裝配式建筑灌漿套筒連接研究及發(fā)展現(xiàn)狀?

陳曉磊 魏奇科 王振強 劉赫凱 方蒙

(中冶建工集團有限公司 重慶400080)

引言

裝配式建筑稱之為模塊化建筑、 工業(yè)化建筑[1]， 與傳統(tǒng)建筑相比具有以下兩方面特點:1)施工方式上， 將現(xiàn)場部分構(gòu)件的生產(chǎn)移至工廠進行規(guī)模化制作， 提升構(gòu)件產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量， 隨后將構(gòu)件廠完成的產(chǎn)品運至現(xiàn)場進行組裝形成建筑； 2)生產(chǎn)效益上， 具有生產(chǎn)效率高、 施工質(zhì)量好、 建設(shè)周期短、 勞動強度小、 綠色環(huán)保等優(yōu)點。

為促進建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級、 提升建筑工程質(zhì)量、落實綠色發(fā)展理念、 實現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化需求，我國正積極推廣裝配式建筑在建筑業(yè)的發(fā)展。2016 年國務(wù)院頒發(fā)了《關(guān)于進一步加強城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》， 標志著已將裝配式建筑的發(fā)展提升到國家發(fā)展戰(zhàn)略高度， 力爭10 年時間使裝配式建筑占有率占新建建筑比例達30%。

雖然國內(nèi)部分建筑已采用裝配式方式進行建造， 但由于工業(yè)化建筑起步較晚， 經(jīng)歷高潮、 低谷， 市場占有率相對較低， 與發(fā)達國家相比具有一定差距。 而縱觀國際， 日本及歐美等發(fā)達國家早在20 世紀60 年代開始使用裝配式， 截止目前占有率已達50% ～60%。 總體而言， 國內(nèi)裝配式建筑的發(fā)展仍處在轉(zhuǎn)型、 推廣的關(guān)鍵階段， 存在研究滯后、 體系發(fā)展不成熟等問題， 設(shè)計、 施工方面尤為突出， 需進行深入研究。

對于裝配式建筑的結(jié)構(gòu)而言， 豎向預(yù)制構(gòu)件作為結(jié)構(gòu)的主要受力部件， 各構(gòu)件間連接的可靠性對整體性能較為突出， 其連接的可靠性將影響該新型體系在我國的推廣應(yīng)用。 已有研究表明，灌漿連接鋼筋套筒是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣、 最為可靠的鋼筋連接方式[2]。 為此， 本文對收集的相關(guān)文獻進行歸納、 總結(jié)， 系統(tǒng)梳理國內(nèi)外裝配式建筑灌漿連接鋼筋套筒的研究現(xiàn)狀， 為我國裝配式建筑套筒灌漿連接技術(shù)的研究及應(yīng)用提供參考。

1 文獻源及數(shù)據(jù)分析

此次文獻資源共收集、 篩選了44 篇文獻(論文、 專利及報告)， 時間跨度從1960 年至2018年。 對文獻做進一步分析發(fā)現(xiàn)此次收集的研究文獻主要來自中、 美、 日三個國家， 中、 美研究數(shù)量居多且近幾年中國處于上升趨勢， 對裝配式建筑方面的研究越加重視。

此外， 本文對收集文獻的標題、 主題、 關(guān)鍵詞及摘要進行瀏覽， 對各文獻內(nèi)容進行分類、 歸納共得4 方面研究主題， 分別是: 1)灌漿套筒的開發(fā)與應(yīng)用； 2)灌漿料研究； 3)鋼筋套筒灌漿軸向受拉連接性能研究； 4)采用灌漿套筒連接的預(yù)制構(gòu)件受力性能研究。 下面將圍繞這4 方面主題對灌漿連接鋼筋套筒的發(fā)展及研究現(xiàn)狀進行闡述。

