反復(fù)拉伸荷載對(duì)裝配式建筑鋼筋灌漿套筒連接性能的影響

洪明，蔡軍，凌宏杰，劉金濤

（1.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，浙江 杭州 310023）

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施的飛速發(fā)展，粗放型建筑模式已不滿足環(huán)境保護(hù)的要求，裝配式建筑近年來以其優(yōu)越的環(huán)保特性逐漸應(yīng)用于我國城市建設(shè)[1]。裝配式結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)的連接、耐久性能將直接影響構(gòu)件連接的可靠性和結(jié)構(gòu)的安全性[2-4]。實(shí)際工程中往往由于缺乏施工人員培訓(xùn)和監(jiān)督等導(dǎo)致套筒灌漿缺陷普遍存在，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的長期安全性[5-6]。因此，分析各種灌漿缺陷對(duì)套筒連接試件的破壞形態(tài)、承載力和變形性能等影響具有重要意義[7-8]。

鄭清林等[9]對(duì)不同類型的灌漿套筒進(jìn)行了單向拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明，灌漿套筒發(fā)生了刮犁式拔出和拉斷破壞，破壞形態(tài)主要取決于鋼筋、灌漿料之間的粘結(jié)力與鋼筋極限拉應(yīng)力的相對(duì)大小，且中部缺陷比端部缺陷對(duì)承載力影響更大。吳小寶等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，灌漿套筒在單向重復(fù)拉伸試驗(yàn)下，非彈性變形隨著單向重復(fù)拉伸次數(shù)的增加而顯著增大，且非彈性變形在首周內(nèi)隨齡期延長而減小，7 d時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。匡志平等[11]的研究表明，高應(yīng)力反復(fù)拉壓下灌漿套筒未造成承載力的明顯退化，且灌漿料含量越高，與鋼筋的粘結(jié)、變形性能越好。許成順[12]對(duì)2種不同直徑的套筒灌漿接頭進(jìn)行了高應(yīng)力反復(fù)拉壓試驗(yàn)，通過屈服比、強(qiáng)度比、延性比和承載力能力利用比等參數(shù)評(píng)價(jià)了不同型號(hào)鋼筋套筒灌漿接頭的連接性能。已有研究大多針對(duì)單向拉伸試驗(yàn)或某一類缺陷開展研究，而高應(yīng)力反復(fù)拉伸和綜合對(duì)比各類缺陷對(duì)鋼筋灌漿套筒連接性能影響的試驗(yàn)相對(duì)較少。

本研究在套筒內(nèi)部設(shè)置端部（DB）缺陷、中部（ZB）缺陷、均布（NB）缺陷、水平（SP）缺陷、偏心錨固（PM）缺陷，基于JGJ 107—2016《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》和JGJ 355—2015《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，研究了灌漿套筒在高應(yīng)力反復(fù)拉伸下缺陷對(duì)試件破壞形態(tài)、滑移量、承載力等性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：浙江方遠(yuǎn)新材料股份有限公司P·Ⅱ52.5水泥，3、28 d抗壓強(qiáng)度分別為39.2、64.8 MPa；硅灰：挪威?？瞎井a(chǎn)ELKEN 920U硅灰，SiO2含量為95.4%；粉煤灰：Ⅱ級(jí)；細(xì)集料：粒徑為0.075~2.36 mm的河砂，細(xì)度模數(shù)1.5；減水劑：巴斯夫公司生產(chǎn)的Melflux 2651F型聚羧酸減水劑；膨脹劑：阜陽城南建材公司產(chǎn)塑性鋁礬膨脹劑；全灌漿套筒：上海利物寶建筑科技有限公司提供，抗拉強(qiáng)度σb為622 MPa，斷后伸長率δs為13%，球化率85%；鋼筋：HRB400級(jí)，直徑20 mm，斷后伸長率28.8%。

試驗(yàn)用超高強(qiáng)鋼筋套筒灌漿料配比見表1，其性能符合JG/T 408—2013《鋼筋連接用套筒灌漿料》的要求，具體性能及JG/T 408—2013要求見表2。

