施工缺陷對半灌漿套筒連接件性能的影響*

沈 天，鄭榮躍，葉陳振

(寧波大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 寧波 315020)

0 引言

裝配式結(jié)構(gòu)是目前我國重點(diǎn)發(fā)展的結(jié)構(gòu)形式之一，相比傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，其具有工期短、能耗低、環(huán)保、成本低等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，符合可持續(xù)發(fā)展要求。鋼筋套筒灌漿連接技術(shù)廣泛應(yīng)用于裝配式結(jié)構(gòu)施工中，套筒灌漿質(zhì)量對于保證構(gòu)件節(jié)點(diǎn)乃至整個結(jié)構(gòu)安全具有重要作用。鋼筋套筒灌漿連接技術(shù)主要工作原理是將帶肋鋼筋插入高強(qiáng)金屬套筒中，在套筒內(nèi)部注入灌漿料，待灌漿料凝結(jié)后，通過灌漿料與套筒內(nèi)壁剪力鍵之間的機(jī)械咬合力、灌漿料與鋼筋橫肋之間的機(jī)械咬合力及灌漿料表面與鋼筋之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)鋼筋有效連接，通過套筒對灌漿料的約束作用，顯著提高鋼筋與灌漿料之間的黏結(jié)強(qiáng)度[4]。

施工缺陷會削弱套筒灌漿連接強(qiáng)度，甚至導(dǎo)致連接失效，從而對剪力墻乃至整體結(jié)構(gòu)承載能力造成影響，使建筑物存在嚴(yán)重的安全隱患[5]，因此，學(xué)者們對帶缺陷的灌漿套筒連接接頭性能進(jìn)行了大量研究，如匡志平等[6]的研究表明，灌漿套筒連接件破壞形態(tài)主要取決于灌漿料與鋼筋之間的黏結(jié)強(qiáng)度及鋼筋極限抗拉強(qiáng)度；陳曦等[7]提出施工缺陷可檢修型半灌漿套筒，可實(shí)現(xiàn)灌漿質(zhì)量檢測與施工缺陷修復(fù)?；谝延醒芯?，為分析實(shí)際工程中常見施工缺陷對連接件性能的影響，本文制作52個半灌漿套筒連接件，并開展單軸拉伸試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 材料性能

本試驗(yàn)采用高強(qiáng)無收縮灌漿料，根據(jù)JG/T 408—2013《鋼筋連接用套筒灌漿料》[8]中的相關(guān)規(guī)定，制作160mm×40mm×40mm(長×寬×高)標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn)與流動度試驗(yàn)，拌合用水含量為13%。測得灌漿料1，3，28d抗壓強(qiáng)度分別為36.3，65.2，94.6MPa，初始流動度為332mm，30min后流動度為277mm。

本試驗(yàn)采用φ20 HRB400鋼筋，通過材料性能試驗(yàn)測得鋼筋平均屈服強(qiáng)度為458.3MPa，平均極限強(qiáng)度為583.5MPa，彈性模量為203GPa，斷后伸長率為21.6%。

本試驗(yàn)采用GT20型球墨鑄鐵套筒，抗拉強(qiáng)度為592.6MPa，彈性模量為205GPa，斷后伸長率≥5%，球化率≥85%，各項性能符合JG/T 398—2012《鋼筋連接用灌漿套筒》[9]中的相關(guān)規(guī)定。

1.2 缺陷設(shè)計

對18個裝配式結(jié)構(gòu)工程施工現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，參考有關(guān)研究成果[10-12]，可知豎向構(gòu)件(預(yù)制柱、墻)相比橫向構(gòu)件(預(yù)制梁)更易存在施工缺陷。豎向構(gòu)件常見且危害性較大的施工缺陷包括：①注漿完成后，施工人員拔出注漿槍后未及時封堵注漿口，灌漿料在重力作用下自注漿口回流，導(dǎo)致連接件頂部存在空隙。②因連通腔封堵不密實(shí)、封邊材料開裂導(dǎo)致漏漿，造成接頭頂部灌漿不密實(shí)，形成頂部缺陷。③灌漿前，施工人員未對下部結(jié)構(gòu)裸露鋼筋進(jìn)行檢查清理，導(dǎo)致部分混凝土與裸露鋼筋黏結(jié)，由于普通混凝土強(qiáng)度小于高強(qiáng)灌漿料強(qiáng)度，因此，在接頭內(nèi)部形成薄弱層。此外，由于灌漿料30min后流動度較小，補(bǔ)灌操作無法完全將接頭內(nèi)部空氣排出，形成中部缺陷。④灌漿過程中，由于施工人員對注漿口持壓不足，導(dǎo)致空氣與灌漿料同時注入套筒內(nèi)部，形成多個小氣泡，進(jìn)而形成分布缺陷。⑤對于無法插入套筒的鋼筋，施工人員將其剪斷，縮短了鋼筋實(shí)際錨固長度，造成鋼筋錨固長度不足，對接頭受力性能造成影響。⑥由于吊裝前鋼筋定位不準(zhǔn)確，導(dǎo)致下部鋼筋與上部鋼筋無法在同一直線上進(jìn)行傳力。

