钢筋套筒灌浆连接在20世纪60年代首次运用于夏威夷一栋38层的高楼^[1],并逐渐被各国引进。钢筋套筒灌浆连接主要利用高强灌浆料与钢筋间的粘结作用传递应力,其性能主要受钢筋、灌浆料和套筒等因素的影响^[2]。

国内外学者对灌浆套筒开展一系列研究,其中Einea等^[3]提出套筒试件承载力主要取决于浆料强度、钢筋锚固长度和套筒内部构造。Ling等^[4,5]研究钢筋表面肋和套筒内部剪力键对试件的性能影响。Henin等^[6]提出套筒钢筋锚固长度的计算方法。钱稼茹等^[7]研究装配式剪力墙套筒连接的抗震性能,认为与现浇结构相当。

上述各类研究皆基于套筒灌浆饱满展开,但装配式工程中,灌浆接头可能因气泡、堵塞、漏浆等造成各种灌浆缺陷。因此,本文制作70个半灌浆套筒试件(半灌浆套筒一端与钢筋为螺纹连接,属于机械连接,另一端与钢筋为灌浆连接),进行单调拉伸试验,研究各类灌浆缺陷等对试件破坏形态、承载力和变形性能等的影响。

本文介绍的内容是为装配式结构节点质量验收而开展的研究,根据实际工程情况,主要研究端部缺陷、中部缺陷、水平缺陷、厚度缺陷和偏心缺陷的性能影响特征;此外,针对实际工程中可能出现利用水泥净浆代替高强灌浆料的情况,设计水泥净浆试件进行对比。

根据《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》(JGJ355—2015)^[8]和《钢筋机械连接技术规程》(JGJ107—2016)^[9],制作70个灌浆钢筋套筒接头进行试验。灌浆缺陷参数包括缺陷位置、缺陷沿钢筋纵向长度和径向厚度、缺陷分布形式、灌浆方向和灌浆料的品种等情况。中部缺陷试件和厚度缺陷试件设置形式一致,但中部缺陷试件的缺陷厚度保持不变,改变缺陷长度,厚度缺陷试件的缺陷长度保持不变,改变缺陷厚度。除水平缺陷和偏心缺陷外,其他缺陷都是轴心对称环状缺陷。各类缺陷示意图见图1。L₀为半灌浆套筒总长度;L₁为钢筋插入套筒内部长度;l为灌浆缺陷总长度,l=∑l_qi;l_m为钢筋实际锚固长度,l_m=L₀-l;h为灌浆缺陷沿径向厚度或水平缺陷弦高。

采用高强灌浆料,按照《钢筋连接用套筒灌浆料》(JG/T 408—2013)^[10],制作试块进行抗压试验。钢筋采用HRB400E,水泥净浆采用425硅酸盐水泥。材料性能参数如表1所示。

采用CSS1110试验机,根据《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》(JGJ 355—2015)^[8]进行单向拉伸试验。加载制度0→最大拉力→0;试件屈服前用力控制,加载速率0.5MPa/s~1.0MPa/s;试件屈服后用位移控制,试验机夹头分离速率为15mm/min~30mm/min。

本试验目的是研究灌浆缺陷对连接性能的影响。钢筋灌浆套筒拉伸试验中,主要测量荷载、灌浆端钢筋应变、灌浆端套筒表面应变以及灌浆端钢筋和套筒之间的相对滑移位移。荷载可由加载系统直接读取,应变和滑移利用应变片和引伸计进行测量。引伸计SY01-1和SY01-2测量端部滑移,SY02-1和SY02-2测量套筒平均应变;3道应变片E1、E2和E3测量钢筋变形。具体测点位置如图2所示。

钢筋套筒灌浆试件的破坏形式取决于钢筋极限强度和钢筋及灌浆料的粘结强度,具体可以分为螺纹端钢筋拉断(Ⅰ)、灌浆端钢筋拉断(Ⅱ)以及灌浆端钢筋拔出(Ⅲ)三种破坏形式。

灌浆密实或者缺陷较小时,灌浆料的剪应力未达到极限粘结强度而钢筋已达到极限强度,试件为钢筋拉断破坏;钢筋断于机械连接端或灌浆端无明确规律。灌浆缺陷较大时,钢筋未达到极限强度而灌浆料的剪应力已达到极限粘结强度,试件表现为钢筋拔出破坏^[11]。部分试件试验结果汇总如表2所示。

图3~图10中给出设置各类灌浆缺陷的典型荷载-位移曲线,其中横坐标的位移δ为引伸计SY01中2个引伸计的平均读数。以下分析中的d表示钢筋直接。

图3端部缺陷试件,缺陷长度l≤2.5d时为钢筋拉断破坏,缺陷长度l>2.5d时为钢筋拔出破坏。各试件荷载-位移曲线在强化段呈发散扩口型,说明缺陷越大,在达到峰值荷载前的滑移量越大。

图4中部缺陷试件,缺陷长度l≤1.0d时,钢筋拉断;缺陷长度l≥1.5d时,为钢筋拔出破坏。各试件荷载-位移曲线强化段基本重合,说明滑移程度较小;在曲线下降段,缺陷越大,较小的滑移量便使承载力下降。