表1 灌漿料的配合比 g

表2 鋼筋套筒灌漿料的性能

1.2 鋼筋套筒灌漿缺陷設(shè)計(jì)及其制備

高應(yīng)力反復(fù)拉伸試驗(yàn)之前，已得出端部缺陷、中部缺陷、均布缺陷、水平缺陷、偏心錨固缺陷在單向拉伸拉伸試驗(yàn)下的臨界拔出缺陷尺寸，高應(yīng)力反復(fù)拉伸試驗(yàn)就是在此基礎(chǔ)上選擇缺陷尺寸大小。具有不同缺陷類型的試件編號(hào)如表3所示，灌漿缺陷的設(shè)計(jì)如圖1所示。

表3 各類缺陷編號(hào)

反復(fù)拉伸試件制作主要包括缺陷設(shè)置、連接鋼筋定位、灌漿料攪拌、灌漿等工序。灌漿料攪拌后需對(duì)其流動(dòng)度進(jìn)行測試，符合JG/T 408—2013要求后方可灌漿。工程灌漿產(chǎn)生的缺陷采用一定厚度的橡膠代替。灌漿完成的試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室[（20±1）℃，相對(duì)濕度≥95%]養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行反復(fù)拉伸試驗(yàn)。

1.3 灌漿套筒反復(fù)拉伸試驗(yàn)方法

根據(jù)JGJ 107—2016進(jìn)行反復(fù)拉伸試驗(yàn)。重點(diǎn)監(jiān)測荷載大小、套筒表面應(yīng)變及鋼筋與套筒間的相對(duì)滑移，來表述不同缺陷在反復(fù)拉伸條件下對(duì)灌漿套筒拉伸性能的影響，拉伸試驗(yàn)裝置為電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，加載方法如下，其中fyk表示鋼筋的屈服強(qiáng)度：

制度1：0→0.9fyk→0.02fyk→0.9fyk→0.02fyk（重復(fù)20次后測量殘余變形）→最大拉力→破壞；

制度2：0→0.9fyk→0.02fyk→0.9fyk→0.02fyk（重復(fù)40次后測量殘余變形）→最大拉力→破壞；

制度3：0→0.9fyk→0.02fyk→0.9fyk→0.02fyk（重復(fù)60次后測量殘余變形）→最大拉力→破壞。

反復(fù)拉伸采用位移控制，試件屈服前試驗(yàn)機(jī)拉伸速度為5 mm/min，屈服后拉伸速度改為15 mm/min。由鋼筋兩側(cè)對(duì)稱布置的位移計(jì)測量鋼筋與套筒間的相對(duì)滑移，如圖2所示。平行試件數(shù)據(jù)小于均值的15%為有效數(shù)據(jù)。

試件的殘余變形L按式（1）計(jì)算：

式中：L1——出漿側(cè)鋼筋與灌漿料間的滑移量，mm；

L2——灌漿側(cè)鋼筋與灌漿料間的滑移量，mm；

L3——套筒變形量，為套筒豎向應(yīng)變?chǔ)臿與套筒長度的乘積，mm。

試件的極限粘結(jié)強(qiáng)度（τu）、平均粘結(jié)強(qiáng)度（τp）和極限強(qiáng)度（σ）分別按式（2）、式（3）、式（4）計(jì)算：

式中：Pu——峰值荷載，由萬能試驗(yàn)機(jī)測得，kN；

La——拔出段鋼筋埋長，mm；

db——鋼筋直徑，mm；

Lb——缺陷側(cè)鋼筋埋長，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌漿飽滿試件

對(duì)灌漿飽滿試件BM進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，測試套筒豎向應(yīng)變（εa）、試件殘余變形（L）以及鋼筋與灌漿料之間的滑移（Δ），結(jié)果如圖3所示。

由圖3（a）可知，BM-1、BM-2、BM-3的殘余豎向微應(yīng)變分別為20 με、46 με、23 με，殘余變形分別為0.074、0.078、0.080 mm。由圖3（b）可知，加載初期BM試件荷載P與滑移Δ基本呈線彈性關(guān)系，加載到151.5 kN時(shí)，鋼筋出現(xiàn)屈服平臺(tái)，滑移增大荷載基本保持不變，鋼筋屈服后進(jìn)入強(qiáng)化階段，BM試件內(nèi)部灌漿料與鋼筋粘結(jié)性能良好，試件峰值荷載到211.7 kN時(shí)，出漿側(cè)鋼筋出現(xiàn)拉斷破壞現(xiàn)象。BM試件出漿側(cè)與灌漿側(cè)鋼筋滑移量分別為11.3、11.9 mm。試件的荷載-位移曲線有明顯的彈性、屈服、強(qiáng)化和拉斷破壞階段，與鋼筋受拉時(shí)的曲線相似，符合JGJ 355—2015的要求。