利用沖擊回波法對422個連接節(jié)點(diǎn)灌漿套筒接頭進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)存在施工缺陷的接頭數(shù)量為37個，占檢測樣本總數(shù)的8.8%，其中，頂部缺陷套筒20個，中部缺陷套筒12個，分布缺陷套筒5個，分別占缺陷樣本總數(shù)的54.1%，32.4%，13.5%，可知頂部缺陷出現(xiàn)的概率最大，中部缺陷次之，分布缺陷最小。由于豎向構(gòu)件一般采用半灌漿套筒連接，因此，對半灌漿套筒連接接頭進(jìn)行研究，根據(jù)上述缺陷情況，設(shè)計頂部缺陷、中部缺陷、分布缺陷、錨固長度不足、鋼筋偏置連接件。試驗(yàn)變量包括缺陷沿鋼筋的縱向長度、缺陷類型、缺陷數(shù)量。為使鋼筋順利插入套筒，須保證鋼筋直徑與缺陷厚度之和小于套筒內(nèi)徑，因此，設(shè)定缺陷厚度h=3mm。設(shè)置鋼筋偏置連接件時，使鋼筋與套筒內(nèi)壁相貼，測得鋼筋偏置距e≈5mm。設(shè)置缺陷時，對多種材料進(jìn)行篩選，最終采用熱縮管包裹鋼筋的方式進(jìn)行設(shè)置，如圖1所示。使用熱風(fēng)槍加熱熱縮管，使其能夠良好地貼合鋼筋。

圖1 缺陷設(shè)置示意

1.3 連接件制作

1)螺紋端鋼筋套絲并與套筒擰緊，利用抱箍將螺紋端鋼筋及套筒固定在鋼模具上。

2)設(shè)置缺陷，并將灌漿端鋼筋插入指定深度，利用底部開有圓孔的橡膠塞封堵套筒下部洞口，利用抱箍將灌漿端鋼筋及套筒固定在鋼模具上。

3)將塑料軟管插入套筒出漿口，并上傾一定角度，確保注漿槍拔出后灌漿料可回流，以保證灌漿飽滿。

4)配制適量高強(qiáng)灌漿料，按水料比13%加水?dāng)嚢?min并靜置2min，待氣泡冒出后使用注漿槍在30min內(nèi)完成灌漿。

5)灌漿完成后，使用橡膠塞封堵出漿口和注漿口，并養(yǎng)護(hù)28d。

1.4 加載制度與參數(shù)測定方法

根據(jù)JGJ 355—2015《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[13]的相關(guān)要求，采用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，采用位移控制模式進(jìn)行加載，加載速率為10mm/min。為研究連接件力學(xué)性能，需測量連接件破壞時的極限承載力、灌漿端鋼筋與套筒之間的相對滑移位移，其中，極限承載力通過加載系統(tǒng)直接讀取的數(shù)據(jù)計算得到，相對滑移位移通過位移計測得。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 連接件破壞形態(tài)

半灌漿套筒連接件破壞形態(tài)主要包括：①Ⅰ類 螺紋端鋼筋被拉斷(見圖2a)，鋼筋達(dá)到極限強(qiáng)度后連接件出現(xiàn)此類情況；②Ⅱ類 灌漿端鋼筋被拉斷(見圖2b)，鋼筋達(dá)到極限強(qiáng)度后連接件出現(xiàn)此類情況；③Ⅲ類 灌漿端鋼筋被拔出(見圖2c)，當(dāng)灌漿端鋼筋與灌漿料之間的黏結(jié)強(qiáng)度不足時，連接件出現(xiàn)此類情況，實(shí)際工程中應(yīng)避免。

