近年来, 国家大力推进建筑工业化与现代化, 不断提升装配式建筑在新建建筑中的比例。作为保证装配式建筑结构整体安全稳定的关键, 预制构件间钢筋的连接问题一直是一个核心难题。装配式建筑相较于传统的建筑结构, 其连接部位较小, 采用焊接连接、绑扎连接、机械连接等普通钢筋连接方式不便于施工与质量保证, 在此条件下, 美国的余占疏博士于1968年发明了套筒灌浆连接技术, 并于夏威夷38层高的阿拉莫阿纳酒店的预制混凝土柱中得到应用, 之后该技术在日本及欧美各地得到迅速发展^[1,2]。我国于上世纪50年代开始引进该技术并逐渐发展, 2008年左右进入快速发展时期, 一系列相关技术标准的颁布, 为套筒灌浆连接技术的推广与应用提供了依据。

本文通过对四类、共计48根套筒灌浆接头试件, 分别进行单向拉伸、高应力反复拉压以及大变形反复拉压试验, 研究其破坏过程与破坏形态, 通过所得力学性能参数以及荷载-位移关系曲线, 分析不同影响因素下套筒灌浆接头力学性能。

钢筋套筒灌浆接头由金属套筒、配套专用水泥基灌浆料以及带肋钢筋组成, 如图1所示。将带肋钢筋插入金属套筒, 在套筒注浆孔处, 利用专用灌浆枪或灌浆泵注入水泥基灌浆料, 同时在套筒出浆口处观察是否有浆料流出, 待浆料流出后立刻停止注浆, 并使用专用橡皮胶塞封堵灌浆、排浆孔。合格的灌浆操作必须保证金属套筒内壁与带肋钢筋之间充满灌浆料, 待灌浆料硬化后便能将两端连接钢筋与金属套筒结合成整体, 从而实现预制构件间钢筋的连接。按照套筒结构形式分类, 可分为半灌浆套筒与全灌浆套筒。半灌浆套筒一端采用灌浆方式进行连接, 另一端采用螺纹方式进行连接。全灌浆套筒两端均采用灌浆方式进行连接。与全灌浆套筒相比, 半灌浆套筒尺寸较小、现场施工时灌浆料用量可减少一半, 同时施工质量易于保证。因此, 其在预制混凝土结构墙、柱竖向钢筋连接中相较于全灌浆套筒得到更为广泛的应用。

为分析不同影响因素对套筒灌浆接头强度及变形性能的影响, 确定各类接头性能等级, 对HRB400级钢筋直径分别为14 mm、20 mm的半灌浆套筒接头试件与全灌浆套筒接头试件进行力学性能试验。试验采用某厂家生产新型灌浆套筒, 内部设计四个剪力槽, 且剪力槽槽底壁厚由套筒端部向套筒内部逐渐增加, 最薄处为3 mm, 最厚处达到3.5 mm。

《钢筋机械连接技术规程》^[3] (JGJ 107-2016) 规定, 钢筋套筒灌浆接头性能等级需依据其强度性能以及变形性能确定。试件需进行偏置单向拉伸、对中单向拉伸、高应力反复拉压以及大变形反复拉压四项试验, 依据试验所得数据判定接头性能。表1、表2分别为套筒灌浆接头强度性能及变形性能等级指标, 表中钢筋拉断是指灌浆端或螺纹端处钢筋母材断裂, 连接件破坏是指金属套筒断裂、钢筋从套筒中拔出或其他连接部件破坏。

《钢筋机械连接技术规程》^[3]规定, 钢筋套筒灌浆接头试件单向拉伸试验需制作偏置接头试件与对中接头试件, 并分别进行拉伸。图2所示为偏置接头试件钢筋位置示意图, 试验过程如图3所示。试验加载制度为:先由0加载至钢筋拉应力达到0.6倍钢筋屈服强度标准值, 之后卸载至钢筋内力恢复为0时测量残余变形;残余变形测试之后重新进行加载, 达到最大拉力后记录极限抗拉强度, 最后将试件加载至破坏, 测定最大力下总伸长率。试验所得数据结果列于表3、表4 (表中B指半套筒灌浆接头试件, Q指全套筒灌浆接头试件) 。

表3为偏置单向拉伸试验数据, 试验用12根灌浆接头试件屈服强度均大于430 MPa且抗拉强度均大于610 MPa, 满足规范规定屈服强度大于等于400 MPa且抗拉强度大于等于540 MPa的要求。表4为对中单向拉伸试验数据, 试验用12根灌浆接头试件的屈服强度均大于440 MPa, 满足大于等于400 MPa的规范要求, 抗拉强度均大于620 MPa, 满足大于等于540 MPa的规范要求, 残余变形量均小于0.1 mm同时总伸长率均大于10%, 以上性能指标均满足规范要求。同时可以看出, 半灌浆接头试件的平均极限荷载要略高于全灌浆接头试件, 而破坏位移并未显示出明显的变化规律。

高应力反复拉压试验, 即接头在钢筋弹性范围内较高应力下做反复拉伸和压缩试验, 检验低周载荷下接头的残余变形和极限抗拉强度。试验加载制度为:先由0加载至钢筋拉应力达到0.9倍钢筋屈服强度标准值, 之后卸载并施加反向荷载, 直至钢筋压应力达到0.5倍钢筋屈服强度标准值, 重复此过程20次后将试件拉伸至破坏。试验所得数据结果如表5所示。

从表5看出, 试验用12根灌浆接头试件抗拉强度均大于600 MPa且试验后残余变形量均小于0.2 mm, 满足规范规定抗拉强度大于等于540MPa且残余变形小于等于0.3 mm的要求。

