四種灌漿連接節(jié)點(diǎn)的靜力性能及比較分析①

許志遠(yuǎn)，余 瓊

(同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海200092)

0 引 言

近年來，預(yù)制混凝土產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，越來越多的建筑物采用預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方式.為保證預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能，構(gòu)件間鋼筋的連接顯得十分關(guān)鍵.已有的預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的連接方式主要有焊接連接、機(jī)械連接和灌漿連接等方式.其中灌漿連接施工便利，效果可靠，越來越多的被應(yīng)用于實(shí)際工程中.為了確保連接處的安全，首先要求連接節(jié)點(diǎn)在靜力作用下能夠表現(xiàn)出良好的工作性能.國內(nèi)外已有的灌漿連接節(jié)點(diǎn)主要有四種:套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)、波紋管漿錨連接節(jié)點(diǎn)、插入式預(yù)留孔漿錨搭接節(jié)點(diǎn)和套筒約束漿錨搭接節(jié)點(diǎn).本文對它們的構(gòu)造形式進(jìn)行了介紹，并對它們在靜力作用下的工作性能和各構(gòu)成材料對其工作性能的影響進(jìn)行了概述.

1 套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)

1.1 構(gòu)造形式

1970 年，Alfred A.Yee 提出了一種連接鋼筋的灌漿連接節(jié)點(diǎn)［1］，并申請了美國專利，是最早形式的全套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn);Julian Albrigo 等人在已有節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，于1995 年提出了另外一種鋼筋連接方式:半套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)［2］.隨著技術(shù)和材料的發(fā)展，以上兩種套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)不斷被完善，并且在國內(nèi)得到了較好的應(yīng)用.

全套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式如圖1(a)所示.在套筒的一端插入預(yù)留鋼筋，并在套筒端部設(shè)置封漿橡膠環(huán);在套筒另一端插入后插入鋼筋后，通過灌漿孔向套筒內(nèi)灌漿.待灌漿料凝固并達(dá)到預(yù)期強(qiáng)度后，通過鋼筋與灌漿料之間的粘結(jié)錨固，實(shí)現(xiàn)鋼筋的連接.在套筒的關(guān)鍵位置設(shè)置剪力鍵以防止灌漿料與套筒之間出現(xiàn)滑移.半套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)與全套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)的不同構(gòu)造之處在于:預(yù)留鋼筋通過機(jī)械連接的形式與套筒連接，該機(jī)械連接方式一般為螺紋連接.半套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式如圖1(b)所示.

圖1 套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)示意圖

1.2 靜力性能

由于在實(shí)際工程中，半套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)用較少，故對已有的套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)的研究主要針對全套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn).國內(nèi)外對全套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了大量的靜力試驗(yàn)研究，并探討了節(jié)點(diǎn)各個組成部分對節(jié)點(diǎn)工作性能的影響.

2012 年，Ling Jen Hua 等人對18 個不同套筒形狀、鋼筋錨固長度和套筒內(nèi)徑的試件進(jìn)行了靜力試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明，由于套筒對節(jié)點(diǎn)提供橫向約束，套筒形狀對節(jié)點(diǎn)的承載能力有著重要的影響;套筒內(nèi)徑的減小和鋼筋埋入長度的增大會提高節(jié)點(diǎn)的承載能力［3］.

2013 年，吳小寶等人對18 個試件進(jìn)行了單調(diào)拉伸試驗(yàn)以研究灌漿料齡期和鋼筋種類對套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)受力性能的影響.連接節(jié)點(diǎn)的變形與鋼筋種類沒有明顯關(guān)系.采用HRB500 鋼筋連接節(jié)點(diǎn)的28 天承載力高于HRB400 鋼筋連接節(jié)點(diǎn)，但均稍低于相應(yīng)鋼筋的承載力.首周內(nèi)連接節(jié)點(diǎn)的承載力和變形隨齡期增長迅速發(fā)展，7 天時趨于穩(wěn)定［4］.

2013 年，Aizat Alias 等人通過試驗(yàn)研究，對比了套筒內(nèi)部放置和不放置箍筋的情況下連接節(jié)點(diǎn)的靜力工作性能，發(fā)現(xiàn)放置箍筋的節(jié)點(diǎn)的工作性能優(yōu)于不放置箍筋的節(jié)點(diǎn)的工作性能［5］.

