钢筋灌浆套筒连接是目前装配式混凝土结构中常见的竖向钢筋连接方法, 其应用已有50余年的历史。从20世纪60年代后期Alfred A.Yee首次提出钢筋套筒灌浆连接技术后, 该技术很快被应用到美国、日本等国家的工程项目中^[1]。此后, 专家学者展开了一系列的研究工作^[2,3,4,5], 套筒灌浆连接逐渐在装配式混凝土框架结构和剪力墙结构中得到广泛应用。近年来, 我国也引入了该项技术, 并制定了相关的技术规范与标准^[6,7]。工程技术人员开展了大量研究工作, 并取得了一些创新成果。

灌浆套筒连接件由钢筋、套筒和灌浆料三部分构成。套筒一般采用球墨铸铁或机械加工制造而成, 连接钢筋插入带有凸肋的套筒内, 通过套筒底部的注浆孔注入微膨胀高强度灌浆料, 钢筋和套筒借助硬化后的灌浆料牢固粘合形成一体, 利用套筒内侧的凸肋和钢筋螺纹之间的灌浆料进行传力。为深入研究灌浆套筒的受力性能, 文中采用有限元软件ABAQUS对10个灌浆套筒连接件进行了力学性能模拟, 并与试验值进行了对比分析, 通过研究其破坏过程、破坏形态、荷载-位移曲线、筒壁荷载-应变等性能, 得出钢筋直径、钢筋偏移与钢筋强度对节点承载力的影响。

同济大学吴小宝^[8]设计了10种连接试件, 包括4种常规轴心受拉构件, 钢筋屈服强度分别为400 MPa与500MPa, 直径分别为14mm、16mm、20mm和22mm。钢筋直径为16mm, 在其中2个试件钢筋与套筒中心线之间设置了偏位, 试件参数如表1所示。灌浆料的力学性能采用28d养护结果。试验加载采用同济大学工程耐久性实验室的500kN电液伺服万能材料试验机加载, 加载方式为单向拉伸。套筒材料采用球墨铸铁, 屈服强度为370MPa。

由于套筒内灌浆料的本构关系尚无成熟理论模型, 该项研究灌浆料采用弹塑性模型, 泊松比为0.2。通过定义材料的极限弹性应力和杨氏模量来实现弹性阶段的应力-应变关系, 而非弹性阶段的应力-应变关系则采用规范^[9]提供的混凝土应力-应变关系来确定。为了验证模型参数的准确与否, 对C80混凝土的模型参数进行了ABAQUS验证。C80混凝土, 泊松比为0.2, 弹性模量为33GPa, 如表2所示。

受拉情况:y=^x_{αt (x-1) 1.7+x}, x>1 (1)

式中:f_tk—灌浆料的单轴抗拉强度, N/mm²;

ε_tk—与单轴抗压强度f_tk相应的灌浆料拉应变;

α_t—单轴受拉应力-应变曲线上升段的参数值, 按规范^[[9]]取值;

α_α, α_d—单轴受压应力-应变曲线上升段、下降段的参数值, 按规范^[[9]]取值;

f_ck—灌浆料的单轴抗压强度, 取灌浆料棱柱体抗压强度, N/mm²;

ε_ck—与单轴抗压强度f_ck相应的灌浆料压应变。

钢筋的应力-应变关系采用弹塑性硬化的两折线模型, 如图1所示。其中弹性模量E_s=2.0×10⁵ MPa、屈服强度fy、强化段应变长度Δε_y及极限强度fu根据材性试验确定, 泊松比为0.3。

套筒材料为球墨铸铁, 采用理想的弹塑性模型, 据规范^[10], 屈服强度为370 MPa, 弹性模量为2.1×10⁵MPa, 泊松比为0.3。套筒注浆搭接试件锚固长度L (一般L=8d, d为钢筋直径) 的计算公式如式 (4) ~ (6) :

σ_y—钢筋应力, kN;

f_stk—钢筋抗拉强度标准值, N/mm²;

τ_u—灌浆料的极限切应力, 试块尺寸为40mm×40mm×160mm的棱柱体的抗压强度, N/mm²;

f_cu—灌浆料抗压强度, N/mm²。

采用实体单元进行模型建立, 灌浆料、套筒及钢筋均采用C3D8R单元, 考虑到该单元对位移的求解有比较精确的结果, 而且当网格存在扭曲变形时, 分析精度不会产生太大影响。

