鋼筋漿錨對(duì)接技術(shù)可行性試驗(yàn)研究*

郭正興，徐睿妮，朱張峰，張 軍，陳耀鋼

(1.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211189； 2.南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211816； 3.江蘇中南建筑產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江蘇 南通 226124)

0 引言

目前，我國(guó)大力推廣預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有工業(yè)化程度高、節(jié)省材料、污染小、施工便利、建造周期短、投資回收快等優(yōu)點(diǎn)，是新型建筑工業(yè)化發(fā)展的方向[1]。該結(jié)構(gòu)豎向鋼筋連接方式主要有2種：①鋼筋套筒灌漿連接 指在預(yù)制構(gòu)件內(nèi)的預(yù)埋金屬套筒中插入鋼筋，并灌注水泥基灌漿料從而實(shí)現(xiàn)鋼筋對(duì)接[2]；②鋼筋漿錨搭接連接 指向預(yù)制混凝土構(gòu)件中預(yù)留孔道內(nèi)插入需搭接的鋼筋，并灌注水泥基灌漿料，多用于墻板結(jié)構(gòu)中[3]。

預(yù)制構(gòu)件主要受力筋的可靠連接是保證裝配式混凝土結(jié)構(gòu)具有良好抗震性能的關(guān)鍵，也是該結(jié)構(gòu)能否被推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。在有關(guān)鋼筋套筒連接的研究中，秦珩等[4]指出影響連接質(zhì)量的關(guān)鍵因素包括接頭性能和套筒質(zhì)量、鋼筋和套筒的定位精度等。鄭永峰等[5]提出一種新型GDPS灌漿套筒，并驗(yàn)證了該套筒的可行性，推導(dǎo)出鋼筋黏結(jié)承載力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式。Henin等[6]設(shè)計(jì)制作一種新型灌漿套筒，管壁內(nèi)表面布有螺紋，通過單向拉伸試驗(yàn)研究該鋼筋套筒灌漿連接的承載力。王東輝等[7]分別對(duì)日本東京鐵鋼梁式套筒和柱式套筒進(jìn)行承載力試驗(yàn)，探究套筒和鋼筋直徑大小對(duì)該接頭承載力的影響。Sayadi等[8]通過對(duì)GFRP套筒灌漿連接接頭進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，研究鋼筋與灌漿料的機(jī)械咬合作用。

關(guān)于鋼筋漿錨搭接連接的研究中，Kemp等[9]進(jìn)行了有無箍筋對(duì)搭接強(qiáng)度影響的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明黏結(jié)強(qiáng)度隨箍筋個(gè)數(shù)的增加而增大。姜洪斌等[10]提出插入式預(yù)留孔漿錨搭接連接，通過對(duì)連接試件進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，證明其具備可靠的連接性能。尹齊等[11]為研究預(yù)埋波紋管漿錨搭接節(jié)點(diǎn)的性能，對(duì)漿錨試件進(jìn)行連續(xù)加載的抗拔試驗(yàn)，證明該連接性能可靠。劉家彬等[12]提出在波紋管漿錨約束的基礎(chǔ)上增配矩形螺旋箍筋，試驗(yàn)結(jié)果表明試件破壞形態(tài)與現(xiàn)澆試件基本相同，位移延性滿足抗震要求。余瓊等[13]提出一種套筒約束漿錨搭接接頭，并研究該搭接接頭的連接性能，建議該接頭搭接長(zhǎng)度應(yīng)為12.5倍的鋼筋直徑。

為綜合鋼筋套筒灌漿對(duì)接連接性能的優(yōu)勢(shì)和波紋管漿錨搭接施工的便利性，提出一種施工相對(duì)簡(jiǎn)便、成本相對(duì)較低的金屬波紋管留孔鋼筋漿錨對(duì)接連接方法，為驗(yàn)證其可行性，設(shè)計(jì)制作一系列對(duì)拉試件，對(duì)其接頭傳力性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

