新型鋼筋灌膠套筒搭接接頭力學(xué)性能研究

尚麗詩(shī),戴紹斌,楊 航

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070)

1 概述

近年來(lái)，我國(guó)建筑市場(chǎng)體量巨大，建筑工業(yè)化發(fā)展迅猛，預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)憑借其施工速度快、機(jī)械化程度高、節(jié)約勞動(dòng)成本、減輕城市污染問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越多地運(yùn)用到建筑工程中，成為推動(dòng)我國(guó)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)。

在預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案中，結(jié)構(gòu)柱作為承擔(dān)豎向荷載和水平荷載的重要構(gòu)件，其力學(xué)性能保障尤為重要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)預(yù)制裝配式框架柱的鋼筋連接方式進(jìn)行了較多理論分析和試驗(yàn)研究[1-8]，在裝配式施工中運(yùn)用較為普遍的是灌漿套筒連接方式，該技術(shù)雖已較為成熟，但因?yàn)樘淄渤杀据^高，限制了其在工程上的大規(guī)模推廣[9]。除此之外，還存在灌漿料無(wú)法在高溫天氣(>30 ℃)和低溫天氣(<0 ℃)施工、灌漿料質(zhì)量不符合標(biāo)準(zhǔn)、施工精度等問(wèn)題。

為降低裝配式建筑中鋼筋連接成本，本文在總結(jié)已有研究的基礎(chǔ)上，提出了一種受力性能可靠、受溫度影響較小、施工方便的鋼筋灌膠搭接連接方式。該方式采用結(jié)構(gòu)膠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的灌漿料，不僅有很好的流動(dòng)性，初凝時(shí)間也更短，在高溫天氣和低溫天氣都能正常施工，質(zhì)量有保障。另外，采用Q235矩形鋼管和圓形鋼管兩種套筒代替特制金屬套管，不僅成本低，加工起來(lái)也可按需任意截?cái)?，非常?jiǎn)單。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試件設(shè)計(jì)

本文使用Q235級(jí)外尺寸為25 mm×50 mm矩形套筒和外徑為45 mm的圓形套筒(兩種套筒壁厚均為2 mm)、公稱直徑為16 mm的HRB400級(jí)鋼筋和環(huán)氧型灌注結(jié)構(gòu)膠設(shè)計(jì)了兩種新的灌膠套筒，以鋼筋搭接長(zhǎng)度、套筒形狀、灌注結(jié)構(gòu)膠的種類為變化參數(shù)，制作了3組15個(gè)鋼筋灌膠搭接接頭試件。試件設(shè)計(jì)幾何尺寸如圖1所示，具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 試件參數(shù)

2.2 試件材料性能

2.2.1 鋼筋材料性能

試件鋼筋為HRB400級(jí)螺紋鋼，直徑均為16 mm，隨機(jī)取三根鋼筋通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)得到其材料力學(xué)性能，如表2所示。

表2 連接鋼筋材料性能

2.2.2 灌膠料材料性能

鋼筋連接使用的結(jié)構(gòu)膠為改性環(huán)氧樹脂膠黏劑-環(huán)氧型灌注結(jié)構(gòu)膠，其抗拉強(qiáng)度為32 MPa,抗彎強(qiáng)度為77 MPa，伸長(zhǎng)率為1.4%，鋼-鋼拉伸抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為17 MPa，鋼-鋼黏結(jié)抗拉強(qiáng)度為17 MPa，符合GB 50728—2011中(表4.2.2-3)以混凝土為基材，錨固用結(jié)構(gòu)膠基本性能鑒定中Ⅰ類膠A級(jí)的技術(shù)要求。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的3組15根試件，其中第1組和第3組10根試件的灌膠料為結(jié)構(gòu)膠，第2組5根試件的灌膠料為結(jié)構(gòu)膠中摻入10%的 40目～80目的石英砂[10]。

2.3 測(cè)量?jī)?nèi)容與方法

試件在常溫下養(yǎng)護(hù)7 d后[11]，采用武漢理工大學(xué)檢測(cè)站實(shí)驗(yàn)室WAW-1 000 kN電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，當(dāng)鋼筋拉斷或拔出時(shí)終止實(shí)驗(yàn)，并由電腦自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖2所示。與此同時(shí)，為研究套筒在加載過(guò)程中的應(yīng)變變化規(guī)律，在套筒上貼有環(huán)向和縱向應(yīng)變片各3個(gè)，運(yùn)用1/4橋的方式用TST3822EW靜態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)應(yīng)變儀采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，如圖3所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)試驗(yàn)加載至破壞后，試件屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率及其破壞形態(tài)如表3所示。對(duì)比表2，表3可知，灌膠套筒試件的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度接近鋼筋材料性能試驗(yàn)所測(cè)結(jié)果。依據(jù)JGJ 107—2016鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程中對(duì)接頭極限抗拉強(qiáng)度的規(guī)定(表3.0.5)，除f-10d-s,y-10d-j兩根接頭試件滿足Ⅲ級(jí)接頭標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)外，其余13根試件均滿足Ⅰ級(jí)接頭標(biāo)準(zhǔn)[12]。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試件整體來(lái)說(shuō)分為兩種破壞形態(tài)：1)試件鋼筋在灌膠套筒外部發(fā)生斷裂破壞;2)試件鋼筋直接從灌膠套筒中拔出。其中13根試件為鋼筋斷裂破壞，2根試件為鋼筋拔出破壞，幾乎所有的試件均為斷裂破壞，說(shuō)明此種接頭具有較好的連接性能。

