随着建筑业转型发展的不断推进, 装配式混凝土结构得到了迅速推广。预制构件的可靠连接是保证装配式混凝土结构安全的关键。传统的绑扎搭接、焊接连接、机械连接等钢筋连接方式不能很好地适用于预制构件间受力钢筋连接。一种针对装配式结构的钢筋连接新技术被提出来———钢筋套筒灌浆连接技术, 该技术不会使钢筋产生二次应力与变形、可接受相对较大的施工偏差。

最早提出该技术的是美国结构工程师余占疏博士, 该技术于20世纪60年代成功地应用在檀香山一栋38层酒店的预制混凝土柱钢筋续接中, 并表现出良好的安全性能, 且施工操作方便。随后, 日本引进并改良这一技术, 对其进行认证和加以推广。应用该技术的建筑经受多次地震都没有被破坏, 证明其抗震性能出色^[1]。欧美国家将钢筋套筒灌浆连接技术作为一种钢筋机械连接方式, 大量在装配式建筑结构中应用。近年来我国也逐步引入该技术, 制定相关的技术规范和标准, 工程技术人员对技术进行了大量的研究并不断完善创新。

钢筋套筒灌浆连接接头由钢筋、套筒和灌浆料组成。套筒一般由球墨铸铁或结构钢制造而成, 形状多为圆柱形或纺锤形, 筒体上通常开设灌浆孔和出浆孔, 内腔附有钢筋限位档和抗剪键等。灌浆料是一种与套筒配套使用的快硬无收缩水泥基材料, 适当加入细骨料及少量混凝土外加剂等物质, 具有大流动度、早强、高强、微膨胀等性能。

目前市场上套筒种类形式多样。按套筒的形式, 总体上可分为全灌浆套筒和半灌浆套筒两大类。全灌浆套筒的两端均采用灌浆方式连接钢筋, 是目前应用最广泛的一类套筒形式。半灌浆套筒在预制构件端采用直螺纹方式连接钢筋, 现场装配端采用灌浆方式连接钢筋。全灌浆套筒与半灌浆套筒的构造形式如图1所示。

按钢筋传力方向的不同, 可以分为竖向连接套筒与水平连接套筒。竖向连接套筒主要用于柱的对接、剪力墙的竖向连接等, 水平连接套筒主要用于梁、板的搭接及剪力墙的水平连接等。为了保证传力的可靠性, 通常竖向钢筋连接套筒具有更大的外径和内径。按制作材料的不同可以分为球墨铸铁套筒和合金结构钢套筒、优质碳素结构钢套筒。球墨铸铁套筒虽然性能较好但成本高, 在日本、欧美等国家应用比较广泛^[2]。结构钢套筒价格便宜, 加工简便, 随着制造工艺的不断改进也能满足技术要求, 现在应用越来越多, 例如北京建茂建筑设备有限公司研发的JM灌浆套筒就属于这一类。

与绑扎连接、机械连接等机械连接方式不同, 钢筋套筒灌浆连接接头是依靠材料间的粘结作用来实现有效传力的。钢筋与灌浆料的粘结作用主要由3部分组成:

(1) 钢筋与灌浆料接触面上的粘附力f₁;

(2) 灌浆料握裹钢筋而产生表面摩擦力f₂;

(3) 钢筋横肋与灌浆料之间的机械咬合力f₃。

其中起主要作用的是横肋与灌浆料间形成的咬合力^[3]。传力途径可概括为:钢筋→灌浆料→套筒→灌浆料→另外一根钢筋。当钢筋受拉时, 拉力通过钢筋与灌浆料间的粘结作用传递给灌浆料, 灌浆料再通过其与套筒内壁的粘结作用传递给套筒, 如图2所示。

套筒在整个接头的传力过程中起着关键作用, 一方面它可以直接承受钢筋通过灌浆料传来的轴向力;另一方面套筒和套筒外混凝土为灌浆料提供有效的侧向约束力, 增强灌浆料与钢筋间粘结作用。当连接接头受到拉力时, 通常套筒会分担更多的轴向力, 而接头在传递压力时能更好发挥灌浆料的材料特性^[4]。套筒在轴向力作用下产生轴向应力, 灌浆料劈裂膨胀引起的套筒环向应力比较小, 一般可忽略环向应力。