2 灌漿套筒的開發(fā)、 應(yīng)用

鋼筋連接用灌漿套筒是指應(yīng)用機械加工、 鑄造等生產(chǎn)工藝， 用于連接鋼筋形成有效傳力的金屬套筒。 按類別劃分該套筒可劃分為全灌漿套筒和半灌漿套筒。 全灌漿套筒即兩端均采用灌漿方式連接的套筒； 半灌漿套筒即一端采用灌漿連接， 另一端采用非灌漿連接(通常采用螺紋連接)(如圖1)。 現(xiàn)有的研究、 開發(fā)主要集中于套筒的外形、 內(nèi)部構(gòu)造以及套筒的制作材質(zhì)。 下面將對不同類型套筒的研究、 發(fā)展進行歸納總結(jié)。

圖1 鋼筋連接用灌漿套筒Fig.1 Grouted splice connector

20 世紀60 年代， 結(jié)構(gòu)工程師DR. ALFERED A. YEE 首次提出了鋼筋連接用錐形球墨鑄鐵全灌漿套筒[3]， 并將其應(yīng)用在位于美國夏威夷的阿拉莫阿酒店。 套筒內(nèi)腔構(gòu)造如圖2 所示。 套筒內(nèi)部兩端設(shè)置了環(huán)肋利于提升套筒與灌漿料之間的粘結(jié)強度。

圖2 錐形球墨鑄鐵全灌漿套筒Fig.2 Conical ductile iron full grouting sleeve

此后在世界范圍內(nèi)各國學者不斷對其進行發(fā)展、 改進延伸出了各種灌漿套筒。 其中LENTON INTERLOK 就為后續(xù)開發(fā)的一種典型半灌漿套筒， 一端螺紋連接， 一端灌漿連接， 套筒內(nèi)部設(shè)置等間距環(huán)肋。 日本地區(qū)[4]研制出了一種圓形截面灌漿套筒， 針對豎向及水平預(yù)制構(gòu)件具有不同的尺寸形式， 其中豎向構(gòu)件用鋼筋套筒的外徑及內(nèi)腔尺寸更大， 方便豎向構(gòu)件的吊裝對中； 而水平構(gòu)件用套筒在上、 下灌漿口內(nèi)側(cè)設(shè)有固定螺栓便于與鋼筋固定。 在澳洲， 澳大利亞開發(fā)了一種“酒瓶”形半灌漿套筒(圖3)[5]， 采用球墨鑄鐵鑄造而成非灌漿端采用螺紋連接鋼筋， 灌漿端設(shè)置環(huán)肋。

圖3 “酒瓶”形半灌漿套筒Fig.3 Half grouting sleeve of “wine bottle”

在中國， 針對HRB400 級直徑15mm ～25mm的鋼筋開發(fā)研制了JM 半灌漿套筒及配套灌漿料[6]， 該套筒采用合金結(jié)構(gòu)鋼通過車床加工而成， 套筒內(nèi)壁設(shè)計成斜面形式， 改善鋼筋錨固力， 降低鋼筋在套筒內(nèi)的滑移。 此外還研發(fā)了一種主要用于橋梁拼裝的鋼筋連接用灌漿套筒技術(shù)， 包含全灌漿、 半灌漿量產(chǎn)品， 套筒內(nèi)腔設(shè)有環(huán)肋。 后來還通過借鑒歐洲及日本的相關(guān)制造技術(shù)， 自主開發(fā)了一套鋼筋灌漿連接接頭[7]， 該套筒接頭同樣采用球墨鑄鐵制作而成， 并通過設(shè)置環(huán)肋產(chǎn)生連接能力。 由上述情況可知， 總體而言灌漿連接鋼筋套筒外觀形式差別不大， 套筒內(nèi)部多設(shè)有環(huán)形肋骨以提高承載能力， 多數(shù)套筒采用球墨鑄鐵制作而成， 采用機械加工的方式進行生產(chǎn)。

3 灌漿料研究

套筒灌漿連接技術(shù)是將預(yù)留的兩根鋼筋從套筒兩端插入鋼筋套筒內(nèi)部， 通過灌漿口往套筒灌入連接漿料使鋼筋、 套筒形成整體， 從而達到傳力的目的。 由此可知灌漿料的性能對鋼筋、 套筒的連接性有著不可忽略的影響。 現(xiàn)有套筒灌漿料主要研究各摻合料的添加對漿料性能的影響， 下面對其進行論述。