實(shí)驗(yàn)中f-10d-s，y-10d-j兩根接頭試件的鋼筋被拔出，說(shuō)明灌注結(jié)構(gòu)膠與鋼筋之間的黏結(jié)力、機(jī)械咬合力和摩擦力的合力，即該接頭的極限承載力弱于鋼筋本身的承載力。鋼筋拔出破壞的兩根試件搭接長(zhǎng)度相同，均為160 mm，分析其破壞的原因主要為錨固長(zhǎng)度較短，連接鋼筋與灌膠料之間的機(jī)械咬合力較弱，導(dǎo)致鋼筋與結(jié)構(gòu)膠之間的黏結(jié)力較小；連接鋼筋在拉伸的過(guò)程中，橫截面積不斷縮小，這也會(huì)使鋼筋和灌膠料之間的握裹作用變小，導(dǎo)致鋼筋拔出。此外，這兩根試件均為強(qiáng)化階段拔出，說(shuō)明試件的錨固長(zhǎng)度已達(dá)到臨界錨固長(zhǎng)度，此種連接方式要保證受力可靠，鋼筋錨固長(zhǎng)度不小于11d即可。

3.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)影響分析

影響灌膠接頭試件力學(xué)性能的參數(shù)包括套筒的形狀、灌膠料的種類、鋼筋錨固長(zhǎng)度，分別對(duì)不同影響因素下試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、套筒應(yīng)變規(guī)律和破壞形態(tài)等進(jìn)行分析。

3.2.1 套筒形狀的影響

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了10根矩形套筒試件和5根圓形套筒試件，兩種形狀的套筒均有1根為鋼筋拔出導(dǎo)致的試件破壞。觀察圖4中11d和14d兩種錨固長(zhǎng)度試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)其曲線走勢(shì)與鋼筋拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線相同，分為彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段、頸縮階段這四個(gè)階段，且在其他條件相同的情況下，圓形套筒試件的極限應(yīng)變與矩形套筒試件相比略大，而兩種形狀套筒試件的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度接近，無(wú)明顯區(qū)別。

綜上，兩種形狀套筒對(duì)應(yīng)的試件屈服應(yīng)力和極限應(yīng)力無(wú)明顯差別，接近鋼筋本身的屈服應(yīng)力和極限應(yīng)力，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明此種連接方式是可靠的。對(duì)比實(shí)驗(yàn)選取的尺寸為25 mm×50 mm矩形套筒和直徑為45 mm的圓形套筒，矩形套筒面積減去鋼筋面積后的有效灌膠面積為765 mm2,圓形套筒有效灌膠面積為1 119 mm2，相比之下矩形套筒灌膠量?jī)H為圓形套筒的68%。因此，在進(jìn)行連接件套筒設(shè)計(jì)時(shí)，建議選用壁厚2 mm的矩形鋼管。

3.2.2 鋼筋錨固長(zhǎng)度的影響

在實(shí)驗(yàn)選取的5種錨固長(zhǎng)度試件中，錨固長(zhǎng)度為10d的3根試件中有2根發(fā)生鋼筋拔出破壞，且其極限強(qiáng)度均比鋼筋極限強(qiáng)度低約5%。觀察圖5，圖6可知，鋼筋拔出破壞的試件，其破壞過(guò)程與鋼筋拉伸試驗(yàn)破壞過(guò)程不同，分為彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段、拔出階段這四個(gè)階段，試件應(yīng)力在鋼筋拔出的一瞬間發(fā)生陡降，在拔出過(guò)程中應(yīng)力大致呈線性下降，最終殘余應(yīng)力約為極限應(yīng)力的50%，試件表現(xiàn)出較好的殘余承載力；錨固長(zhǎng)度為11d,12d,13d和14d的試件均發(fā)生鋼筋斷裂破壞，且極限強(qiáng)度接近鋼筋極限強(qiáng)度。