圖2 半灌漿套筒連接件破壞形態(tài)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，連接件編號規(guī)定如下：①對于灌漿飽滿的連接件，以BM-20-1為例，BM表示灌漿飽滿，20表示鋼筋直徑為20mm，1表示連接件代號；②對于頂部缺陷連接件，以DB-20-1d-1為例，DB表示頂部缺陷，20表示鋼筋直徑為20mm，1d(d為鋼筋直徑)表示缺陷長度為1倍鋼筋直徑，1表示連接件代號；③對于中部缺陷連接件，以ZB-20-1d-1為例，ZB表示中部缺陷連接件，20表示鋼筋直徑為20mm，1d表示缺陷長度為1倍鋼筋直徑，1表示連接件代號；④對于分布缺陷連接件，以FB-20-2×1d為例，F(xiàn)B表示分布缺陷，20表示鋼筋直徑為20mm，2×1d表示2個長度為1倍鋼筋直徑的缺陷；⑤對于錨固長度不足連接件，以MG-20-1d-1為例，MG表示錨固長度不足，20表示鋼筋直徑為20mm，1d表示缺陷長度為1倍鋼筋直徑，1表示連接件代號；⑥對于鋼筋偏置缺陷連接件，以PZ-20-1為例，PZ表示鋼筋偏置缺陷，20表示鋼筋直徑為20mm，1表示連接件代號。除錨固長度不足連接件外，其余連接件鋼筋插入深度均為8倍鋼筋直徑。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

2.3 結(jié)果分析

2.3.1灌漿飽滿連接件

灌漿飽滿連接件荷載-相對滑移位移曲線如圖3所示。由圖3和表1可知，連接件BM-20-1，BM-20-2，BM-20-3極限承載力分別為182.9，183.3，182.2kN，其破壞形態(tài)均為鋼筋拉斷破壞；各連接件極限強(qiáng)度與母材鋼筋相當(dāng)；各連接件荷載-相對滑移位移曲線具有明顯的彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段、破壞階段，與母材鋼筋荷載-位移曲線基本保持一致，具有良好的受力性能；灌漿飽滿連接件相對滑移位移平均值為6.41mm，可知鋼筋滑移量較小，屬于延性破壞。

圖3 灌漿飽滿連接件荷載-相對滑移位移曲線

2.3.2頂部缺陷連接件

以代號為1的頂部缺陷連接件為例，其荷載-相對滑移位移曲線如圖4所示。由圖3，4和表1可知，相比灌漿飽滿連接件，頂部缺陷連接件相對滑移位移有所增加，且隨著缺陷長度的增加，連接件相對滑移位移逐漸增大；當(dāng)頂部缺陷長度設(shè)置為1d，2d時，連接件極限承載力分別為183.4，180.6kN，其破壞形態(tài)均為鋼筋拉斷破壞，仍能滿足承載力要求；當(dāng)頂部缺陷長度設(shè)置為3d時，連接件極限承載力降為165.0kN，發(fā)生鋼筋拔出破壞，相對滑移位移增至10.36mm。綜上所述，影響頂部缺陷連接件滿足承載力要求的缺陷長度臨界值為2d～3d。

圖4 頂部缺陷連接件荷載-相對滑移位移曲線

2.3.3中部缺陷連接件

以代號為1的中部缺陷連接件為例，其荷載-相對滑移位移曲線如圖5所示。由圖3，5和表1可知，相比灌漿飽滿連接件，當(dāng)中部缺陷長度設(shè)置為1d時，連接件極限承載力未發(fā)生明顯變化；而當(dāng)缺陷長度≥2d時，連接件極限承載力有所降低。由圖4，5和表1可知，與頂部缺陷連接件不同，當(dāng)缺陷長度增至3d時，中部缺陷連接件滑移量較小時承載力便開始下降，連接件峰值承載力為161.2kN，與之對應(yīng)的滑移量僅為4.43mm，可見當(dāng)缺陷較大時，中部缺陷連接件承載力與變形能力弱于頂部缺陷連接件，這是因?yàn)槿毕蓍L度相同時，中部缺陷連接件灌漿料被分割成2段，更不利于承受荷載。

圖5 中部缺陷連接件荷載-相對滑移位移曲線

2.3.4分布缺陷連接件

分布缺陷連接件荷載-相對滑移位移曲線如圖6所示。由圖6和表1可知，在總?cè)毕蓍L度均為2d的情況下，連接件彈性階段、屈服階段及達(dá)到極限承載力前的強(qiáng)化階段荷載-相對滑移位移曲線基本保持一致；隨著缺陷數(shù)量的增加，連接件承載能力逐漸降低，相對滑移位移逐漸減小，當(dāng)缺陷數(shù)量≥3個時，連接件全部為鋼筋拔出破壞。綜上所述，當(dāng)設(shè)置多個缺陷時，灌漿料被分割成多個受力段，受力性能大幅降低，導(dǎo)致承載能力發(fā)生質(zhì)變。

