装配式结构是在施工现场将钢筋混凝土预制构件连接在一起, 并进行现场浇筑。在装配式结构中, 预制构件的钢筋连接尤其是纵向钢筋连接尤为重要。20世纪60年代, 余占疏发明了钢筋套筒灌浆连接件, 很好地解决了装配式结构构件之间的钢筋连接问题, 并且有效实现了“装配等同现浇”的设计要求。近年来, 国内外专家学者对钢筋套筒灌浆连接件在静力荷载、动力荷载以及循环荷载作用下的力学连接性能、粘结滑移机理等方面进行了系统研究^[1,2,3,4,5]。但是, 这些研究大都以常温状态为主, 而对高温状态下钢筋套筒灌浆连接构件的连接性能以及破坏机理研究, 国内外文献鲜有报导。

随着现代科技水平的长足发展, 人类防火意识日渐提高, 防火、灭火技术也越来越先进, 但仍会因各种原因而导致火灾的发生, 其中发生频率最高、损失最严重的当属建筑火灾。因此, 作为装配式结构关键技术之一的钢筋套筒灌浆连接件, 其抗火性能也显得极其重要。本文以连接Φ25钢筋的钢筋套筒灌浆连接件为研究对象, 对其在不同温度下的连接性能进行数值模拟研究, 旨在对钢筋套筒灌浆连接件的优化设计提供科学依据。

根据连接Φ25钢筋的钢筋套筒灌浆连接件的实际尺寸, 确定构件数值模型的几何尺寸, 如表1所示。

在轴向拉伸荷载作用下的钢筋套筒灌浆连接构件, 其几何形状和荷载情况在轴向方向具有对称性, 且在圆周方向具有轴对称性, 故可采用ABAQUS有限元软件建立沿轴向方向的1/2轴对称数值模型, 如图1所示。在套筒右端横截面施加关于XZ平面对称的约束条件, 即在套筒右端的XZ横截面内, 构件在Y方向上的线位移为0, 构件绕X轴和Z轴的转角位移为0。

本文采用顺序耦合法对钢筋套筒灌浆连接构件进行高温力学性能分析, 即首先对构件进行温度场模拟, 然后将温度场分析结果*.ODB文件以预定义荷载的形式施加在构件模型中, 进而进行高温下构件的连接性能分析。在热传递分析中, 钢筋、灌浆料及套筒采用DCAX4单元;在连接性能分析中, 钢筋、灌浆料及套筒采用CAX4单元。由于灌浆料的应力状态对构件连接性能的影响非常关键, 因此在数值模型网格划分过程中, 对灌浆料部分采取了局部细化。钢筋套筒灌浆连接构件数值模型的网格划分如图2所示。

ABAQUS基于热力学第一定律对钢筋套筒灌浆连接构件进行热传递分析, 构件受火面的温度主要受热对流交换系数 (取值为25W/ (m²·℃) ) 和热辐射系数 (取值为0.8) 控制, 构件内部主要以热传导方式传递热量。结合升温曲线, 可对构件模型进行温度场分析, 本文采用10℃/s的恒定升温曲线。为使钢筋套筒灌浆连接构件内部能够达到传热均匀的状态, 在温度达到设定温度时, 恒温1h。

钢筋导热系数和膨胀系数采用Lie^[6]提出的计算公式, 钢筋比热采用李引擎等^[7]提出的计算公式, 如表2所示。灌浆料导热系数和膨胀系数采用Lie^[6]提出的计算公式, 灌浆料比热采用李卫等^[8]提出的计算公式, 如表3所示。关于套筒的热工参数, 采用周文君等^[9]提供的数据, 如表4所示。

当钢筋套筒灌浆连接构件达到设定温度时, 构件温度云图如图3所示。在恒定升温曲线作用下, 提取不同时刻钢筋套筒灌浆连接构件轴向中截面处的套筒表面和钢筋表面的温度数据, 可以得到二者温度随时间的变化曲线, 如图4和图5所示。由图3～图5可以看出:在不同设定温度情况下, 构件内部传热相对均匀;随着设定温度的升高, 使构件内部传热均匀所需要的受火时间也随之增加。当设定温度为500℃时, 使构件内部传热均匀所需要的受火时间约为1h。

灌浆料的常温本构关系采用ABAQUS提供的损伤塑性本构模型 (Concrete Damaged Plasticity) , 其高温本构关系采用胡海涛等^[10]提出的高强混凝土高温弹塑性本构模型;钢筋的高温本构关系采用李卫等^[8]提出的钢筋高温本构模型;套筒材质为球墨铸铁, 采用球墨铸铁高温弹性本构模型。钢筋套筒灌浆连接构件中各材质的高温力学参数如表5、表6、表7所示。

基于恒定升温曲线, 本文采用顺序耦合法对钢筋套筒灌浆连接构件进行温度-位移耦合分析, 即在构件温度场的基础上, 在钢筋端部施加轴向拉伸荷载, 荷载速率为10MPa/s, 荷载终值为钢筋极限拉伸荷载。在不同设定温度下, 当钢筋端部轴向拉伸荷载达到钢筋极限拉伸荷载时, 钢筋和套筒的Mises应力云图、灌浆料的最大、最小主应力云图如图6～图9所示, 分析结果如表8所示。

由图6和图7可知:钢筋Mises应力最大值出现在钢筋承载端的第一个钢筋肋处, 套筒Mises应力最大值出现在与灌浆料接触的第一个套筒肋处。从数值计算结果中提取钢筋、套筒最不利位置处的数据并绘制Mises应力-位移曲线, 如图10和图11所示。

由表8可知, 随着受火温度的升高, 钢筋套筒灌浆连接构件的轴向抗拉荷载随之降低。图10为钢筋最不利位置处 (即钢筋承载端的第一个钢筋肋处) 的Mises应力-位移曲线, 其横坐标代表着钢筋从套筒内部的拔出位移值。由图10可知, 在高温300℃、400℃、500℃情况下, 当钢筋最不利位置处的Mises应力分别达到370MPa、290MPa、205MPa时, 钢筋套筒灌浆连接构件将出现类似于屈服的现象, 即钢筋从套筒内部拔出的位移值开始显著增加。结合图8和图9可知, 随着受火温度的升高, 灌浆料的最大主应力值随之降低, 套筒内部的灌浆料将从三向受压状态逐渐转化为两向受压状态, 从而降低了套筒、灌浆料、钢筋三者之间的咬合力, 这也是高温情况下钢筋套筒灌浆连接构件的失效机理。

本文基于顺序耦合法, 采用有限元软件ABAQUS对连接Φ25钢筋的钢筋套筒灌浆连接构件在高温下的连接性能进行了数值模拟研究, 并得出以下相关结论。

(1) 基于设定的升温曲线, 在不同高温作用下, 钢筋套筒灌浆连接构件内部传热均匀;随着设定温度的升高, 使构件内部传热均匀所需要的受火时间也随之增加。当设定温度为500℃时, 使构件内部传热均匀所需要的受火时间约为1h。

(2) 在轴向拉伸荷载作用下, 钢筋的Mises应力沿轴向方向从钢筋承载端向非承载端逐渐降低, 最不利位置出现在钢筋承载端的第一个钢筋肋处;套筒的Mises应力沿轴向方向从套筒端部到中部逐渐增大, 最不利位置出现在与灌浆料接触的第一个套筒肋处;灌浆料的应力分布较为均匀。随着受火温度的升高, 灌浆料的最大主应力值随之降低, 套筒内部的灌浆料将从三向受压状态逐渐转化为两向受压状态, 钢筋套筒灌浆连接构件的轴向抗拉荷载随之降低。