裝配式結構中半灌漿套筒鋼筋連接的本構關系研究

徐若琳 崔永坤

（1.青建集團股份公司，山東 青島 266000；2.山東新中魯建設有限公司，山東 青島 266000）

裝配式建筑是新型綠色建筑的重要發展方向，成為目前土木工程領域的研究重點。裝配式建筑是通過對工程預制構件的標準化制作，運抵現場后通過節點拼接形成整體建筑。在眾多的節點連接方式中，灌漿套筒連接是最為成熟和應用最為廣泛的方法，具有施工便捷、力學性能可靠等優點[1]。灌漿套筒連接分為全灌漿套筒頭和半灌漿套筒，半灌漿套筒頭可連接的鋼筋直徑范圍廣，套筒外直徑小，能夠顯著縮短套筒長度，且使得現場的灌漿工作量減半，大大提高了施工現場的效率和降低了接縫密封的難度[2-3]。目前，有關半灌漿套筒鋼筋連接的工程實踐應用研究較多，但對于其本構關系的理論研究較匱乏，導致實際應用過程中低估或超估了其力學性能，在結構設計和力學計算時往往產生較大的誤差，特別在結構節點抗震設計和動力學設計方面無法得到可靠性結果。因此，研究裝配式建筑結構中半灌漿套筒鋼筋連接的本構關系具有十分重要的實際意義[4]。

土木工程材料的本構關系最為可靠和精確的研究方法為室內試驗方法，對于鋼筋類材料的本構關系研究方法一般通過室內試驗中的單向拉伸試驗或者循環加載進行[5-6]。基于此，本文依托山東省青島市某裝配式多層商業辦公樓為研究背景，運用室內試驗的方法，制作了半灌漿套筒頭鋼筋連接模型，通過單調拉伸試驗和反復循環加載試驗獲得其應力-應變曲線，提出半灌漿套筒頭鋼筋的本構關系曲線模型，研究成果可應用于裝配式建筑結構的節點連接設計與計算。

1 工程概況

山東省青島市某多層商業辦公樓建筑總面積為71000m2，建筑高度達到23.45m，地上4層，地下1層，地下結構采用現澆框架結構，地上建筑結構采用裝配式框架結構，裝配化率為78%，為高裝配化多層建筑。裝配式結構柱尺寸為450mm×450mm，采用C40 鋼筋混凝土預制；裝配式墻體厚度為300mm，采用C30鋼筋混凝土預制；裝配式空心樓板厚度為150mm，標準長度為3m，采用C30 混凝土預制。預制構件之間水平縫和垂直縫之間均采用半灌漿套筒頭連接，如圖1所示。半灌漿套筒一端為空腔、一端為套絲內壁的連接件，空腔內部帶有抗剪鍵，表面留有與空腔聯通的出氣口和灌漿孔，施工時，螺紋連接鋼筋旋入灌漿套筒螺紋側，灌漿帶肋鋼筋插入空腔側，隨后從灌漿孔注入高強水泥漿，鋼筋受力通過灌漿套筒頭內壁的抗剪鍵與插入鋼筋橫肋之間的硬化水泥漿進行傳遞。

圖1 半灌漿套筒頭連接方式

2 裝配式結構半灌漿套筒連接物理模型試驗

2.1 試驗材料

為了研究半灌漿套筒鋼筋的連接性能和本構關系，試驗所用的套筒型號、鋼筋材料、灌漿料等均與實際工程一致。試驗所用的鋼制套筒為北京思達建茂科技發展有限公司生產的GT/CT 系列國標45#灌漿鋼套筒，經過性能測試，鋼套筒的屈服強度fsy為399MPa，極限強度為fsu為630MPa，彈性模量Es為209000MPa，泊松比μ為0.269，斷后伸長率ε為22.1%，半灌漿套筒的出漿孔和灌漿孔寬度為20mm，半灌漿套筒的強度L為140mm，壁厚為4.5mm。試驗選用的鋼筋為HRB400級鋼筋，鋼筋直徑為12mm，鋼筋屈服強度為屈服強度fsy為460MPa，極限強度為fsu為593MPa，彈性模量Es為207144MPa，泊松比μ為0.300，斷后伸長率ε 為22.9%。試驗用的套筒灌漿料為北京思達建茂科技發展有限公司生產的CGMJM 系列灌漿料，經過性能測試，灌漿料的1d 抗壓強度為38MPa，3d 抗壓強度為65MPa，28d 抗壓強度為92MPa，豎向膨脹率為0.1%，氯離子含量為0.01%，流動度初始值為335mm，30min 流動度為305mm。拉伸過程中的應變測試采用BX120-3AA應變片，電阻率為120Ω。靈敏系數為2.08，靈敏柵尺寸為3mm×2mm，基底尺寸為6.5mm×4mm，量程為50000με，應變片粘貼在鋼筋的內部。