2014 年，鄭永峰等人采用了一種新型鋼筋連接用灌漿套筒設(shè)計制作了5 個接頭試件并進(jìn)行了單向拉伸試驗(yàn).鋼筋錨固長度取8 倍鋼筋直徑時，試件均為套筒外鋼筋斷裂破壞.不同的套筒內(nèi)壁構(gòu)造導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)筒壁應(yīng)變出現(xiàn)了不同的分布規(guī)律.在軸向方向，套筒中部由于沒有凸環(huán)肋，表現(xiàn)為受拉;在套筒兩端，由于凸環(huán)肋的存在，表現(xiàn)為受壓.在環(huán)向方向，套筒沿全長均受壓［6］.

2015 年，王東輝等人開展了9 個水泥灌漿料套筒連接節(jié)點(diǎn)拉伸承載力試驗(yàn)，研究表明，在靜力作用下，水泥灌漿料套筒連接節(jié)點(diǎn)性能符合文獻(xiàn)［7］中規(guī)定的Ⅰ級型式檢驗(yàn)性能要求.

2 插入式預(yù)留孔漿錨搭接節(jié)點(diǎn)

2.1 構(gòu)造形式

插入式預(yù)留孔漿錨搭接節(jié)點(diǎn)示意圖如圖2 所示.在上部預(yù)制剪力墻中的預(yù)留鋼筋底端位置預(yù)留表面粗糙的波紋孔，并在波紋孔和預(yù)留鋼筋外圍放置螺旋箍筋.在上部預(yù)制剪力墻的一側(cè)設(shè)置灌漿孔和排氣孔，并保證它們與波紋孔的連通.吊裝過程中，將后插入鋼筋插入預(yù)留的波紋孔后，通過灌漿孔向波紋孔內(nèi)灌漿，待灌漿料凝固并達(dá)到預(yù)期的強(qiáng)度后，通過鋼筋與灌漿料的粘結(jié)錨固以及鋼筋之間的搭接傳力，實(shí)現(xiàn)鋼筋之間的連接.波紋孔粗糙不規(guī)則的做法是為了提高灌漿料與周圍混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度.在搭接節(jié)點(diǎn)外圍放置箍筋是使箍筋提供橫向約束，提高節(jié)點(diǎn)的承載能力［8］.

圖2 插入式預(yù)留孔漿錨搭接節(jié)點(diǎn)示意圖

2.2 靜力性能

2011 年，在鋼筋錨固試驗(yàn)結(jié)論的基礎(chǔ)上，姜洪斌等人對108 個插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋搭接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了靜力試驗(yàn)試件.所有試件的搭接接頭率均為100%.試驗(yàn)表明:1)隨著搭接長度的增加，加載端和自由端混凝土的破壞程度變大;2)隨鋼筋直徑的增加，螺旋筋的應(yīng)變值逐漸變的不穩(wěn)定;3)當(dāng)鋼筋的搭接長度約為20 d(d 為搭接鋼筋的直徑)時，鋼筋屈服時剛好與灌漿料發(fā)生滑移［9］.

2015 年，馬君衛(wèi)等人設(shè)計制作了72 個鋼筋約束漿錨搭接連接的鋼筋搭接試件，對其進(jìn)行了單向拉伸試驗(yàn).所有試件的破壞形態(tài)均為鋼筋拉斷，未出現(xiàn)混凝土縱向劈裂的情況，鋼筋與灌漿料或鋼筋與混凝土之間也未出現(xiàn)滑移現(xiàn)象.節(jié)點(diǎn)體積配筋率的增加可以提高鋼筋與灌漿料或混凝土的錨固強(qiáng)度，進(jìn)而提高節(jié)點(diǎn)的承載能力［10］.

3 波紋管漿錨連接節(jié)點(diǎn)

3.1 構(gòu)造形式

波紋管漿錨連接節(jié)點(diǎn)是另外一種裝配式混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋豎向連接節(jié)點(diǎn).在上部剪力墻中預(yù)埋波紋管，待混凝土達(dá)到要求強(qiáng)度后，進(jìn)行吊裝.把后插入鋼筋插入波紋管后，將灌漿料通過預(yù)留的灌漿孔灌入波紋管，養(yǎng)護(hù)至預(yù)期強(qiáng)度.通過鋼筋與灌漿料之間的粘結(jié)錨固實(shí)現(xiàn)上下剪力墻的連接［11］.波紋管漿錨連接節(jié)點(diǎn)示意圖如圖3 所示.