綜上，鋼筋臨界錨固長(zhǎng)度為10d，為保證連接件受力可靠，應(yīng)保證鋼筋錨固長(zhǎng)度不小于11d。

3.2.3 灌膠料種類的影響

觀察圖4可知，對(duì)于搭接長(zhǎng)度為11d時(shí)的矩形套筒試件，只用結(jié)構(gòu)膠作為灌膠料時(shí)試件的屈服強(qiáng)度為435 MPa，極限強(qiáng)度為605 MPa，在結(jié)構(gòu)膠中摻石英砂時(shí)試件的屈服強(qiáng)度為435 MPa，極限強(qiáng)度為595 MPa；對(duì)于搭接長(zhǎng)度為14d時(shí)的矩形套筒試件，只用結(jié)構(gòu)膠作為灌膠料時(shí)試件的屈服強(qiáng)度為430 MPa，極限強(qiáng)度615 MPa，在結(jié)構(gòu)膠中摻石英砂時(shí)試件的屈服強(qiáng)度為425 MPa，極限強(qiáng)度為600 MPa。所以，相比只用結(jié)構(gòu)膠作為灌膠料，摻入一定比例的石英砂并未提高試件的承載能力，反而使承載力略微下降。分析可能是石英砂顆粒過(guò)大使得鋼筋與結(jié)構(gòu)膠之前有微小的孔隙，降低試件整體承載力；或因未對(duì)石英砂顆粒表面進(jìn)行處理，缺乏與環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠的浸潤(rùn)性，降低了固化物的強(qiáng)度。

3.2.4 套筒應(yīng)變規(guī)律

選取f-13d-j,y-11d-j兩根試件，作出其鋼筋應(yīng)力-套筒應(yīng)變曲線如圖7，圖8所示，其中應(yīng)變?yōu)檎龝r(shí)表示拉應(yīng)變，應(yīng)變?yōu)樨?fù)時(shí)表示壓應(yīng)變。錨固長(zhǎng)度為13d的矩形套筒最大應(yīng)變?yōu)?.064×10-3，遠(yuǎn)小于該套筒對(duì)應(yīng)試件的極限應(yīng)變155.4×10-3；錨固長(zhǎng)度為11d的圓形套筒最大應(yīng)變?yōu)?.488×10-3，遠(yuǎn)小于該套筒對(duì)應(yīng)試件的極限應(yīng)變136.4×10-3，說(shuō)明Q235鋼材兩種形狀的鋼管作為連接鋼筋的套筒在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變較小，滿足強(qiáng)度要求。

由圖7，圖8可知，在試件彈性階段，除測(cè)點(diǎn)4快速由壓應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)變外，套筒軸向應(yīng)變整體為拉應(yīng)變，環(huán)向應(yīng)變整體為壓應(yīng)變，且隨著應(yīng)力的增大而增大；在試件屈服后，應(yīng)變?cè)鏊俜啪?，直到最后呈降低趨?shì)，軸向拉應(yīng)變逐漸向0靠攏甚至變?yōu)閴簯?yīng)變，環(huán)向應(yīng)變也逐漸向0靠攏甚至變?yōu)槔瓚?yīng)變。分析軸向應(yīng)變的變化可能是試件在屈服后，套筒與灌膠料之間有微小的滑移，釋放了部分應(yīng)力；分析環(huán)向應(yīng)變的變化可能是試件在屈服后，由于泊松效應(yīng)的影響，鋼筋直徑不斷縮小，從而使鋼筋橫肋與灌膠料之間產(chǎn)生滑移，灌膠料產(chǎn)生裂縫并不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致套筒對(duì)灌膠料產(chǎn)生環(huán)向約束應(yīng)力。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)15個(gè)鋼筋灌膠套筒搭接接頭試件進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)研究，可得出以下結(jié)論:

1)在其他參數(shù)相同的情況下，矩形套筒試件與圓形套筒試件相比，屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度接近，均能滿足強(qiáng)度要求，而矩形套筒灌膠量?jī)H為圓形套筒的68%，更加經(jīng)濟(jì)，建議優(yōu)先采用矩形套筒。2)接頭試件有鋼筋拔出和鋼筋斷裂兩種破壞形式，當(dāng)錨固長(zhǎng)度不小于11d時(shí)試件破壞形態(tài)均為鋼筋斷裂破壞，破壞過(guò)程與鋼筋拉伸試驗(yàn)相同，且滿足JGJ 107—2016鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程中Ⅰ級(jí)接頭的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。3)用結(jié)構(gòu)膠代替?zhèn)鹘y(tǒng)灌漿料，試件表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能，而在結(jié)構(gòu)膠中摻入一定比例的石英砂，對(duì)連接件破壞形態(tài)及其承載力影響較小。4)在三個(gè)影響參數(shù)中，鋼筋錨固長(zhǎng)度對(duì)連接件的破壞形態(tài)影響最大，鋼筋搭接長(zhǎng)度為10d的接頭試件多發(fā)生鋼筋拔出破壞，且其極限強(qiáng)度相比鋼筋極限強(qiáng)度降低約5%;鋼筋搭接長(zhǎng)度不小于11d的接頭試件均發(fā)生鋼筋斷裂破壞。故在進(jìn)行搭接長(zhǎng)度設(shè)計(jì)時(shí)，建議鋼筋最小搭接長(zhǎng)度選為11d。