预制装配式结构在生产效率、节约资源、环境保护以及结构性能等方面都具有巨大的优势, 发展预制装配式结构对实现建筑业的可持续发展有着重要的意义。Yee于20世纪60年代提出在预制装配式结构中使用套筒灌浆连接方式, 随后在北美、日本、欧洲等地得到了广泛的应用^[1], 取得了多项专利, 形成了比较完善的应用理论和实际经验。在目前各国的预制装配式结构中, 套筒灌浆连接是应用比较普遍的钢筋连接技术。

套筒灌浆连接件的力学性能受到金属套筒的强度、内壁构造、钢筋的锚固长度、灌浆料的强度、套筒剪力键等因素的影响。文献[2-4]报道了不同内壁构造、灌浆料强度和钢筋直径对黏结强度均有影响。吴小宝等研究了龄期和不同级别钢筋对灌浆套筒连接性能的影响^[5], 郭正兴等研究了采用低合金高强无缝钢管通过滚压工艺冷加工的套筒灌浆连接件的力学性能^[6]。目前, 国内市场上有数控机床切削加工的钢制套筒和球墨铸铁制造的铸铁套筒, 对两种不同材料制作的套筒灌浆连接件的受力性能和筒壁应力与轴向力关系的研究较少。

本研究通过对26个套筒灌浆连接件的试验, 研究其破坏过程和破坏形态, 通过筒壁纵、横向应变与钢筋应力之间的关系曲线, 分析套筒灌浆连接件在不同影响因素下筒壁应变随钢筋应力变化的情况。

根据JGJ 355—2015《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》^[7]中关于套筒灌浆连接的规定, 选取了套筒种类、锚固长度l_a和钢筋直径d三个参数作为试验的影响因素, 套筒种类选取钢制和铸铁套筒两类, 锚固长度选取计算的锚固长度^[8]l_a和0.9l_a两组, 钢筋直径选取16, 20 mm两种。图1为钢制和铸铁套筒灌浆连接件, 其中, L为套筒总长度;d₁为套筒内径;D为套筒外径;t为套筒壁厚;l为钢筋的实际锚固长度;套筒详细参数和试验设计如表1所示。

试验选用钢制和铸铁两种材料套筒, 图1a为湖南恒邦钢筋连接技术有限公司的45号钢制半灌浆套筒, 图1b为深圳现代营造科技有限公司的球墨铸铁半灌浆套筒。

灌浆料采用中德新亚的套筒专用高强无收缩灌浆料, 3, 28 d的抗压强度分别为54.45, 80.59 MPa。选用陕西龙门钢铁集团生产的HRB400级钢筋, 钢筋力学性能如表2所示。

套筒灌浆连接件在长安大学结构与抗震实验室制作, 在100 k N万能试验机上的加载, 加载速率为1 k N/s, 采用DH3820动态数据采集仪, 实时采集应变片的数据。

试验记录了套筒灌浆连接件的屈服强度、极限强度、总伸长率及最终破坏形态。最终破坏形态均为钢筋断裂, 满足JGJ 107—2010《钢筋机械连接技术规程》^[9]中的Ⅰ级接头要求。此外, 部分钢筋断裂的试件中, 灌浆端灌浆料有明显滑出现象。表3为套筒灌浆连接件的试验数据和破坏形态。套筒灌浆连接件的总伸长率分布在12.3%~32.3%, 均满足总伸长率大于等于6%的要求。

破坏过程分为弹性、屈服、强化、颈缩四个阶段。弹性阶段:套筒灌浆连接件与钢筋材性相似, 荷载与位移呈比例增长;随着轴向作用力F继续增加, 套筒灌浆连接件进入屈服阶段, 其屈服台阶较钢筋材性略长。具体可分两个部分:首先, 连接件中的钢筋屈服, 屈服台阶与钢筋材性相同;而后, 内部钢筋屈服, 且因灌浆料影响, 较钢筋屈服强度有明显提高, 同时, 荷载-位移曲线出现明显波动, 套筒端部灌浆料有滑出 (如图2a) ;继续加载, 套筒内灌浆料继续往外滑出, 滑出至5 mm时 (如图2b) , 不再增加, 套筒灌浆连接件整体变形明显增加, 连接件进入强化阶段, 荷载达到最大值;随后进入颈缩阶段, 套筒连接件钢筋被拉断, 其中有17个试件钢筋在套丝端断裂, 9个试件钢筋在灌浆端断裂, 断裂位置随机出现。