圖3 波紋管漿錨連接節(jié)點(diǎn)示意圖

3.2 靜力性能

2014 年，陳云剛等人設(shè)計制作了9 組162 個預(yù)制混凝土波紋管漿錨鋼筋錨固拉拔試件.連續(xù)加載拉拔試驗(yàn)結(jié)果表明:1)隨著鋼筋直徑的增大，破壞荷載呈遞增趨勢;2)混凝土強(qiáng)度等級提高、其他條件相同時，破壞荷載基本接近，但鋼筋直徑為18 mm 時，混凝土強(qiáng)度等級高的破壞荷載增大;3)波紋管直徑從35mm 增大到40mm、其他條件相同時，破壞荷載基本接近;4)其他條件相同、錨固長度變化時，破壞荷載也基本接近，但鋼筋直徑為18mm時，破壞荷載離散性稍大;5)所有試件的拉拔結(jié)果均為鋼筋拉斷［12］.

2014 年，尹齊等人對16 組共48 個鋼筋插入式預(yù)埋波紋管漿錨連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗拔試驗(yàn).試件有鋼筋被拉斷和鋼筋與灌漿料滑移兩種破壞形式.為了保證節(jié)點(diǎn)的承載能力，當(dāng)鋼筋直徑增大時，應(yīng)增大波紋管外徑或者增加鋼筋錨固長度［13］

4 套筒約束漿錨搭接節(jié)點(diǎn)

4.1 構(gòu)造形式

套筒約束漿錨搭接節(jié)點(diǎn)［14］(圖4)是由余瓊提出的一種新的預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋的連接方式.將型鋼套筒點(diǎn)焊在預(yù)留鋼筋上，以固定型鋼套筒在剪力墻中的位置.吊裝時，將后插入鋼筋插入型鋼套筒后，通過灌漿孔灌入無收縮灌漿料以實(shí)現(xiàn)上下鋼筋之間的連接.

圖4 套筒約束漿錨搭接節(jié)點(diǎn)

4.2 靜力性能

1986 年，孫金墀進(jìn)行了水泥砂漿錨固鋼筋的錨固試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，對于鋼管約束下的雙根鋼筋搭接的水泥砂漿錨固試件，無論是拉力—變形曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)的強(qiáng)度及錨固極限強(qiáng)度，都比鋼管約束下的單根鋼筋水泥砂漿錨固試件高一些［15］.

2014 年，在孫金墀的研究基礎(chǔ)上，余瓊改良了構(gòu)造形式和灌漿工藝，提出了套筒約束漿錨搭接節(jié)點(diǎn)［14］，并對該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)的靜力性能研究，相關(guān)的研究成果會在日后發(fā)表.

5 四種灌漿連接節(jié)點(diǎn)的比較

在橫向約束形式、工作機(jī)理、臨界長度、適用構(gòu)件和相關(guān)技術(shù)規(guī)程五個方面對四種灌漿連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對比分析，可以加深對它們的認(rèn)識，促進(jìn)四種灌漿連接節(jié)點(diǎn)的推廣應(yīng)用.

5.1 橫向約束形式

在節(jié)點(diǎn)鋼筋外圍設(shè)置橫向約束，是提高節(jié)點(diǎn)承載力的重要方法.對于套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)，約束套筒多為球墨鑄鐵鑄造的金屬套筒;插入式預(yù)留孔漿錨搭接節(jié)點(diǎn)采用箍筋提供橫向約束，制作簡便;在波紋管漿錨連接節(jié)點(diǎn)中，每根鋼筋外圍都放置一條金屬波紋管以提高鋼筋與灌漿料之間的錨固強(qiáng)度;套筒約束漿錨搭接節(jié)點(diǎn)中的套筒為型鋼圓管.

5.2 工作機(jī)理

由節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式可以看出，套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)和波紋管漿錨連接節(jié)點(diǎn)的工作機(jī)理相同，插入式預(yù)留孔漿錨搭接節(jié)點(diǎn)和套筒約束漿錨搭接節(jié)點(diǎn)的工作機(jī)理一致.

前兩者的工作機(jī)理為:當(dāng)鋼筋與灌漿料間的膠結(jié)力和摩擦力破壞后，節(jié)點(diǎn)通過鋼筋與灌漿料之間的機(jī)械咬合力傳力.鋼筋肋會對周圍灌漿料產(chǎn)生斜向壓應(yīng)力，導(dǎo)致周圍灌漿料出現(xiàn)斜裂縫，而鋼筋周圍的套筒或者波紋管會提供橫向約束，抑制裂縫的發(fā)展，從而提高節(jié)點(diǎn)的承載能力.