钢筋套筒灌浆连接接头的破坏形式主要有以下5种情况:

(1) 套筒外钢筋被拉断, 这是达到连接有效性的最基本要求;

(2) 钢筋拔出破坏, 这是因为钢筋与灌浆料之间粘结力不足;

(3) 灌浆料劈裂破坏, 主要是由于灌浆料强度不足造成;

(4) 灌浆料拔出破坏, 这种破坏是因为灌浆料与套筒之间的粘结强度不足;

(5) 套筒被拉断, 由于套筒强度不足造成。

为保证接头的有效性, 套筒外钢筋被拉断应先于其他破坏形式发生。套筒的强度等级和壁厚尺寸是保证套筒不被拉断的关键因素, 钢筋在套筒内要具有合理的锚固长度。灌浆料的强度和膨胀率对接头受力起重要作用, 灌浆料应具有足够强度以防劈裂破坏, 膨胀性则可以弥补浆体硬化过程的体积收缩, 增强粘结作用。此外, 套筒内壁上设置一定数量的剪力键可阻止灌浆料被拔出^[5]。

套筒外钢筋被拉断是套筒失效的典型形式 (下文将分析这一失效过程的破坏机理) 。灌浆料在凝结硬化过程中因体积膨胀受套筒约束而产生压应力。当受到拉力时, 钢筋通过粘结作用传递给灌浆料, 使钢筋灌浆料结合区的初始压应力逐渐减小并发展为拉应力。当荷载继续加大, 钢筋的“锥楔”作用明显, 产生径向和轴向的分力。钢筋肋前受压区混凝土压应力增大, 背面拉应力也增大。当拉应力超过灌浆料的抗拉强度时, 开始出现环向劈裂裂缝。裂缝会沿斜向发展, 一般指向套筒内壁的剪力键处。随着荷载的不断增大, 出现裂缝的肋部会向内发展, 而裂缝宽度逐肋减小, 如图3所示。这样在结合面开裂区形成一段横肋与混凝土之间的机械咬合齿段, 未开裂区可视为粘结强度的富余区。钢筋在这一过程中经历了弹性、屈服及强化阶段。钢筋屈服后, 机械咬合齿段基本不再发展, 继续加大拉力钢筋达到强度极限被拉断。

钢筋套筒灌浆连接接头的强度和变形是考察接头性能的关键性指标, 目前世界上很多国家都对其作出了相关规定。美国钢筋机械连接试验标准 (ASTM A1034) 对机械连接接头的性能要求和试验方法给出了规定, 结构混凝土建筑规范 (ACI 318) 中要求接头的抗拉强度应不小于125%钢筋屈服强度标准值。美国统一建筑标准 (UBC-97) 中还规定type2型接头不能小于0.95倍的钢筋抗拉强度。主要的试验方法有单向拉伸试验, 反复拉压试验、滑移试验、疲劳试验等。

我国的《钢筋机械连接技术规程》 (JGJ107-2010) 和《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》 (JGJ355-2015) 也作出了相关规定, 接头的实测抗拉强度应大于钢筋抗拉强度标准值, 残余变形不大于0.1, 最大力下的总伸长率不小于6%。由于连接部位的钢筋通常在同一连接区段内100%连接, 并且竖向承重构件连接区域通常位于箍筋加密区, JGJ355-2015对I级接头的性能要求更高, 规定在钢筋非断裂破坏时接头的抗拉强度应大于钢筋抗拉强度标准值的1.15倍。

一般情况下套筒在预制构件制作时预先埋入构件的连接端, 现场施工时另一个连接构件的外露钢筋插入套筒, 构件安装定位后, 通过灌浆连接钢筋。施工过程是保证该技术能否发挥作用的关键, 因此需要进行严格的把控, 主要的施工技术要点总结为以下3个方面。

合理选择结构体系, 精确设计构件。根据钢筋尺寸, 选用合适的套筒, 以保证钢筋锚固长度、埋置位置符合要求。构件制作过程中采取措施防止套筒、钢筋移位, 严格控制灌浆料的水胶比, 浇筑速度适中, 以免压力过大造成漏浆^[6]。