2.2 灌漿端部缺陷試件

對(duì)端部缺陷試件進(jìn)行反復(fù)拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，F(xiàn)F20-DB-6、FF40-DB-6、FF60-DB-6試件的殘余變形量分別為0.310、0.372、0.481 mm。加載至控制荷載后卸載，鋼筋還處于彈性階段，無塑性變形，但灌漿料與鋼筋出現(xiàn)相對(duì)滑移，導(dǎo)致出現(xiàn)殘余變形、應(yīng)變，且卸載曲線斜率大于首次加載斜率[10，13]。灌漿料與鋼筋的粘結(jié)隨著反復(fù)拉伸次數(shù)增加逐漸削弱，相對(duì)滑移增大也導(dǎo)致殘余變形增大。

DB試件在20、40、60次高應(yīng)力反復(fù)拉伸荷載作用下，豎向、橫向應(yīng)變與荷載呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律。隨著高應(yīng)力反復(fù)拉伸次數(shù)增加，試件的豎向、橫向應(yīng)變隨之增大。豎向殘余應(yīng)變分別為42 με、48 με、75 με，橫向殘余應(yīng)變分別為24 με、5 με、-7 με。橫向殘余應(yīng)變隨著高應(yīng)力反復(fù)拉伸次數(shù)增加成負(fù)相關(guān)，橫向殘余應(yīng)變產(chǎn)生負(fù)應(yīng)變，這可能是由于灌漿料與鋼筋表面凹凸不平的肋相互嵌入，使得灌漿料與鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度大大增大，套筒拉伸導(dǎo)致灌漿料受剪的同時(shí)產(chǎn)生橫向膨脹[8]，而本身套筒受拉，其“泊松效應(yīng)”產(chǎn)生環(huán)向收縮，兩者相互抵消。隨著高應(yīng)力反復(fù)拉伸次數(shù)增加，套筒受力循環(huán)卻沒超過設(shè)定值，環(huán)向收縮有限，但灌漿料受剪產(chǎn)生的橫向應(yīng)變累計(jì)增大。

拉伸荷載-滑移曲線初期，3組試件荷載P與滑移Δ基本呈線彈性關(guān)系；隨著荷載P繼續(xù)增大，鋼筋屈服后進(jìn)入強(qiáng)化階段，DB試件內(nèi)部灌漿料與鋼筋粘結(jié)性能良好，鋼筋拉斷破壞。從結(jié)果看，高應(yīng)力反復(fù)拉伸次數(shù)增大對(duì)DB缺陷試件的破壞形態(tài)影響較小。從滑移量看，隨著高應(yīng)力反復(fù)拉伸次數(shù)從20次增加到60次，滑移量從11.58 mm增大至14.08 mm。

2.3 灌漿中部缺陷試件

對(duì)中部缺陷試件進(jìn)行反復(fù)拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，F(xiàn)F20-ZB-4、FF40-ZB-4、FF60-ZB-4試件的殘余變形量分別為0.320、0.389、0.500 mm。加載至控制荷載后卸載，規(guī)律與DB缺陷相同，但相比于DB缺陷，ZB缺陷在高應(yīng)力反復(fù)拉伸條件下對(duì)灌漿套筒試件的變形恢復(fù)更加不利。ZB試件在20、40、60次高應(yīng)力反復(fù)拉伸荷載作用下，豎向殘余應(yīng)變分別為63 με、59 με、72 με，橫向殘余應(yīng)變分別為20 με、-50 με、7 με。橫向殘余應(yīng)變產(chǎn)生負(fù)應(yīng)變是灌漿料與鋼筋表面凹凸不平的肋相互嵌入，使得灌漿料與鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度明顯增大，套筒拉伸導(dǎo)致灌漿料受剪的同時(shí)產(chǎn)生橫向膨脹[8]。

拉伸荷載-滑移曲線初期，ZB與DB相似，荷載P與滑移Δ基本呈線彈性關(guān)系，荷載繼續(xù)增大，進(jìn)入強(qiáng)化階段，最后鋼筋拉斷破壞；從結(jié)果看，高應(yīng)力反復(fù)拉伸次數(shù)增大對(duì)ZB缺陷試件的破壞形態(tài)影響較小。從滑移量看，隨著高應(yīng)力反復(fù)拉伸次數(shù)從20次增加到60次，滑移量增大9%，相比于DB缺陷，ZB缺陷對(duì)滑移量的約束較小。