图5各均布缺陷试件,缺陷数量越多,试件峰值承载力越低。在达到峰值荷载前,各试件荷载-位移曲线基本重合;达到峰值荷载后,缺陷数量越多,下降段斜率越大。

图6厚度缺陷试件,试件都是钢筋拔出破坏,且随着缺陷厚度的增加,套筒试件的承载力显著下降;各曲线下降段基本平行,说明试件滑移后的荷载下降速度对缺陷厚度不敏感。

图7水平缺陷试件,各荷载-位移曲线在强化段呈发散扩口型。弦高6.0mm及以上时,试件为钢筋拔出破坏。随水平灌浆缺陷的增大,套筒试件承载力加速下降。缺陷弦高达到16.0mm时,峰值承载力甚至不足正常情况的10%。

图8水泥净浆试件,试件在峰值荷载附近产生较大滑移,最终钢筋拔出破坏。

图9偏心试件端部设置缺陷。缺陷长度l≤2.0d时为钢筋拉断破坏,缺陷长度l>2.0d时为钢筋拔出破坏。对比轴心端部缺陷试件,在缺陷长度更小时就出现钢筋拔出破坏。曲线强化段呈发散扩口型,变化趋势与轴心试件一致。

图10中,偏心试件设置中部缺陷。缺陷长度l≤1.0d时,钢筋拉断;缺陷长度l≥1.5d时,为钢筋拔出破坏。曲线强化段基本重合;曲线下降段,缺陷越大时,滑移总位移和峰值荷载越小;变化趋势与轴心试件基本一致。

定义浆料的剪切强度为钢筋锚固长度不足产生拔出破坏时的峰值荷载与锚固面的比值,即:

定义浆料与钢筋的平均粘结应力为峰值荷载与锚固面积的比值,即:

各试件的承载力和粘结强度见图11~图16。

图11中,高强灌浆料的剪切强度为τ_u=28.52MPa,水泥净浆的剪切强度为τ_u=17.49MPa。对灌浆饱满试件,平均应力 ,为高强灌浆料剪切强度的61%,试件都是钢筋拉断破坏;水泥净浆试件都是钢筋拔出破坏。

图12中,中部缺陷试件的承载力和平均粘结应力低于端部缺陷试件。端部缺陷试件缺陷长度l>2.5d,钢筋拔出破坏;中部缺陷试件缺陷长度l≥2.0d,钢筋拔出破坏。中部缺陷试件拔出时,平均粘结应力 ,为灌浆料的剪切强度的81%。主要原因是中部缺陷将灌浆料分为不同的受力段,强度无法同步发展到极限状态,降低承载力。因此,相同当量时,中部缺陷对承载力影响更大。

图13中,均布缺陷试件皆为钢筋拔出破坏,且随着套筒内部缺陷个数的增多,试件承载力和平均粘结应力线性下降。峰值承载力、平均粘结应力与缺陷数量的拟合关系如下:

每增加1个缺陷,承载力下降约5.8k N,平均粘结应力下降约0.77MPa。当缺陷数量从1个增加到5个时,降幅约为13%。这说明不同受力段的强度不同步现象随缺陷数量增多而影响越大。因此,相同当量的缺陷,均匀分布对承载力影响更大。

图14中,厚度缺陷试件皆为钢筋拔出破坏,随着缺陷厚度增大,试件承载力线性下降。峰值承载力、平均粘结应力与缺陷厚度的拟合关系如下:

当缺陷厚度为1mm时,灌浆料和钢筋表面的螺纹之间依然存在部分咬合作用,粘结锚固应力为 ,接近于灌浆料的剪切强度。随着缺陷厚度的增加,灌浆料对钢筋的握裹效应降低,缺陷厚度为3mm左右时,承载力呈台阶式下降。缺陷厚度为5mm左右时,粘结锚固应力下降到 ,等效于中部缺陷试件。

图15中,水平缺陷弦高h=6.0mm~11.5mm时,试件为钢筋拔出破坏,灌浆料的平均粘结应力 ,为灌浆料的极限粘结强度的54%;缺陷弦高达到13.5mm时,平均粘结应力下降为 ,不足浆料剪切强度的10%。峰值承载力、平均粘结应力与缺陷弦高平方成反比,其拟合关系如下:

图16中偏心试件承载力和粘结应力趋势与轴心试件一致,但数值比轴心试件低。在缺陷长度l=3.0d时,偏心试件粘结应力为 ,仅为同条件轴心试件的87%。

灌浆套筒试件的破坏定义为钢筋拉断或者产生滑移后荷载下降到峰值承载力的85%以下。

钢筋灌浆套筒试件的滑移率定义为试件破坏时滑移的位移与灌浆密实锚固长度的比值,反映试件总体变形性能。

式中,ε_s为钢筋应变;a为引伸计SY01夹头间距。

单位荷载滑移率定义为试件滑移率与试件的峰值荷载的比值,反映单位荷载引起的滑移变形。

对于灌浆饱满试件,试件滑移率为φ=1.98%,单位荷载滑移率为 。

图17端部缺陷试件,钢筋拉断时(l≤2.5d),试件滑移率和单位荷载滑移率分别为φ=2.89%和 ,比饱满试件略大;钢筋拔出(l>2.5d),试件滑移率和单位荷载滑移率分别为φ=11.16%和 ,且随着缺陷的增大而线性下降。