3.1 礦物參合對灌漿料的影響

礦物料的添加能夠有助于改善漿料的物理性， 提升抗氯離子的滲透性。 劉捐紅等人[8]通過對水泥基灌漿材料添加粉煤灰、 特質(zhì)砂等外加礦物劑發(fā)現(xiàn)外加礦物將減緩早期水化反應(yīng)， 延長漿料自由水消耗， 降低灌漿料的收縮率。 楊萍[9]研究發(fā)現(xiàn)添加粉煤灰將降低漿料水化速度， 防止?jié){料在水化過程中放熱、 升溫， 利于控制漿料凝結(jié)發(fā)生開裂。 韓瑋霖[10]通過添加不同組分的粉煤灰、 硅灰機、 偏高嶺土發(fā)現(xiàn)， 當三種添加料按照一定比例進行添加時灌漿料可滿足強度、 流動性等工程要求。 董軍軍[11]等人通過在灌漿料中添加硅灰、 粉煤灰及礦粉以研究三者對漿料拌合物的強度、 流動性及膨脹率影響， 研究表明礦粉、粉煤灰能提高漿料流動性， 硅灰及礦粉可改善漿料強度， 此外粉煤灰對漿料豎向膨脹率影響顯著。

上述成果表明， 添加礦物料有利于改善降低漿料孔隙率， 提高漿料強度及耐久性。

3.2 水膠比、 膠砂比對灌漿料的影響

趙素寧[12]等人研究發(fā)現(xiàn)增加水膠比、 延長漿料拌制時間能夠提高漿料流動性， 隨著水量的不斷增加， 流動度提高、 漿料強度降低。 成志強[13]等人通過改變漿料中水膠比及砂膠比發(fā)現(xiàn)水膠比增大， 泌水率提升。 汪秀石[14]通過實驗得知水膠比、 膨脹劑對套筒灌漿用料性能的影響規(guī)律， 并以此規(guī)律對漿料外加劑添加量進行優(yōu)化， 以得到較好的流動性及強度。

通過上述研究得知， 合理添加膠砂比、 水膠比可有效改進灌漿料的流動性、 和易性及泌水等現(xiàn)象， 使?jié){料具有較好性能， 滿足工程要求。

3.3 外加劑對灌漿料的影響

何濤等人[15]研究了不同剪切速率狀態(tài)下緩凝劑、 生物膠等對漿料粘結(jié)強度及觸變性能的影響， 結(jié)果表明漿料粘結(jié)度隨時間的變化規(guī)律因外加劑品種、 剪切速率及添加量的不同而不同， 粘度隨生物膠用料的提升而提高， 隨緩凝劑的增加而減少； 生物膠和緩凝劑會降低觸變性。 張毅[16]研究表明， 膨脹劑能較好抑制漿料在硬化過程中的收縮問題， 對水泥水化產(chǎn)物影響不顯著。

以上成果表明， 灌漿料中添加外加劑可改善漿料硬化速率， 改變凝結(jié)時間， 提高灌漿料的抗裂性、 防滲性及耐久性。

4 鋼筋套筒軸向受拉連接性研究

鋼筋套筒的連接性直接影響各預(yù)制構(gòu)件在外部荷載作用下的整體性及可靠性， 對結(jié)構(gòu)的重要性不言而喻。 目前國內(nèi)外已有相當數(shù)量的鋼筋套筒連接性能研究， 并取得了一定成果， 其研究內(nèi)容可大致分為兩類: 1)各因素對套筒連接性能的影響； 2)不同構(gòu)造形式套筒的受拉性能對比。