金屬波紋管留孔鋼筋漿錨對(duì)接試件設(shè)計(jì)如圖1所示。對(duì)接連接鋼筋采用鐓頭形式，可減小鋼筋錨固長(zhǎng)度，節(jié)約材料；采用金屬波紋管留孔，成孔方便，造價(jià)低廉；兩邊鐓頭間留有間隙以便充分灌漿；波紋管外側(cè)設(shè)置幫條鋼筋與螺旋筋點(diǎn)焊成的鋼筋籠，提高接頭性能，便于工廠化制作。

圖1 試件設(shè)計(jì)

考慮錨固長(zhǎng)度和混凝土強(qiáng)度對(duì)試件受力性能的影響，共設(shè)計(jì)6組金屬波紋管留孔鋼筋漿錨對(duì)接試件，每組制作3個(gè)相同規(guī)格試件，試件編號(hào)及對(duì)應(yīng)參數(shù)如表1所示。表中試件按混凝土強(qiáng)度-漿錨長(zhǎng)度-相同規(guī)格試件序號(hào)(a/b/c)進(jìn)行編號(hào)，如C30-20d-a，表示混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，錨固長(zhǎng)度為20倍鋼筋直徑的試件，序號(hào)為a。

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 材料性能

通過材料性能試驗(yàn)測(cè)得高強(qiáng)無收縮水泥灌漿料棱柱體標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強(qiáng)度為91MPa；C30，C40混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值分別為36，48MPa；HRB400級(jí)鋼筋基本力學(xué)指標(biāo)如表2所示。

表2 鋼筋力學(xué)參數(shù)

1.3 加載裝置及加載方案

采用最大載荷為1 000kN的MTS疲勞機(jī)對(duì)試件進(jìn)行對(duì)拉連續(xù)加載，加載裝置如圖2所示。加載速度為0.1kN/s，屈服后加載速度減緩；出現(xiàn)外部鋼筋拔斷或混凝土部分?jǐn)嗔?、荷載快速下降等情況時(shí)，立即停止加載。

圖2 加載裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果

試件的破壞模式主要有帶鐓頭連接鋼筋外部拉斷破壞和試件混凝土部分及幫條鋼筋被拉斷2種，如圖3所示。

圖3 試件破壞模式

1)鐓頭鋼筋拉斷破壞 鋼筋錨固長(zhǎng)度滿足黏結(jié)力要求，幫條鋼筋與混凝土黏結(jié)充分，有效傳力，當(dāng)試件所受荷載持續(xù)增加，鐓頭鋼筋逐漸屈服并發(fā)生頸縮現(xiàn)象，鋼筋拉斷破壞。

2)混凝土部分及幫條鋼筋拉斷破壞 斷裂發(fā)生在中部橫向裂縫處，隨著荷載持續(xù)增加，試件中部橫向裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，裂縫寬度增大。由于鐓頭鋼筋對(duì)拉連接，中部缺乏連接鋼筋，依靠周圍幫條鋼筋傳力，在接近鐓頭鋼筋極限拉力時(shí)，幫條鋼筋一側(cè)與混凝土黏結(jié)失效，進(jìn)而混凝土部分迅速斷裂，混凝土塊崩落。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 荷載-位移曲線

C30-30d-a/b/c 3個(gè)試件加載過程中的荷載-位移曲線如圖4所示，其中橫坐標(biāo)為試驗(yàn)機(jī)兩頭夾具間的相對(duì)位移，縱坐標(biāo)為施加于兩端連接鋼筋上的拉力。

圖4 試件荷載-位移曲線

由圖4可知，試件為外部鋼筋斷裂破壞時(shí)，C30-30d-b曲線形狀與單根鋼筋拉伸的荷載-位移曲線類似，可分為4個(gè)階段。第1階段為初始上升階段，試件剛度較大，荷載和位移基本呈線性關(guān)系，鋼筋與灌漿料間相互擠壓，四周幫條有效傳力，試件中部開始出現(xiàn)橫向裂縫；第2階段為鋼筋屈服階段；第3階段為鋼筋強(qiáng)化階段，該階段鋼筋與灌漿料間充分?jǐn)D壓；第4階段為鋼筋頸縮破壞階段。當(dāng)試件為連接件混凝土部分拉斷破壞時(shí)，C30-30d-a曲線的第1個(gè)上升段和屈服段與外部鋼筋斷裂破壞時(shí)的曲線類似，進(jìn)入強(qiáng)化階段后，由于幫條鋼筋錨固長(zhǎng)度不足，黏結(jié)長(zhǎng)度不足，接近鐓頭鋼筋極限荷載前，幫條鋼筋與混凝土黏結(jié)界面失效，混凝土和灌漿料在中部對(duì)接處斷裂，幫條鋼筋被拉出，荷載迅速下降。