图3—图6为钢制和铸铁套筒灌浆连接件的荷载-位移曲线。由曲线可知:16的钢制和铸铁套筒灌浆连接件的平均极限承载力与钢筋材性没有明显差别, 分布在121.04~126.87 k N, 对应的位移在61.21~70.85 mm;20钢制和铸铁套筒灌浆连接件的平均极限承载力比钢筋材性略小, 分布在183.47~200.32 k N, 对应位移在61.40~80.03 mm。

任意在每组中选取2个套筒灌浆连接件, 在每个套筒壁贴上3个纵向应变片和3个横向应变片, 实时采集筒壁不同位置的纵、横向应变。通过建立钢筋应力和筒壁应变的曲线, 得出钢筋应力-筒壁应变之间的关系, 对比不同影响因素下筒壁的应变随钢筋应力的变化情况。图7为套筒灌浆连接件筒壁纵、横向应变随钢筋应力的关系曲线。

1) 钢筋与灌浆料的黏结应力全部由灌浆料传递给套筒, 筒壁纵、横向应变绝对值从灌浆端至钢筋锚固端逐渐增大, 在钢筋锚固端部纵、横向应变达最大值, 即应变片“3”“6”点位置, 也是套筒灌浆连接件最危险截面。

2) 钢制套筒灌浆连接件筒壁的纵、横向应变与钢筋应力呈线性关系。当筒壁应力较小时, 铸铁套筒灌浆连接件筒壁纵、横向应变与钢筋应力呈线性关系, 如应变片“1”“2”“4”和“5”点所示;当筒壁应力较大时, 铸铁套筒灌浆连接件筒壁纵、横向应变与钢筋应力呈二次函数关系, 如图7e—图7h中应变片“3”和“6”点所示。

3) 当钢筋拉断时, 锚固长度较长的筒壁横向应变绝对值较小。

4) 当钢筋拉断时, 钢制套筒的筒壁纵、横向应变要比铸铁的筒壁纵、横向应变值小。

试验设计的影响套筒灌浆连接件筒壁应变的因素有套筒材料、钢筋直径、锚固长度和钢筋偏置, 对不同影响因素下筒壁应变随钢筋应力的变化进行对比分析。

对比图7b与图7f以及图7d与图7h可知:套筒材料对筒壁应变随钢筋应力变化影响比较明显。由于材料性质, 钢筋拉断时, 钢制套筒灌浆连接件的纵、横向筒壁应变绝对值较小, 铸铁套筒灌浆连接件的纵、横向筒壁应变绝对值较大。

对比图7b与图7d以及图7f与图7h可知:在钢筋应力相同的情况下, 直径20 mm套筒灌浆连接件比直径16 mm套筒灌浆连接件的筒壁应变要大;随着钢筋应力的增大, 直径20 mm套筒灌浆连接件与直径16 mm套筒灌浆连接件的筒壁应变的差值也越来越大。

对比图7c与图7d、图7e与图7f可知:弹性阶段时, 锚固长度对套筒灌浆连接件的筒壁应变随钢筋应力变化影响较小;屈服阶段后, 当钢筋应力相同时, 锚固长度增加, 筒壁应变减小。

与钢筋置中的套筒灌浆连接件筒壁应变不同, 筒壁应变随钢筋应力变化没有规律。在钢筋锚固端部, 钢筋偏置的筒壁应变值与钢筋置中的筒壁应变值相近。钢筋置中或者偏置, 套筒灌浆连接件最危险截面均是钢筋锚固端部。

1) 对于套筒灌浆连接件的屈服、极限强度与钢筋材性没有明显差别的套筒灌浆连接方式, 连接的最终破坏形态均为钢筋断裂, 满足JGJ 107—2010《钢筋机械连接技术规程》中Ⅰ级接头的要求, 总伸长率分布为12.3%~32.3%, 满足总伸长率大于等于6%的要求。

2) 套筒灌浆连接件破坏过程分为弹性、屈服、强化、颈缩四个阶段。弹性阶段:套筒灌浆连接件与钢筋材性相似, 荷载与位移呈比例增长;屈服阶段, 因灌浆料影响, 较钢筋屈服强度有明显提高, 荷载-位移曲线出现明显波动;强化阶段:荷载达到最大值, 套筒端部灌浆料滑出至5 mm;颈缩阶段:套筒连接件钢筋被拉断, 断裂位置随机出现。

3) 作用在钢筋上的轴向应力全部由灌浆料传递至套筒, 筒壁应变值从灌浆端至钢筋锚固端逐渐增大, 在钢筋锚固端部达最大值。当钢筋应力相同时, 钢制套筒筒壁应变要比铸铁套筒筒壁应变值小;同时, 锚固长度增加, 筒壁应变减小;钢筋直径增大, 筒壁应变增大。