規范要求取55cm，拉伸兩端錨固長度不小于夾具長度的2/3，故取值10cm。

通過拉伸試驗可知，該試件屈服拉力為338.53kN，所承受的最大拉力為470.22kN，通過計算可得其屈服強度為478.62MPa，鋼筋材料試驗結果需滿足文獻[4]中的相關規范要求。

圖2 拉伸試驗圖示

圖3 試件損壞圖示

1.2.2 灌漿材料

灌漿材料以水泥基灌漿料為主，試驗用水采用飲用水。該試驗試件養護1d齡期后拆模，然后置于標準養護室養護，測試齡期為1d，7d，14d，21d，28d，共需試件60個。該試驗試件置于標準養護室養護，測試齡期為28d抗壓強度，由圖4灌漿料抗壓強度試驗結果可知，該灌漿料為早強型，且其1d齡期及28d齡期抗壓強度分別為80.5MPa、1065MPa，滿足現行國家標準[5]的規范要求。

圖4 抗壓強度圖示

抗折強度：灌漿料抗折強度試驗結果如圖5所示。由圖5可知，該灌漿料為早強型，且其1d齡期及28d齡期抗折強度滿足現行國家標準[5]的規范要求。

圖5 抗折強度圖示

1.2.3 套筒

套筒采用等級為HRB400級鋼材。

1.3 試件制作

1.3.1 電阻應變計布置

為測得鋼筋在拉伸過程中產生的應力及應變的變化規律，鋼筋打磨后縱肋處粘貼電阻應變計。應變計選用無端子免焊型120-5AA電阻應變計。現場如圖6所示。

圖6 電阻應變計分布（設計）

1.3.2 灌漿套筒制作

套筒利用低合金無縫鋼管通過三軸滾輪滾壓工藝冷加工而成。為方便套筒提供灌漿，在灌漿套筒中設置灌漿孔和排氣孔，該工藝對套筒錨固性能影響較小。灌漿前先將連接鋼筋插入套筒，然后從試件下部灌漿孔灌漿，灌漿料從上部出漿孔流出時即為灌滿。

圖7 切割鋼筋

圖8 灌漿套筒

1.4 試驗內容

本次試驗主要內容如下：①鋼筋直徑對灌漿套筒錨固性能影響規律的試驗研究；②錨固長度對灌漿套筒錨固性能影響規律的試驗研究。

加載制度參考文獻[4]規定要求，三種試驗加載制度見表2。單向拉伸試驗先以0.5kN/S應力控制加載，測試殘余變形后以5mm/min位移控制加載。試驗結束判斷條件：鋼筋斷裂或荷載下降至峰值荷載85%以下，總伸長率Asgt計算公式為：

表2 試驗加載制度

式中：f0mst為試件達到最大力時的鋼筋拉應力；E為鋼筋彈性模量；LO2為測試后長度；LO1為測試前長度。

1.5 試驗加載裝置

本次試驗分析采用等位移法，即套筒在萬能試驗機拉力作用下，內部鋼筋和灌漿料產生相對位移值達到25mm時所對應的拉力規定為試驗最大拉力；并分析不同鋼筋直徑、不同錨固長度兩種情況下的拉力變化趨勢。試驗所采用儀器為WAW-1000G電液伺服萬能試驗機，如圖9所示；萬能試驗機灌漿套筒拉伸現場如圖10所示。采用萬能試驗機進行測試，試驗機量程為1000kN。承載力和位移通過試驗機加載系統自動采集，應變采集選用TS3862靜態電阻應變儀測試，破壞深度采用游標卡尺對試樣剖面測量獲得。

圖9 萬能試驗機

圖10 灌漿套筒拉伸

2 試驗結果分析

2.1 鋼筋直徑對錨固性能影響的試驗結果分析

同一錨固情況下3種直徑鋼筋對灌漿套筒錨固性能影響的試驗分析結果分別如圖11、圖12、圖13所示。從圖11、圖12的分析結果發現，錨固長度L0=200mm、L0=300mm時，內部鋼筋和灌漿料在產生同一相對位移值的情況下，內部鋼筋和灌漿料產生相對位移值在11mm之前，隨著產生同一相對位移的增加，3種直徑的鋼筋所承受的負荷接近；達到11mm之后隨著相對位移的增加，直徑D=40mm、D=30mm的鋼筋負荷增長快；直徑D=20mm的鋼筋承受的負荷增加緩慢。錨固長度L0=200mm、L0=300mm時，相對位移達到25mm時，D=40mm的鋼筋所承受的負荷相對直徑D=20mm和D=30mm的鋼筋分別提高了65.4%、68.8%和28.8%、37.3%；其兩種錨固長度對應D=20mm和D=30mm的鋼筋分別平均提高了67.1%、33%。