4.1 各因素對套筒連接性能影響

Hayashi[17]等人采用實驗手段研究了鋼筋套筒內(nèi)部粘結(jié)應(yīng)力與鋼筋滑移之間的關(guān)系， 通過研究表明受拉過程中鋼筋達到屈服前， 粘結(jié)應(yīng)力與漿料強度呈正比關(guān)系， 發(fā)生屈服后粘結(jié)應(yīng)力不變。 Kim[18]通過結(jié)合以往研究成果及現(xiàn)有試驗對粘結(jié)強度受套筒約束作用的影響展開了研究。Sayadi[19]等人通過對鋼筋套筒軸向拉伸對不同受力階段下鋼筋與漿料機械咬合作用進行研究， 試驗表明套筒端部設(shè)置環(huán)肋或嵌入高強螺栓將提升漿料與套筒間咬合力， 鋼筋受拉彈性階段增加機械咬合將降低鋼筋粘結(jié)強度。 此外， 根據(jù)Sayadi[20]等人試驗結(jié)果擬合形成了考慮機械咬合作用的粘結(jié)強度計算公式。 Ling J H[21]通過鋼筋套筒拉伸試驗研究了灌漿接頭的破壞模式及產(chǎn)生破壞的機理； Zuo J[22]等人總結(jié)分析以往研究成果給出了橫向鋼筋約束作用下及無橫向鋼筋約束情況下縱筋與混凝土之間粘結(jié)錨固強度與混凝土軸壓強度相關(guān)關(guān)系； Zhou 等人[23]研究了不銹鋼消能鋼筋的錨入長度、 鋼筋與套管直徑比對套筒與鋼筋間粘結(jié)滑移的影響， 并建立了相關(guān)公式。Huang 等人[24]采用試驗與模擬相結(jié)合的手段對15 個半灌漿套筒連接件進行單向拉伸， 研究施工誤差對試樣承載力的影響； Xu 等人[25]通過設(shè)計四種缺陷共126 個半灌漿套筒試件以研究漿料缺陷對鋼筋粘結(jié)性影響的研究， 給出各缺陷形式對套筒、 鋼筋間粘結(jié)滑移的影響， 并建立相關(guān)計算表達式。

在國內(nèi)吳小寶等人[26]制作36 個試件分析研究了齡期及鋼筋強度等級對鋼筋套筒連接性能的影響。 結(jié)果表明試件制作第一周內(nèi)接頭承載力隨齡期不斷增加而增大， 一周之后增長趨勢不明顯； 高強鋼筋灌漿連接接頭受拉承載力略高于普通鋼筋受拉承載力。 王東輝[27]研究發(fā)現(xiàn)在套筒外徑不變的情況下， 鋼筋直徑增大， 套筒連接件屈服荷載降低， 連接性能減弱。 鄭清林等人[28]在單向拉伸作用下對不同缺陷特征的鋼筋套筒受力性能進行研究， 結(jié)果表明同級缺陷作用下， 水平缺陷大于豎向缺陷影響， 鋼筋偏心影響大于軸心影響。 王磊[29]考慮漿料強度、 鋼筋直徑、 套筒材料及錨固長度等參數(shù)變化對試件承載力及受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響， 結(jié)果表明所錨固長度及壁厚增加， 套筒應(yīng)變降低， 套筒峰值承載力隨錨固長度及鋼筋直徑的增加而增大。 余瓊等[30]研究表明， 隨帶肋鋼筋錨固長度及直徑的增加，極限承載力、 粘結(jié)強度及變形能力均有提高。

4.2 套筒構(gòu)造對連接性能影響

Eniea[31]設(shè)計四類鋼筋套筒， 分別在套筒內(nèi)側(cè)設(shè)置單根鋼筋、 四根鋼筋、 鋼環(huán)及套筒兩端設(shè)置鋼板， 研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)設(shè)單根鋼筋的套筒其受拉性能最優(yōu)， 內(nèi)設(shè)鋼環(huán)并在兩端安置鋼筋的套筒由于內(nèi)腔構(gòu)造復(fù)雜不便于現(xiàn)場的安裝連接。 Kim 等人[32]設(shè)計了端部縮口全灌漿套筒， 對各套筒在單向拉伸作用下的約束作用進行研究對比。Ling[33]分別設(shè)計了矩形側(cè)切面及菱形切面兩種套筒并進行軸向拉伸試驗， 研究表明套筒端部口徑減少有利于提高套筒鋼筋連接件的承載力及粘結(jié)性。 Henin[34]采用無縫鋼筋制作了一種新套筒，通過拉伸試驗發(fā)現(xiàn)當套筒直徑為鋼筋直徑的16倍時可確保連接件在套筒外部發(fā)生破壞。