圖6 分布缺陷連接件荷載-相對滑移位移曲線

2.3.5錨固長度不足連接件

以代號為1的錨固長度不足連接件為例，其荷載-相對滑移位移曲線如圖7所示。由圖4，7和表1可知，當(dāng)缺陷長度設(shè)置為1d時，錨固長度不足連接件荷載-相對滑移位移曲線與頂部缺陷連接件較相似，表現(xiàn)為鋼筋拉斷破壞；當(dāng)缺陷長度≥2d時，錨固長度不足連接件鋼筋被拔出，相對滑移位移增大。綜上所述，頂部缺陷與錨固長度不足均減小了下部鋼筋頂部錨固長度，但頂部缺陷連接件鋼筋仍與灌漿料之間存在黏結(jié)作用，因此相同缺陷長度下，頂部缺陷連接件承載力略大于錨固長度不足連接件，由此可見錨固長度不足危害大于頂部缺陷。

圖7 錨固長度不足連接件荷載-相對滑移位移曲線

2.3.6鋼筋偏置缺陷連接件

鋼筋偏置缺陷連接件荷載-相對滑移位移曲線如圖8所示。由圖3，8和表1可知，鋼筋偏置缺陷連接件荷載-相對滑移位移曲線同樣具有完整的彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段，且均為鋼筋拉斷破壞；相比灌漿飽滿連接件，鋼筋偏置缺陷連接件極限承載力有所降低，連接件PZ-20-1，PZ-20-2，PZ-20-3極限承載力分別降至176.8，175.7，177.3kN，且相對滑移位移較小，變形性能相對較差。相比其他類型缺陷，鋼筋偏置缺陷對連接件承載能力的影響最小，危害較低。

圖8 鋼筋偏置缺陷連接件荷載-相對滑移位移曲線

2.4 黏結(jié)強(qiáng)度

計算得到連接件黏結(jié)強(qiáng)度如表2所示。由表2可知，高強(qiáng)灌漿料黏結(jié)強(qiáng)度最大可達(dá)26.3MPa，灌漿飽滿連接件黏結(jié)強(qiáng)度約為最大值的69%，因此，當(dāng)灌漿飽滿時，連接件具有一定安全儲備；頂部缺陷、中部缺陷、錨固長度不足連接件黏結(jié)強(qiáng)度隨著缺陷長度的增加而增大，這是由于隨著缺陷長度的增加，灌漿料與鋼筋接觸面積逐漸減小，灌漿料應(yīng)力分布不均勻，在缺陷兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而增大了連接件黏結(jié)強(qiáng)度；當(dāng)頂部缺陷長度為3d時，連接件鋼筋被拔出，黏結(jié)強(qiáng)度為26.3MPa；當(dāng)中部缺陷長度≥2d時，連接件鋼筋被拔出，最大黏結(jié)強(qiáng)度為25.7MPa；對于錨固長度不足連接件，當(dāng)缺陷長度≥2d時，連接件鋼筋被拔出，最大黏結(jié)強(qiáng)度為26.0MPa。

表2 連接件黏結(jié)強(qiáng)度

對于分布缺陷連接件，缺陷數(shù)量由2個逐漸增至6個時，其黏結(jié)強(qiáng)度共降低3.7MPa，可得到黏結(jié)強(qiáng)度τs與缺陷數(shù)量n擬合關(guān)系為：

τs=-0.94n+25.96

(1)

3 結(jié)語

1)不同類型缺陷對半灌漿套筒連接件力學(xué)性能的影響不同。

2)半灌漿套筒連接件破壞形式主要包括螺紋端鋼筋被拉斷、灌漿端鋼筋被拉斷、灌漿端鋼筋被拔出。對于缺陷較小的連接件，下部鋼筋與套筒之間產(chǎn)生了較大的滑移位移，與之對應(yīng)的破壞形態(tài)為鋼筋被拉斷。隨著缺陷長度的增加，中部缺陷連接件由于提前失效，導(dǎo)致相對滑移位移減小，頂部缺陷、錨固長度不足連接件相對滑移位移反而增加，發(fā)生鋼筋拔出破壞。

3)灌漿飽滿連接件承載力滿足要求，其黏結(jié)強(qiáng)度尚未達(dá)到最大值，仍有部分安全儲備；對于頂部缺陷連接件，當(dāng)缺陷長度為3d時，承載力出現(xiàn)明顯下降；對于中部缺陷、錨固長度不足連接件，當(dāng)缺陷長度為2d時，承載力開始下降；對于缺陷總長度為2d的分布缺陷連接件，當(dāng)缺陷數(shù)量≥3個時，連接件破壞時的下降段斜率迅速增加，承載力大幅降低。

4)缺陷危害程度排序?yàn)椋悍植既毕?中部缺陷>錨固長度不足>頂部缺陷>鋼筋偏置，在缺陷長度相同的情況下，分布缺陷和中部缺陷將灌漿料分割成多個受力段，因此危害較大；而其余缺陷類型連接件灌漿料仍為整體，因此危害較小。