圖11 錨固長度為20cm

圖12 錨固長度為30cm

圖13的分析結果發現，錨固長度L0=400mm時，內部鋼筋和灌漿料在產生同一相對位移值的情況下，隨著內部鋼筋和灌漿料在產生同一相對位移的增加，直徑D=30mm、D=40mm的鋼筋所承受的負荷接近，直徑D=20mm的鋼筋所承受的負荷最小。相對位移達到25mm時，D=40mm的鋼筋所承受的負荷相對直徑D=20mm和D=30mm的鋼筋分別提高了4.32%和2.8%。

圖13 錨固長度為40cm

由以上分析可知當錨固長度一定時，鋼筋直徑越大，曲線變化趨勢越陡，即產生相同位移所需的力越大；3種同一錨固長度不同鋼筋直徑對錨固性能影響的試驗綜合分析結果顯示，灌漿套筒內部鋼筋和灌漿料產生相對位移值達到25mm之前，錨固長度L0=200mm和L0=300mm時，宜使用直徑D=30mm的鋼筋經濟；錨固長度L0=400mm時宜使用直徑D=20mm的鋼筋經濟。

2.2 錨固長度對錨固性能影響的試驗結果分析

同一直徑情況下3種錨固長度對灌漿套筒錨固性能影響的試驗分析結果分別如圖14、圖15、圖16所示。從圖14、圖15的分析結果發現，在產生同一相對位移值的情況下，隨著同一相對位移的增加，錨固長度L0=200mm和L0=300mm所承受的負荷接近；當內部鋼筋和灌漿料產生相對位移值達到24mm之后，錨固長度L0=200mm、L0=300mm和L0=400mmmm三種錨固長度所承受的負荷接近。直徑D=20mm、D=30mm時，相對位移達到25mm時，錨固長度L0=400mm的所承受的負荷相對錨固長度L0=200mm、L0=300mm時分別提高了4.3%、0.9%和2.8%、3.3%；其兩種錨固長度對應的鋼筋分別平均提高了2.6%、2.1%。

圖14 2cm直徑鋼筋圖示

圖15 3cm直徑鋼筋圖示

圖16 4cm直徑鋼筋圖示

圖16的分析結果發現，在內部鋼筋和灌漿料產生同一相對位移值時，相對位移值達到3mm之前，隨著內部鋼筋和灌漿料在產生同一相對位移的增加，三種錨固長度所承受的負荷接近；相對位移值達到3mm之后，錨固長度L0=300mm所承受的負荷僅次錨固長度L0=400mm所承受的負荷，錨固長度L0=200mm所承受的負荷最小。相對位移達到25mm時，錨固長度L0=400mm所承受的負荷相對錨固長度L0=200mm和L0=300mm時分別提高了29.7%和26.7%。通過試驗所得的鋼筋最大拉應力發現錨固長度L0=400mm時，3種鋼筋直徑D=20mm、D=30mm、D=40mm對應的最大拉應力分別為：240MPa、160MPa、120MPa，遠小于屈服強度。

由以上分析可知當鋼筋直徑一定時，隨著錨固長度的增加，產生相對位移所需的力也隨之增大，3種同一直徑不同錨固長度對錨固性能影響的試驗綜合分析結果顯示，灌漿套筒內部鋼筋和灌漿料產生相對位移值達到25mm之前，使用直徑D=20mm、D=30mm的鋼筋宜選用錨固長度L0=300mm；直徑D=40mm的鋼筋宜選用錨固長度L0=200mm。

3 結論

本試驗分別對鋼筋直徑、錨固長度對灌漿套筒錨固性能影響進行試驗研究，得出以下主要結論：①當錨固長度一定時，鋼筋直徑越大，曲線變化趨勢越陡，即產生相同位移所需的力越大；3種同一錨固長度不同鋼筋直徑對錨固性能影響的試驗綜合分析結果顯示：灌漿套筒內部鋼筋和灌漿料產生相對位移值達到25mm之前，錨固長度L0=200mm和L0=300mm時宜使用直徑D=30mm的鋼筋；錨固長度L0=400mm時宜使用直徑D=20mm的鋼筋。②當鋼筋直徑一定時，隨著錨固長度的增加，產生相對位移所需的力也隨之增大，這是因為錨固長度越大，灌漿料與鋼筋的接觸面積越大，產生的握裹力也就越大。3種同一直徑不同錨固長度對錨固性能影響的試驗綜合分析結果顯示：灌漿套筒內部鋼筋和灌漿料產生相對位移值達到25mm之前，使用直徑D=20mm、D=30mm的鋼筋宜選用錨固長度L0=300mm；直徑D=40mm的鋼筋宜選用錨固長度L0=200mm。③切應力與鋼筋直徑呈正相關關系，與錨固長度成負相關關系。錨固鋼筋切應力試驗值大于理論，對理論值進行修正并給出了修正后的計算方法，其錨固鋼筋直徑D=20mm、30mm、40mm對應的修正系數ψ分別為1.39、1.24、1.13，修正后的值和試驗值的誤差3%以內。該成果驗證了該類型灌漿套筒的可行性，為灌漿套筒的設計提供參考，也為鋼筋套筒灌漿連接的推廣與應用奠定理論基礎。