3.2 破壞模式和極限荷載分析

統(tǒng)計(jì)不同規(guī)格試件的破壞模式、對(duì)應(yīng)極限荷載及連接鋼筋平均黏結(jié)應(yīng)力等，如表3所示。表中平均黏結(jié)應(yīng)力計(jì)算公式[14]為：

表3 試件破壞模式與極限荷載統(tǒng)計(jì)

(1)

式中：τ為鋼筋混凝土平均黏結(jié)應(yīng)力；F為拉拔極限荷載；d為鋼筋直徑；l為有效黏結(jié)長(zhǎng)度。

由表3可知，在同等混凝土強(qiáng)度等級(jí)下，隨著漿錨長(zhǎng)度的增加，試件破壞模式逐漸從混凝土中部拉斷轉(zhuǎn)變?yōu)橥獠夸摻钅覆睦瓟?，鋼筋平均黏結(jié)應(yīng)力減小，在C40試件中該特征表現(xiàn)明顯，原因是漿錨長(zhǎng)度增加，對(duì)接鋼筋的錨固能力增強(qiáng)，同時(shí)幫條鋼筋與混凝土的黏結(jié)長(zhǎng)度增加，在試件中部的傳力效果表現(xiàn)更佳，最終實(shí)現(xiàn)試件斷于對(duì)接鋼筋母材。當(dāng)試件破壞形式為鋼筋外部拉斷破壞時(shí)，試件承載力近似相等，均為單根鋼筋抗拉承載力，幫條鋼筋充分發(fā)揮黏結(jié)作用，在兩端鋼筋間起橋接功能；當(dāng)試件為混凝土部分拉斷破壞時(shí)，試件承載力由幫條鋼筋與混凝土間的黏結(jié)力及幫條鋼筋抗拉承載力中的交小值決定，隨著中部混凝土及灌漿料的斷裂，幫條鋼筋從試件半邊滑移脫出或發(fā)生斷裂破壞。

同等漿錨長(zhǎng)度條件下，采用更高強(qiáng)度等級(jí)混凝土能改善對(duì)接試件受力性能，如C30-20d-c為混凝土中部拉斷破壞，采用相等漿錨長(zhǎng)度的C40試件則實(shí)現(xiàn)了試件斷于鋼筋母材的要求。由于試驗(yàn)的離散性和制作過程中的誤差，個(gè)別試件如C30-30d-a表現(xiàn)為有悖于試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律的破壞形態(tài)，此處不予考慮。

4 結(jié)語

針對(duì)新型金屬波紋管留孔鋼筋漿錨對(duì)接連接方式開展對(duì)拉試驗(yàn)，得到以下結(jié)論。

1)該新型漿錨對(duì)接連接方式具有良好的受力性能，試件可實(shí)現(xiàn)斷于母材的要求，可為采用此連接方式的裝配式混凝土剪力墻連接性能試驗(yàn)提供基礎(chǔ)。

2)對(duì)于φ12對(duì)接鐓頭鋼筋，在混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30、鋼筋漿錨長(zhǎng)度≥25d，或混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40、鋼筋漿錨長(zhǎng)度≥20d的條件下，可達(dá)到試件斷于外部母材的目標(biāo)。

3)應(yīng)用于更大直徑的鋼筋對(duì)接時(shí)，可采取放大鋼筋漿錨長(zhǎng)度或提高混凝土強(qiáng)度的方法，也可考慮適當(dāng)增加幫條鋼筋數(shù)量或增大幫條鋼筋截面積。