预制构件的测量定位极为重要, 竖向受力构件要保证构件位置、标高、垂直度、钢筋位置等^[7]。灌浆前需清理构件连接部位, 保证套筒内无杂物、无油污、无积水。根据安装部位和构件尺寸选择合适的吊装设备, 吊装前对构件进行编号, 制定吊装方案。吊装就位后及时进行支撑稳定, 并调整构件的垂直度和标高。调整完毕后定位牢固, 用配制好的灌浆料依次灌浆。灌浆时保证排浆孔连续流出圆柱状浆液为止, 灌浆后应加强保护, 避免使构件受到冲击、振动。

在现场施工前需对构件作一次工艺检验, 灌浆完成后按1000个接头一个检验批对接头质量进行抽样检验。施工中做好隐蔽工程验收记录, 施工完毕后不再做复检。同时, 按试验要求制作套筒连接试件和灌浆料试块, 做好养护工作, 达到龄期要求后送到检测机构检测。通常进行对中单向拉伸试验、高应力反复拉压试验、大变形反复拉压试验等。

沈阳地铁凤凰新城工程项目位于沈阳开发大道, 总建筑面积为14.7万m², 其中5栋16层高住宅建筑采用装配式施工方案, 结构形式为装配整体式剪力墙结构, 筏板基础, 如图4所示。标准层层高2.9m, 主体建筑高48.2m, 使用的预制构件主要有外墙板、内墙板、楼梯、阳台板、空调板、PFC板等。该项目外墙和内墙均采用预制形式, 边缘构件为现场浇筑。预制墙板的连接端埋设套筒, 上端预留插入钢筋, 侧边外伸与现浇结构连接的水平钢筋, 如图5所示。

承重结构采用先安装预制墙板, 后浇筑边缘构件的施工顺序。预制墙板的安装质量是保证结构安全的关键, 为保证结构连接的质量, 对灌浆料的制备和灌浆工艺进行了严格控制。事先按设计图纸检查预留钢筋长度, 对于长度过短不满足锚固要求的构件则不能继续使用。墙板吊装定位完成后按设计要求做好灌浆分区, 各灌浆分区应封堵严密。灌浆前将构件结合面清理干净, 用吹气法清洁套筒内腔。灌浆采用专用的灌浆设备, 先用清水润滑设备, 将水排净后再用配制好的灌浆料冲洗几次。

该工程采用连通腔压力灌浆法, 灌浆料的流动度一般控制在130mm~160mm, 流动度过大会造成灌浆料强度不足, 过小则不利于泵送, 现场采用流模板进行检测。当灌浆设备喷嘴流出连续灌浆料时即可开始注浆, 每一分区的所有排浆孔流出连续浆体时停止注浆, 并迅速用塞子堵住排浆口和灌浆口, 泄露到墙面上的浆体要立即用水清洗干净以免污染墙体。浆体终凝后方可取下塞子, 再用防水砂浆嵌填开口处, 浆体达到规定的强度后拆除构件临时支撑并进行上部结构施工。

此外, 该工程的施工温度跨度比较大, 而温度会极大影响灌浆料的凝固性能和凝固时间, 一般应控制在10℃~30℃。当气温过低时, 采取加热措施防止灌浆料冻结;温度过高时需采取降热措施防止灌浆料失效。对不同温度下灌浆料均进行取样, 标准养护28d的后检测抗压强度。每种规格的钢筋制作3个套筒灌浆连接接头试件, 标准养护28d后进行抗拉强度、屈服强度和变形的检测, 检测结果均满足要求。

工程项目从2012年6月开工, 到2012年12月主体完工, 体现了装配式生产方式的高效性。施工过程严格控制施工质量, 改进施工工艺, 确保套筒灌浆连接技术能有效应用。后期工程表现出良好的受力性能, 墙板受力钢筋连接后形成竖向连续抗震墙, 与现浇结构无异, 表明该技术具有性能可靠、施工方便的特点, 可在装配式建筑中广泛采用。

钢筋套筒灌浆连接技术作为装配式结构的一种关键技术, 对装配式混凝土结构中推广应用有着重要作用。随着装配式建筑的不断发展, 对该技术的研究和应用将不断推进。本文基于钢筋套筒灌浆连接接头的力学性能、相关标准、施工工艺等方面, 结合实际工程应用系统的分析了其应用价值, 证明该技术可保证可靠连接且便于施工。