郭正興等人[35]對新型變形灌漿套筒進行受拉試驗， 以研究套筒受力性能及應(yīng)變變化規(guī)律，給出了漿料與套筒間連接公式。

5 采用灌漿套筒連接的預(yù)制構(gòu)件受力性能研究

工程中應(yīng)用鋼筋套筒灌漿連接技術(shù)其目的在于: 1)確保實際工程中套筒所連受拉鋼筋間軸向拉力的有效傳遞； 2)鋼筋、 套筒組成的連接件其軸向受拉特性等效于單根鋼筋受拉性能。 因此將該連接技術(shù)置于構(gòu)件或結(jié)構(gòu)層面進行研究有著重要的工程意義。 到目前為止國內(nèi)外學者已做了相關(guān)研究， 其研究主要集中于: 1)不同連接方式的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)抗震性對比； 2)預(yù)制與現(xiàn)澆構(gòu)件間受力性能差異； 3)套筒灌漿連接預(yù)制構(gòu)件受力特性及機理。

Ameli M J 等人[36]分別采用半罐漿鋼筋套筒及全灌漿鋼筋套筒對預(yù)制混凝土柱進行連接， 通過平面內(nèi)的水平往復(fù)試驗研究二者之間抗震性能差異， 研究表明峰值承載力相差不大， 而全灌漿套筒連接試件變形能力及耗能能力優(yōu)于半灌漿套筒， 此外半罐漿套筒發(fā)生錨固失效破壞， 全灌漿套筒鋼筋斷裂。 Khaled[37]對不同連接形式下預(yù)制剪力墻構(gòu)件抗震性能進行研究， 結(jié)果表明采用灌漿套筒連接技術(shù)且設(shè)置抗剪件的剪力墻抗震性能最優(yōu)。 Belleri 等人[38]通過研究發(fā)現(xiàn)鋼筋套筒連接的預(yù)制柱其破壞主要集中于柱子底部。

國內(nèi)陳康等人[39]對半灌漿套筒連接預(yù)制剪力墻試件進行研究， 結(jié)果表明墻體在與地梁連接部位出現(xiàn)明顯的水平裂縫， 試驗最終發(fā)生彎曲破壞， 在試驗過程中套筒能有效傳遞鋼筋應(yīng)力。 錢家茹， 彭媛媛等人[40]對現(xiàn)澆、 預(yù)制及半預(yù)制的高剪跨比剪力墻進行試驗研究， 研究表明當鋼筋錨入套筒一定深度范圍內(nèi)預(yù)制剪力墻試件抗震性可等同于現(xiàn)澆構(gòu)件。 張臻等人[41]以預(yù)制框架柱為研究對象研究預(yù)制及現(xiàn)澆構(gòu)件在不同軸壓比作用下的抗震性能差異， 結(jié)果表明二者破壞形態(tài)相似； 此外， 王健等[42]也做了軸壓比變化對預(yù)制、現(xiàn)澆柱的影響研究， 并表明軸壓比增加滯回曲線捏縮越明顯， 軸壓比降低預(yù)制構(gòu)件變形能力越優(yōu)， 且與現(xiàn)澆構(gòu)件相比變形能力相近。 預(yù)制構(gòu)件承載力隨灌漿料強度的增加而增長。 方旭等人[43]通過對預(yù)制框架柱進行試驗表明采用灌漿套筒連接的預(yù)制柱其受力性能與現(xiàn)澆柱一致， 能有效傳遞豎向鋼筋拉力。 劉香等人[44]研究發(fā)現(xiàn)半灌漿直螺紋套筒能有效傳遞鋼筋作用力， 但與現(xiàn)澆構(gòu)件相比預(yù)制構(gòu)件在后澆處形成通縫， 破壞形態(tài)有別于現(xiàn)澆構(gòu)件。 王霓等人[45]通過試驗手段研究了不同缺陷狀態(tài)下鋼筋套筒連接預(yù)制混凝土柱抗震性能情況， 結(jié)果表明隨著缺陷增加， 往復(fù)作用下力-位移滯回曲線越不對稱， 承載力及延性均有降低。 李然等人[46]對不同連接方式剪力墻進行研究， 表明采用套筒灌漿剪力墻破壞呈彎剪模式， 裂縫分布與現(xiàn)澆構(gòu)件存在差異但不顯著。 余瓊[47]發(fā)現(xiàn)套筒連接預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆構(gòu)件承載力相當， 耗能更優(yōu)且極限位移大于現(xiàn)澆構(gòu)件。