2.4 灌漿均布缺陷試件

對(duì)均布缺陷試件進(jìn)行反復(fù)拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，F(xiàn)F20-NB-4、FF40-NB-4、FF60-NB-4試件的殘余變形量分別為0.334、0.398、0.509 mm。加載至控制荷載后卸載，灌漿料與鋼筋的出現(xiàn)相對(duì)滑移，導(dǎo)致出現(xiàn)殘余變形、應(yīng)變，規(guī)律與DB、ZB缺陷類似。相比于DB缺陷、ZB缺陷，NB缺陷對(duì)灌漿套筒試件的變形恢復(fù)更加不利。NB缺陷試件在20、40、60次高應(yīng)力反復(fù)拉伸荷載作用下，豎向、橫向應(yīng)變隨之增大，且出現(xiàn)了不可恢復(fù)的殘余應(yīng)變。豎向殘余應(yīng)變分別為43 με、54 με、47 με，橫向殘余應(yīng)變分別為0、1 με、-13 με。豎向殘余應(yīng)變隨著拉伸次數(shù)增加，殘余應(yīng)變開始累計(jì)，逐漸增大。前期荷載P與滑移Δ基本呈線彈性關(guān)系，荷載繼續(xù)增大，進(jìn)入強(qiáng)化階段、鋼筋拉斷破壞；從破壞形態(tài)看，高應(yīng)力反復(fù)拉伸次數(shù)增大對(duì)NB試件影響較小。

2.5 灌漿水平缺陷試件

對(duì)水平缺陷試件進(jìn)行反復(fù)拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，F(xiàn)F20-SP-4、FF40-SP-4、FF60-SP-4試件的殘余變形量分別為0.306、0.365、0.473 mm。加載至控制荷載后卸載，鋼筋還處于彈性階段，無塑性變形，但灌漿料與鋼筋出現(xiàn)相對(duì)滑移，灌漿料與鋼筋的粘結(jié)削弱，導(dǎo)致出現(xiàn)殘余變形、應(yīng)變，且反復(fù)拉伸次數(shù)越多，殘余變形累計(jì)越多。相比于DB、ZB、NB缺陷，SP缺陷對(duì)灌漿套筒試件的變形恢復(fù)影響較小。SP缺陷試件在20、40、60次高應(yīng)力反復(fù)拉伸荷載作用下，豎向、橫向應(yīng)變隨之增大，且出現(xiàn)了不可恢復(fù)的殘余應(yīng)變。豎向殘余應(yīng)變分別為57 με、73 με、80 με，橫向殘余應(yīng)變分別為10 με、2 με、-3 με。拉伸荷載-滑移曲線初期，SP與其他缺陷相似，荷載P與滑移Δ基本呈線彈性關(guān)系，隨著荷載P繼續(xù)增大，鋼筋屈服后進(jìn)入強(qiáng)化階段，SP缺陷尺寸較小，試件內(nèi)部灌漿料與鋼筋粘結(jié)性能良好，鋼筋拉斷破壞；從破壞形態(tài)看，高應(yīng)力反復(fù)拉伸次數(shù)增大對(duì)SP缺陷試件影響較小。從滑移量看，隨著高應(yīng)力反復(fù)拉伸次數(shù)從20次增加到60次，滑移量從13.47 mm增至14.29 mm，相比于NB、ZB缺陷，SP缺陷對(duì)鋼筋、灌漿料的滑移量的約束較大。

2.6 灌漿偏心錨固缺陷試件

對(duì)偏心錨固缺陷試件進(jìn)行反復(fù)拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，F(xiàn)F20-PM-14、FF40-PM-14、FF60-PM-14試件的殘余變形量分別為0.345、0.408、0.528 mm。殘余變形量變化規(guī)律與其他缺陷一致。相比于其他缺陷，PM缺陷對(duì)灌漿套筒試件的變形恢復(fù)最為不利。PM缺陷試件在20、40、60次高應(yīng)力反復(fù)拉伸荷載作用下，豎向殘余應(yīng)變分別為30 με、79 με、16 με，橫向殘余應(yīng)變分別為14 με、25 με、2 με。豎向殘余應(yīng)變隨著拉伸次數(shù)變多，殘余應(yīng)變開始累計(jì)，逐漸增大。橫向殘余應(yīng)變減小，與其他缺陷規(guī)律相同。