图18中部缺陷试件,钢筋拉断破坏(l≤1.5d),试件滑移率和单位荷载滑移率分别为φ=2.92%和 ,与端部缺陷试件一致;钢筋拔出破坏(l>1.5d),试件滑移率和单位荷载滑移率分别为φ=5.50%和 ,约为端部缺陷试件的50%,随着缺陷的增大线性下降。

对比图17和图18,缺陷较小时为钢筋拉断破坏,两种试件变形性能基本一致,缺陷位置影响不大;缺陷较大时钢筋拔出破坏,中部缺陷试件变形能力仅为端部缺陷试件的50%左右。这表明出现较小滑移,中部缺陷试件的承载力就快速下降。对于拔出破坏试件,变形性能随缺陷的增大而线性降低。

图19均布缺陷试件,试件滑移率和单位荷载滑移率与缺陷数量的拟合关系如下:

随着缺陷数量的增多,试件滑移率成线性降低,说明随着缺陷数量的增多,较小的滑移也有可能引发试件承载力的下降。当内部缺陷个数达到5个时,试件滑移率和单位荷载滑移率分别为φ=1.94%和 ,与灌浆饱满试件相当时,其承载力已下降到极限承载力的85%以下。

图20厚度缺陷试件,试件滑移率和单位荷载滑移率随缺陷厚度增大呈台阶式下降。主要原因是,缺陷厚度较小时,灌浆料与钢筋表面虽没有粘结作用,但存在握裹效应,试件在较大滑移量时仍能保证承载力不发生明显的下降;缺陷厚度较大时,灌浆料和钢筋间的粘结和机械咬合作用都不存在,较小的滑移量就能使承载力下降到85%以下。

图21中,横轴为缺陷弦高与套筒内径比值。试件的滑移率随着缺陷弦高的增大而线性变化,而单位荷载滑移率却呈幂指数增大。试件滑移率、单位荷载滑移率与缺陷数量的拟合关系如下:

单位荷载滑移率快速增加主要原因在于试件峰值荷载的急速下降(从100k N以上急速下降到10k N以下);承载力快速下降表明缺陷弦高较大时,钢筋表面裸露,灌浆料对钢筋不能形成有效约束。

图22水泥净浆试件,钢筋拔出破坏时,试件滑移率和单位荷载滑移率分别为φ=8.13%和 ,是高强灌浆饱满试件的4倍左右,其主要原因是水泥净浆弹性模量小且强度低,对钢筋的约束作用相对较弱。这说明水泥净浆代替高强浆料,单位荷载作用下的滑移成倍增长。施工时应严格控制灌浆料品种,严禁用水泥净浆代替专用灌浆料。

图23对比端部缺陷的轴心和偏心试件。对钢筋拉断试件,偏心状态滑移率更大,说明钢筋偏心,锚固效果较差,在钢筋拉断前产生较大滑移。对于钢筋拔出试件,轴心试件在产生较大滑移时,仍可以保持承载力不出现明显下降,变形性能更好。

图24对比中部缺陷轴心和偏心试件。试件位于钢筋拉断与拔出的过渡区,可保持较高荷载下产生较大滑移。钢筋拔出时,缺陷越大,试件变形性能越差。因此,临界点附近的试件变形性能最大。

1)高强灌浆料剪切强度达τ_u=28.52MPa。灌浆饱满试件,钢筋拉断时,灌浆料的剪切应力仅达剪切强度的61%左右;试件基本不发生滑移。

2)端部缺陷试件,缺陷长度l≤2.5d,发生钢筋拉断破坏;缺陷长度l>2.5d,发生钢筋拔出破坏。端部缺陷试件在荷载上升阶段产生少量滑移。

3)中部缺陷对试件承载力影响更大。缺陷长度l≤1.5d,钢筋拉断破坏;缺陷长度l>1.5d,钢筋拔出破坏。中部缺陷使灌浆料无法同步达到抗剪极限强度,较小滑移便使试件承载力快速下降。

4)灌浆体内部存在均布缺陷时,试件的承载力、平均滑移率和单位荷载滑移率呈线性下降,说明缺陷数量的增多同时降低试件的承载力和变形性能,均布缺陷的危害往往比集中缺陷更大。

5)随着缺陷厚度的增加,试件承载力线性下降,试件的变形性能呈台阶式下降。

6)水平方向的灌浆缺陷,试件承载力与缺陷弦高的平方成反比;试件的单位荷载滑移率与缺陷弦高的幂指数成正比。这说明水平方向的灌浆缺陷会严重影响试件的承载力和变形性能。

7)水泥净浆试件,即使灌浆饱满也是钢筋拔出,平均滑移率和单位荷载滑移率是高强灌浆料试件相应参数的4倍左右,破坏前出现较大滑移。