而后兩者則是通過搭接傳力:一根鋼筋上受到的拉力會通過兩根鋼筋間的灌漿料傳遞到另外一根鋼筋上去.兩鋼筋間會出現(xiàn)斜裂縫，并且會因斜向的壓力導(dǎo)致兩鋼筋出現(xiàn)分離的趨勢［16］，而箍筋和型鋼套筒的存在會對裂縫和分離趨勢的發(fā)展產(chǎn)生約束，進(jìn)而提高節(jié)點(diǎn)的承載能力.

5.3 臨界長度

在靜力作用下，取鋼筋與灌漿料或混凝土滑移時，鋼筋剛好被拉斷的狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)長度作為臨界長度.為保證節(jié)點(diǎn)的靜力工作性能，節(jié)點(diǎn)的長度必須大于臨界長度.雖然在灌漿料強(qiáng)度不同或者橫向約束的細(xì)部構(gòu)造(如套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)中筒壁剪力鍵位置)不同時，節(jié)點(diǎn)的臨界長度有所不同，但通過試驗(yàn)研究，得到了在常用灌漿料強(qiáng)度和橫向約束構(gòu)造條件下各節(jié)點(diǎn)的臨界長度，列于表1.

5.4 適用構(gòu)件

套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)被提出后，在日本得到了廣泛應(yīng)用并獲得了較大發(fā)展.國內(nèi)對該連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了充分的試驗(yàn)研究，并制定了相關(guān)的章程.鋼筋套筒主要用于預(yù)制剪力墻和預(yù)制柱的豎向鋼筋連接，梁的水平鋼筋連接也可根據(jù)實(shí)際情況采用套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn).

漿錨搭接連接方式在歐洲有多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn).在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)學(xué)者提出了插入式預(yù)留孔漿錨搭接節(jié)點(diǎn)，并且在黑龍江宇輝建設(shè)集團(tuán)和南通建筑工程總承包公司(所采用節(jié)點(diǎn)與插入式預(yù)留孔漿錨搭接節(jié)點(diǎn)類似)的工程項(xiàng)目中推廣應(yīng)用.該節(jié)點(diǎn)形式多應(yīng)用在預(yù)制剪力墻和預(yù)制柱豎向鋼筋的連接，且只適合于直徑較小鋼筋的連接，不宜在對結(jié)構(gòu)抗震性能比較重要且鋼筋直徑較大的剪力墻邊緣構(gòu)件中使用.

江蘇省南通建筑工程總承包公司在多個工程項(xiàng)目中使用了波紋管漿錨連接節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)多用于預(yù)制剪力墻豎向鋼筋的連接.

套筒約束漿錨搭接節(jié)點(diǎn)是2015 年提出的鋼筋連接節(jié)點(diǎn)形式，目前正在進(jìn)行該節(jié)點(diǎn)連接形式下預(yù)制剪力墻和預(yù)制混凝土柱的抗震性能試驗(yàn)研究.

5.5 相關(guān)技術(shù)規(guī)程

除套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)程外，其余三個節(jié)點(diǎn)均未出臺相關(guān)的技術(shù)規(guī)程.套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為:《鋼筋連接用灌漿套筒》JG/T 398 和《鋼筋連接用套筒灌漿料》JG/T 408.

四種灌漿連接節(jié)點(diǎn)的比較匯總見表1.

6 結(jié) 語

以上四種鋼筋灌漿連接節(jié)點(diǎn)都具有各自的構(gòu)造特點(diǎn)，并且在靜力作用下，都表現(xiàn)出良好的工作性能.相信隨著建筑產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，對四種灌漿連接節(jié)點(diǎn)的研究能夠更加深入，相關(guān)技術(shù)規(guī)程更加完善.上述四種節(jié)點(diǎn)能夠更多的應(yīng)用在預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)中，為預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的連接問題提供更多解決方案.

表1 四種灌漿連接節(jié)點(diǎn)的比較

注:d 為節(jié)點(diǎn)中鋼筋的直徑，單位為mm;套筒約束漿錨搭接節(jié)點(diǎn)的臨界長度由試驗(yàn)獲得，該試驗(yàn)成果還未發(fā)表.

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［12］ 陳云鋼，劉家彬，郭正興，等.預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)波紋管漿錨鋼筋錨固性能試驗(yàn)研究［J］.建筑技術(shù)，2014，(01):65－67.

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