对于钢筋拉断的试件, 钢筋与灌浆料接触面接触良好, 无粘结滑移, 因此模型的钢筋与灌浆料之间均采用“tie”连接。采用位移控制对有限元整体模型进行单向拉伸加载。为方便提取拉力值, 在钢筋端部的加载位置进行了刚性处理, 把钢筋上的均布力变成集中荷载, 钢筋另一端对6个自由度全约束。采用结构化网格划分技术, 网格模型如图2所示。

对于刮犁式拔出的试件, 钢筋与灌浆料之间采用减小钢筋与灌浆料连接面积的方法进行等效^[11], 灌浆料模型分为内外2个筒体, 2个筒体之间采用固结连接, 如图3所示。内筒与钢筋采用部分固结连接, 连接面积为两者重叠面积的30%。

利用ABAQUS对试件进行模拟, 将数值分析结果与试验结果做对比, 如图4~图8所示。

观察图4~图8发现, 钢筋连接件荷载-变形曲线的模拟结果略大于试验结果, 偏心试件模拟结果和试验结果吻合较好。最大荷载值的相对误差:试件H400-20为25%, 试件H500-16为5.2%, 其余试件为3%左右, 偏移试件基本都为1%左右。通过ABAQUS建立模型得到的模拟结果整体较好。表3所示为有限元分析结果与试验结果的对比。

取4个不同直径的试件研究套筒与钢筋的荷载-应变关系。为测量试验中钢筋与套筒的应变情况, 在套筒中部位置沿纵向设置应变片S1, 在灌浆连接的钢筋表面沿钢筋轴向设置应变片S2, 利用ABAQUS得出S1、S2 (如图9所示) 的荷载-应变曲线 (如图10所示) 发现套筒最大值未达到屈服荷载, 处于弹性阶段。钢筋的受力曲线与灌浆套筒连接件的受力曲线基本一致, 屈服前, 钢筋的应变随荷载增大而增大;屈服后, 荷载变化不大, 应变明显增大。

选取所建模型试件作为研究对象, 对其在模型中的单一变量进行有效的控制和调整, 分别考虑钢筋直径、钢筋强度、钢筋偏移等参数对试件承载力的影响。

针对研究对象, 取3种钢筋直径:14mm、16mm和22mm, 观察和研究钢筋直径对试件承载力的影响, 结果如图11所示。

由图11得出:荷载-位移图与单向拉伸钢筋类似, 单向拉伸先屈服后强化, 最后在最薄弱处拉断, 试件的极限承载力几乎与单向拉伸钢筋的承载力等同。钢筋最大直径所得的最大承载力值约为钢筋最小直径所得的最大承载力值的2.5倍。随着钢筋直径的提高, 试件的最大承载力值也随之增大, 表明钢筋直径对试件承载力有显著影响。

选取H400-14、H500-14试件, 将钢筋强度作为单一变量, 将得到400MPa、500MPa强度下的荷载位移曲线进行比较, 分析钢筋强度对试件承载力的影响, 结果如图12所示。

通过图12对比发现, 灌浆套筒连接件破坏过程分为弹性、屈服、强化、颈缩4个阶段, 试件H500-14承载力高出H400-14承载力10%左右, 表明钢筋强度的变化对试件承载力影响明显, 钢筋强度越大, 试件承载力越高。

考虑到工程施工中预埋套筒与连接钢筋对位时可能出现偏位情况, 因此针对该试验选取试件H400-16、H400-16-2和H400-16-4, 研究其在偏移距离0mm、2mm、4mm条件下的试件承载力。结果如图13所示。

通过图13对比发现, 偏心试件模拟结果和无偏心试件模拟结果基本重合, 表明钢筋偏移的变化对试件承载力影响不显著。

(1) 灌浆料的本构模型可参考混凝土的本构模型进行模拟, 经过对比分析, 试验结果与数值分析结果吻合较好, 验证了模型参数选取的合理性。

(2) 灌浆套筒连接件破坏过程也分为弹性、屈服、强化和颈缩4个阶段, 这与钢筋的破坏过程相似。钢筋直径和强度对试件承载力都有显著影响。当试件破坏形态为钢筋被拉断时, 钢筋偏位对试件承载力不会产生影响。

(3) 套筒在整个模拟过程中始终处于弹性阶段, 应变相对较小, 符合强度要求。