從拉伸荷載-滑移曲線來看，前期荷載P與滑移Δ基本呈線彈性關(guān)系，荷載繼續(xù)增大，鋼筋屈服后進(jìn)入強(qiáng)化階段，最后鋼筋拉斷破壞；從破壞形態(tài)看，高應(yīng)力反復(fù)拉伸次數(shù)增大對(duì)PM缺陷試件影響較小。從滑移量看，隨著高應(yīng)力反復(fù)拉伸次數(shù)從20次增加到60次，滑移量從14.84 mm增至16.96 mm，相比于其他缺陷，PM缺陷對(duì)鋼筋、灌漿料的滑移量約束最小。

對(duì)比5種缺陷的滑移量、殘余變形和殘余應(yīng)變可以看出，同樣高應(yīng)力反復(fù)拉伸循環(huán)次數(shù)下，不同缺陷對(duì)試件滑移量、殘余變形和殘余應(yīng)變影響程度排序?yàn)椋浩腻^固缺陷＞均布缺陷＞中部缺陷＞水平缺陷＞端部缺陷。

2.7 承載力和粘結(jié)強(qiáng)度分析

按式（2）、式（3）、式（4）計(jì)算得到的極限粘結(jié)強(qiáng)度等參數(shù)如表4所示。

由表4可以看出，高應(yīng)力反復(fù)拉伸循環(huán)次數(shù)的增加對(duì)極限粘結(jié)強(qiáng)度τu、平均粘結(jié)強(qiáng)度τp、極限強(qiáng)度σ、破壞形態(tài)的影響相對(duì)較小，但不同缺陷下的極限粘結(jié)強(qiáng)度τu、平均粘結(jié)強(qiáng)度τp、極限強(qiáng)度σ、破壞形態(tài)差別較大，主要是因?yàn)殇摻畋砻娴膬衫吲c灌漿料之間會(huì)產(chǎn)生機(jī)械咬合力、粘結(jié)力、摩阻力等力的作用，不僅改變了灌漿料與鋼筋之間的作用方式，而且提高了灌漿料與鋼筋之間的粘結(jié)強(qiáng)度[14-15]，而缺陷會(huì)較大地影響灌漿料與鋼筋之間的粘結(jié)作用。試件破壞形態(tài)主要取決于鋼筋極限拉伸強(qiáng)度和灌漿料對(duì)鋼筋的約束強(qiáng)度的相對(duì)大小[16-17]，高應(yīng)力反復(fù)拉伸條件下，幾種缺陷試件的鋼筋與灌漿料粘結(jié)強(qiáng)度均大于鋼筋的極限抗拉應(yīng)力，鋼筋拉斷破壞。水平缺陷對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度削弱最為嚴(yán)重，主要原因是鋼筋與灌漿料粘結(jié)不足，且水平缺陷弦高導(dǎo)致缺陷側(cè)灌漿料粘結(jié)保護(hù)層厚度較薄，對(duì)鋼筋的粘結(jié)作用顯著降低。

表4 試件的強(qiáng)度參數(shù)

3 結(jié)論

（1）5種缺陷鋼筋套筒試件在高應(yīng)力反復(fù)拉伸下都發(fā)生了鋼筋拉斷的形態(tài)破壞；破壞形態(tài)取決于鋼筋極限抗拉強(qiáng)度和灌漿料對(duì)鋼筋約束強(qiáng)度的相對(duì)大小。

（2）高應(yīng)力反復(fù)拉伸循環(huán)次數(shù)的增加對(duì)極限粘結(jié)強(qiáng)度τu、平均粘結(jié)強(qiáng)度τp、極限強(qiáng)度σ、破壞形態(tài)影響較小，但試件的滑移量隨著循環(huán)次數(shù)增加而顯著增大，增長幅度也有所上升。

（3）同樣高應(yīng)力反復(fù)拉伸循環(huán)次數(shù)下，不同缺陷對(duì)試件滑移量、殘余變形和殘余應(yīng)變影響程度排序?yàn)椋浩腻^固缺陷＞均布缺陷＞中部缺陷＞水平缺陷＞端部缺陷。