大变形反复拉压试验, 即接头在塑性范围内高应力下完成多次拉伸和压缩试验, 检验钢筋进入塑性阶段不同变形量时, 低周载荷下接头的残余变形和最终极限抗拉强度。《钢筋机械连接技术规程》^[3]规定, 钢筋套筒灌浆接头性能等级不同时, 大变形反复拉压试验加载制度也不同。接头性能等级为Ⅰ级和Ⅱ级时, 加载制度为:先由0加载至钢筋拉应变达到2倍钢筋屈服应变标准值, 之后卸载并反向加载至钢筋压应力达到0.5倍钢筋屈服强度标准值, 重复上述步骤反复拉压4次后, 继续施加荷载至钢筋拉应变达到5倍钢筋屈服应变标准值, 此时再次卸载并反向加载至钢筋压应力达到0.5倍钢筋屈服强度标准值, 继续重复此步骤反复拉压4次, 最后将试件拉伸至破坏。当接头性能等级为Ⅲ级时, 加载制度为:先由0加载至钢筋拉应变达到2倍钢筋屈服应变标准值, 之后卸载并反向加载至钢筋压应力达到0.5倍钢筋屈服强度标准值, 重复上述步骤反复拉压4次后将试件拉伸至破坏。最终试验所得结果如表6所示。

从表6看出, 试验用12根灌浆接头试件抗拉强度均大于610 MPa, 反复拉压4次后的残余变形均小于0.2 mm, 反复拉压8次后的残余变形量均小于0.3 mm, 满足规范规定抗拉强度大于等于540 MP、反复拉压4次后的残余变形小于等于0.3 mm、反复拉压8次后的残余变形小于等于0.6 mm的要求。

从试验结果看出, 对四类套筒灌浆接头试件分别进行偏置单向拉伸、对中单向拉伸、高应力反复拉压以及大变形反复拉压试验, 试验后均发生钢筋断裂破坏, 且在断裂前钢筋均已达到屈服, 四组试件实测抗拉强度均大于钢筋实测抗拉强度标准值, 同时四组试件实测残余变形量均满足表2中Ⅰ级接头性能指标要求, 因此试验所用套筒灌浆接头满足《钢筋机械连接技术规程》^[3]中Ⅰ级接头性能要求。

对比表3、表4试验数据, 对于发生钢筋拉断破坏的灌浆接头试件, 钢筋偏置试件与钢筋对中试件的屈服强度与抗拉强度几乎相等。这表明对于发生钢筋断裂破坏的接头试件, 钢筋是否偏位对试件力学性能几乎没有影响

图4为灌浆接头试件单向拉伸试验荷载-位移关系曲线, 形状与单根钢筋的拉伸荷载-位移曲线相似, 共分为弹性、屈服、强化、颈缩四个阶段^[4]。第一个上升段为弹性阶段, 此时试件刚度较大, 荷载与位移基本呈线性关系, 钢筋横肋与灌浆料之间相互挤压, 产生微观裂缝, 钢筋屈服之前在套筒端部未发现明显劈裂裂缝;随着荷载继续增加, 连接试件进入水平段即钢筋屈服阶段, 其屈服台阶较钢筋材性略长;继续加载, 试件进入第二个上升段即钢筋强化阶段, 在该阶段荷载达到最大值, 钢筋与灌浆料之间充分挤压, 肋前灌浆料破碎区不断扩大, 灌浆料劈裂裂缝充分开展;下降段为钢筋颈缩阶段, 基本为一条直线, 表明试件的破坏为延性破坏, 在此阶段套筒灌浆连接件钢筋被拉断。同时从图中可以明显看出, 钢筋直径为20mm的接头试件, 其屈服应力及极限应力均明显高于钢筋直径为14 mm的接头试件, 而两者的破坏位移却没有明显差异。破坏位移的大小表征钢筋与灌浆料之间锚固性能的好坏, 破坏位移越大, 表明钢筋与灌浆料之间锚固性能越差。由此说明钢筋直径大小对接头试件的承载力有很大影响, 钢筋直径越大, 试件的承载力也就越大, 而钢筋直径大小对于钢筋与灌浆料之间的锚固性能几乎没有影响。

依据表3~表6试验数据, 对于不同结构形式的套筒灌浆接头试件, 其平均极限抗拉强度及平均残余变形量分别如表7及表8所示。

从表7及表8数据可以看出, 对于相同钢筋直径的套筒灌浆接头试件, 半灌浆试件的极限抗拉强度略高于全灌浆试件, 残余变形量略小于全灌浆试件。由此说明, 在相同条件下, 半套筒灌浆接头力学性能要优于全套筒灌浆接头。同时半套筒灌浆接头还拥有套筒尺寸小、连接速度快、连接质量易于保证等优点, 因此在实际施工中, 在两种连接方式均可选用的前提下, 应优先采用半套筒灌浆连接方式。

在新型灌浆套筒投入现场施工之前, 需对该型套筒灌浆接头进行型式检验, 确保其能够满足相应力学性能要求。本文针对某新型套筒灌浆接头试件, 讨论了钢筋直径、套筒结构形式、钢筋偏位对其力学性能的影响, 得到以下结论:

(1) 套筒灌浆接头试件的承载力随钢筋直径的增大而增加, 而钢筋直径大小对于钢筋与灌浆料之间的锚固性能几乎没有影响。

(2) 相同条件下, 半套筒灌浆接头力学性能要略优于全套筒灌浆接头, 在两种连接方式均可选用的前提下, 应优先采用半套筒灌浆连接方式。

(3) 对于发生钢筋断裂破坏的接头试件, 钢筋是否偏位对试件力学性能几乎没有影响。

(4) 该型套筒灌浆接头能够满足相关标准中Ⅰ级接头性能要求, 可用于装配式建筑现场施工。