自改革开放以来,随着城市化进程的不断推进,人们对住房的需求量也大幅增长。为了满足民众日益增长的住房需求,1999年国务院转发国家八部委局《关于推进住宅产业现代化,提高住宅质量的若干意见》(国办发[1999]72号),提出引进国外的成套工程技术和先进的住宅建筑体系,进一步提高住宅建筑质量^[1]。自此,我国拉开了住宅建设产业化的进程。

装配式建筑的优势在于能够大幅度减少施工阶段的能源消耗和环境污染,还可以降低施工人员的现场劳动强度^[2,3]。装配式建筑中的预制梁、预制柱等构件预先在工厂生产,质量易于保证;相比之下,各构件之间的连接部位显得薄弱,节点破坏是装配式建筑在地震中破坏的主要形式之一。因此,钢筋套筒灌浆连接部件的性能在装配式建筑中具有决定性作用。本文在钢筋套筒灌浆连接部件拉拔试验的基础上,按照《钢筋连接用灌浆套筒》的要求,对连接Φ25mm III级钢筋的钢筋套筒灌浆连接部件在轴向拉伸荷载作用下的静力响应进行了数值模拟研究。

根据连接Φ25mm III级钢筋的钢筋套筒灌浆连接部件实物,采用ABAQUS有限元软件建立其数值模型,数值模型中各材质的力学性能指标如表1。

在钢筋套筒灌浆连接部件的数值建模过程中,钢筋、套筒与灌浆料均采用CAX4轴对称实体单元,即4节点无扭曲轴对称实体单元;钢筋本构关系参考HRB400钢筋,灌浆料本构关系采用ABAQUS提供的Concrete Damaged Plasticity模型,即灌浆料破坏机制是拉伸开裂和压碎破坏。为了减少单元总数,在轴向选取1/2半结构模型,半结构模型的左端横截面(即部件的轴向中截面)施加关于xz平面的对称位移边界条件;在环向方向选取轴对称模型的母面,如图1所示。根据《钢筋机械连接通用技术规程》(JGJ107)接头型式检验的相关要求^[4],本文采用荷载控制方式对数值模型中的钢筋端部匀速(5MPa/s)施加轴向拉伸荷载,直至钢筋屈服强度(570MPa)。

在轴向拉伸荷载作用下,当钢筋轴向应力达到570MPa时,钢筋轴向位移约为8mm,此时钢筋套筒灌浆连接部件的第一主应力云图如图2(a)所示,其中钢筋、灌浆料、套筒的第一主应力云图分别如图2(b)、(c)、(d)所示。图2表明,钢筋第一主应力为拉应力,其数值沿轴向由钢筋加载端向钢筋非加载端逐步递减;加载端处的钢筋第一主应力约为600MPa,已达到钢筋抗拉强度;非加载端处的钢筋第一主应力接近于零,与相应的自由端应力边界条件相符合。套筒第一主应力为拉应力,其数值沿轴向的变化趋势与钢筋相反,在轴向中心截面处的套筒第一主应力最大,约为260MPa。灌浆料仅在某些局部区域的第一主应力为拉应力,大部分区域为压应力,且数值变化不大,大约在-5~-10MPa范围内变动。

在轴向拉伸荷载作用下,当钢筋轴向应力达到570MPa时,钢筋套筒灌浆连接部件的第三主应力云图如图3(a)所示,其中钢筋、灌浆料、套筒的第三主应力云图分别如图3(b)、(c)、(d)所示。图3表明,钢筋第三主应力为压应力,其数值沿轴向由钢筋加载端向钢筋非加载端逐步递增;非加载端处的钢筋第三主应力约为-15MPa,主要是灌浆料微膨胀性导致该处钢筋受到微小压应力;钢筋第三主应力的最大数值发生在与灌浆料接触的钢筋肋部位,约为-100MPa。套筒第三主应力为压应力,数值较小且分布较为均匀;在套筒端部封闭处以及与灌浆料接触的套筒肋部位,套筒第三主应力数值较大,约为-130MPa。灌浆料第三主应力为压应力,且数值变化范围不大,最大数值发生在套筒端部、以及与钢筋肋上表面和套筒肋下表面的接触部位,约为-120MPa;此外,在钢筋肋上表面与所对应的套筒肋下表面之间,形成向上方倾斜的灌浆料受压带,该受压带将钢筋内力传递到套筒。

在钢筋、套筒和灌浆料各自发生最大应力的部位,分别提取数据,可以得到钢筋、套筒和灌浆料最危险部位处的应力-应变曲线,如图4所示。图4(a)为钢筋加载端处的Mises应力-Mises应变曲线,呈现典型的弹性变形和塑性变形两个阶段。图4(b)为套筒轴向中心截面处的Mises应力-Mises应变曲线,呈现弹性特性;当钢筋轴向应力达到570MPa时,套筒轴向中心截面处的Mises应力约为270MPa,远低于套筒的抗拉强度550Mpa。图4(c)、(d)分别为套筒顶端处的灌浆料Mises应力-Mises应变曲线、第三主应力-第三主应变曲线,呈现弹性特性;当钢筋轴向应力达到570MPa时,套筒顶端处的灌浆料第三主应力达到-120MPa,Mises应力约为100MPa,已达到灌浆料的抗压强度,处于破坏的临界状态。

本文以连接Φ25mm钢筋的钢筋套筒灌浆连接部件为研究对象,采用ABAQUS有限元软件建立了部件的数值模型,得到轴向拉伸荷载作用下的钢筋、套筒和灌浆料的应力分布规律。研究结果表明:

(1)当拉伸荷载使钢筋应力达到抗拉强度570MPa时,钢筋应力沿轴向从加载端向非加载端逐渐减小;钢筋应力在非加载端处最小,接近于零,主要是灌浆料微膨胀性导致该处钢筋受到微小压应力。

(2)当拉伸荷载使钢筋应力达到抗拉强度570MPa时,套筒应力沿轴向从两端向中心截面逐渐增大,轴向中心截面处的套筒第一主应力约为270MPa;此外,在套筒端部封闭处以及与灌浆料接触的套筒肋部位,套筒的第三主应力数值也比较大,约为-130MPa,这是套筒的潜在危险部位,在设计中可考虑套筒端部加固肋的措施。

(3)灌浆料仅在某些局部区域出现拉应力,大部分区域处于受压状态,且数值变化范围不大。当拉伸荷载使钢筋应力达到抗拉强度570MPa时,灌浆料第三主应力最大数值发生在套筒端部、以及与钢筋肋上表面和套筒肋下表面的接触部位,约为-120MPa,达到其轴心抗压强度。此外,在钢筋肋上表面与所对应的套筒肋下表面之间,形成向上方倾斜的灯伞状灌浆料环形受压带,该受压带将钢筋内力传递到套筒。总体来说,灌浆料性能对钢筋套筒灌浆连接部件的可靠性、稳定性和安全性都起着至关重要的作用。