6 結(jié)語

6.1 小結(jié)

1. 套筒開發(fā)、 研究方面。 從套筒的外形及內(nèi)部構(gòu)造以及產(chǎn)品的開發(fā)方面總結(jié)了國內(nèi)外鋼筋套筒的發(fā)展歷程和應(yīng)用現(xiàn)狀， 歸納了國內(nèi)外學者對于套筒構(gòu)造形式的設(shè)計理念及推廣應(yīng)用。

2. 灌漿料研究方面。 總結(jié)了裝配式建筑套筒灌漿連接用灌漿料性能方面的研究， 歸納梳理了各外加劑的添加對漿料性能的影響及其規(guī)律。

3. 套筒受拉性能研究。 已有研究主要從兩方面開展: 1)套筒灌漿缺陷、 齡期、 錨固長度、 周圍約束等因素變化對受拉性能影響； 2)內(nèi)部構(gòu)造對受拉性能影響。 研究內(nèi)容較多、 成果較為豐富， 并提出了相關(guān)的承載力計算式。

4. 裝有套筒灌漿連接件的構(gòu)件受力性能研究方面。 梳理總結(jié)各國應(yīng)用套筒灌漿連接技術(shù)的混凝土構(gòu)件受力性能， 比較了與現(xiàn)澆構(gòu)件之間的差異， 對于改進連接技術(shù)的設(shè)計方法、 工藝具有一定的參考價值。

6.2 展望

通過上述歸納總結(jié)發(fā)現(xiàn)， 目前國內(nèi)外針對裝配式建筑鋼筋套筒灌漿連接研究主要集中于漿料的性能、 單根套筒軸向受拉以及鋼筋套筒構(gòu)造形式。

將鋼筋套筒連接件放置于結(jié)構(gòu)中進行構(gòu)件乃至結(jié)構(gòu)層次的整體受力性能研究相對較少， 且此類研究主要采用手動氣泵對套筒灌漿。 然而在施工現(xiàn)場， 為提高勞動效率， 基本采用電動灌漿設(shè)備結(jié)合倉體法對多個套筒同時進行灌漿從而縮短作業(yè)時間。 然而鮮有結(jié)合現(xiàn)場施工情況對鋼筋套筒的連接性能從構(gòu)件及結(jié)構(gòu)層次開展研究。 下面對鋼筋套筒連接技術(shù)相關(guān)研究提出以下建議:

1. 需加強針對現(xiàn)場施工作業(yè)方法的調(diào)研。 根據(jù)實際情況進行歸納、 總結(jié)、 分析。 結(jié)合現(xiàn)場施工方法對裝配式豎向構(gòu)件鋼筋套筒連接性做進一步分析研究。

2. 對現(xiàn)有鋼筋套筒連接的裝配式豎向構(gòu)件應(yīng)根據(jù)截面形式做進一步系統(tǒng)的研究， 考慮灌漿施工工藝， 彎、 剪、 壓復(fù)合受力， 套筒類型， 灌漿料， 加載方式及軸壓比等因素， 給出各參數(shù)變化對豎向構(gòu)件性能的影響規(guī)律， 提出更好的設(shè)計方法。