2.2 試驗方法

為研究半灌漿套筒鋼筋連接的受力與變形的關系，在室內試驗中對制作的半灌漿套筒試件進行了兩種不同的荷載加載方式，分別為單向拉伸試驗和反復循環拉伸試驗。試驗過程均采用位移控制，每種試驗均在常溫下進行3次試驗，試件出現斷裂或者鋼筋滑移時認為已達到承載力極限，可以停止試驗。單向拉伸試驗設備為三思CMT5305 電液伺服試驗機，其最大試驗量程為350kN，反復循環拉伸設備為英斯特朗（INSTRON）1342型電液伺服材料試驗機，可以自動記錄試件拉伸過程中的應力、應變和位移等參數，最大量程為500kN。如圖2所示，單向拉伸試驗的加載方式為保持恒定的拉伸位移，位移量為0.5mm；反復循環拉伸試驗為位移為周期式升高，即0→0.5mm→-0.5mm→1.0mm→-1.0mm→……，直至試件破壞[7-8]。為了對比半灌漿套筒連接試件的力學性能，對連接件中的HRB400鋼筋也進行了的單向拉伸平行試驗，試驗次數也為3 次，試件編號為GJ1、GJ2 和GJ3。半灌漿套筒的連接試件單向拉伸試驗的編號為DX1、DX2 和DX3，反復循環拉伸試驗的編號為XH1、XH2和XH3。

圖2 單向拉伸試驗和反復循環拉伸試驗的加載方式

3 半灌漿套筒鋼筋連接本構關系分析

圖3為HRB400 鋼筋的單向拉伸試驗應力應變曲線。從圖3中可以看出，3個鋼筋拉伸試件的應力應變曲線變化過程基本一致，大致呈4 個階段的變化過程，分別為彈性變形階段、屈服變形階段、塑性非線性變形階段、塑性破壞階段。在加載初期，在小位移量下鋼筋試件的荷載迅速增加，應力與應變之間的關系呈現線性關系，應變量為0.21%以內，此階段為彈性變形階段；隨后，位移的增加并不明顯增加荷載，應力出現 “平臺” 現象，維持在一個較為恒定的數值，約為463MPa，應變范圍在0.21%～1.34%之間，這個階段為屈服變形階段；繼續加載，鋼筋的應力應變曲線呈現明顯的非線性變化，但其增長速度比彈性變形階段明顯放緩，應變范圍在1.34%～5.23%之間，此階段為塑性非線性變形階段；最后，鋼筋試件的應力增加較小的情況下，應變大幅度增加，應力應變曲線不斷趨于收斂，應變范圍在5.23%～28%之間，應力達到最大值598MPa，這個階段為塑性破壞階段。

圖3 HRB400鋼筋的單向拉伸試驗應力應變曲線

圖4為半灌漿套筒的單向拉伸試驗應力應變曲線。從圖4中可以看出，3 個半灌漿套筒試件的應力-應變曲線變化過程基本一致，其變化過程與單向拉伸鋼筋的應力-應變曲線不同，應變極限值遠遠小于鋼筋的應變極限值，應力-應變曲線大致呈3個階段的變化過程，分別為彈性變形階段、屈服變形階段、塑性破壞階段。在加載初期，在小位移量下鋼筋試件的荷載迅速增加，應力與應變之間的關系呈現線性關系，應變量為0.01%以內，此階段為彈性變形階段；隨后，位移的增加并不明顯增加荷載，應力出現 “平臺” 現象，維持在一個較為恒定的數值，屈服應力約為463MPa，應變范圍在0.01%～0.014%之間，這個階段為屈服變形階段；繼續加載，鋼筋的應力-應變曲線呈現明顯的非線性變化，但其增長速度比彈性變形階段明顯放緩，并不斷趨于收斂，應力極大值為563MPa，應變范圍在0.014%～0.6%之間，此階段為塑性破壞階段。

圖4 半灌漿套筒單向拉伸試驗應力應變曲線

綜合圖3和圖4，對應力應變的特征點進行提取，并用回歸分析方法得到半灌漿套筒連接的本構模型如圖5和圖6所示。由此可知，HRB400 鋼筋的本構關系模型為4段式，其分段函數如公式（1）所示；半灌漿套筒的本構關系模型為3段式，其分段函數如公式（2）所示。

圖5 HRB400鋼筋的本構關系模型

圖6 半灌漿套筒的本構關系模型

式中σ1為鋼筋的應力，MPa；ε1為鋼筋的應變，%；σ2為半灌漿套筒的應力，MPa；ε2為半灌漿套筒的應變，%。

對反復循環加載試驗的應力-應變骨架曲線進行提取，并與公式（2）的本構關系曲線進行對比，結果如圖7所示。從圖7中可以看出，反復循環加載試驗應力應變骨架曲線與本構關系擬合得非常好，表明提出的3段式本構關系具有可靠性。

圖7 基于反復循環加載試驗的半灌漿套筒的本構關系模型驗證

4 結語

以山東省青島市某多層裝配式商業辦公樓為研究背景，運用室內試驗的方法，制作了半灌漿套筒頭鋼筋連接模型，通過單調拉伸試驗和反復循環加載試驗獲得其應力-應變曲線，提出半灌漿套筒頭鋼筋的本構關系曲線模型，得到以下結論：

（1）鋼筋拉伸試件的應力-應變曲線大致呈4 個階段的變化過程，分別為彈性變形階段、屈服變形階段、塑性非線性變形階段、塑性破壞階段。

（2）半灌漿套筒試件的應力-應變曲線變化過程與單向拉伸鋼筋的應力-應變曲線不同，應變極限值遠遠小于鋼筋的應變極限值，應力-應變曲線大致呈3個階段的變化過程，分別為彈性變形階段、屈服變形階段、塑性破壞階段。

（3）回歸擬合表明，HRB400 鋼筋的本構關系模型為4 段式，半灌漿套筒的本構關系模型為3 段式，反復循環加載試驗進一步驗證了本構關系模型的可靠性。