四种灌浆连接节点的静力性能及比较分析①

许志远，余 琼

(同济大学结构工程与防灾研究所，上海200092)

0 引 言

近年来，预制混凝土产业不断发展，越来越多的建筑物采用预制混凝土结构设计方式.为保证预制混凝土结构的抗震性能，构件间钢筋的连接显得十分关键.已有的预制混凝土结构中钢筋的连接方式主要有焊接连接、机械连接和灌浆连接等方式.其中灌浆连接施工便利，效果可靠，越来越多的被应用于实际工程中.为了确保连接处的安全，首先要求连接节点在静力作用下能够表现出良好的工作性能.国内外已有的灌浆连接节点主要有四种:套筒灌浆连接节点、波纹管浆锚连接节点、插入式预留孔浆锚搭接节点和套筒约束浆锚搭接节点.本文对它们的构造形式进行了介绍，并对它们在静力作用下的工作性能和各构成材料对其工作性能的影响进行了概述.

1 套筒灌浆连接节点

1.1 构造形式

1970 年，Alfred A.Yee 提出了一种连接钢筋的灌浆连接节点［1］，并申请了美国专利，是最早形式的全套筒灌浆连接节点;Julian Albrigo 等人在已有节点的基础上，于1995 年提出了另外一种钢筋连接方式:半套筒灌浆连接节点［2］.随着技术和材料的发展，以上两种套筒灌浆连接节点不断被完善，并且在国内得到了较好的应用.

全套筒灌浆连接节点的构造形式如图1(a)所示.在套筒的一端插入预留钢筋，并在套筒端部设置封浆橡胶环;在套筒另一端插入后插入钢筋后，通过灌浆孔向套筒内灌浆.待灌浆料凝固并达到预期强度后，通过钢筋与灌浆料之间的粘结锚固，实现钢筋的连接.在套筒的关键位置设置剪力键以防止灌浆料与套筒之间出现滑移.半套筒灌浆连接节点与全套筒灌浆连接节点的不同构造之处在于:预留钢筋通过机械连接的形式与套筒连接，该机械连接方式一般为螺纹连接.半套筒灌浆连接节点的构造形式如图1(b)所示.

图1 套筒灌浆连接节点示意图

1.2 静力性能

由于在实际工程中，半套筒灌浆连接节点应用较少，故对已有的套筒灌浆连接节点的研究主要针对全套筒灌浆连接节点.国内外对全套筒灌浆连接节点进行了大量的静力试验研究，并探讨了节点各个组成部分对节点工作性能的影响.

2012 年，Ling Jen Hua 等人对18 个不同套筒形状、钢筋锚固长度和套筒内径的试件进行了静力试验.试验结果表明，由于套筒对节点提供横向约束，套筒形状对节点的承载能力有着重要的影响;套筒内径的减小和钢筋埋入长度的增大会提高节点的承载能力［3］.

2013 年，吴小宝等人对18 个试件进行了单调拉伸试验以研究灌浆料龄期和钢筋种类对套筒灌浆连接节点受力性能的影响.连接节点的变形与钢筋种类没有明显关系.采用HRB500 钢筋连接节点的28 天承载力高于HRB400 钢筋连接节点，但均稍低于相应钢筋的承载力.首周内连接节点的承载力和变形随龄期增长迅速发展，7 天时趋于稳定［4］.

2013 年，Aizat Alias 等人通过试验研究，对比了套筒内部放置和不放置箍筋的情况下连接节点的静力工作性能，发现放置箍筋的节点的工作性能优于不放置箍筋的节点的工作性能［5］.

2014 年，郑永峰等人采用了一种新型钢筋连接用灌浆套筒设计制作了5 个接头试件并进行了单向拉伸试验.钢筋锚固长度取8 倍钢筋直径时，试件均为套筒外钢筋断裂破坏.不同的套筒内壁构造导致节点筒壁应变出现了不同的分布规律.在轴向方向，套筒中部由于没有凸环肋，表现为受拉;在套筒两端，由于凸环肋的存在，表现为受压.在环向方向，套筒沿全长均受压［6］.

2015 年，王东辉等人开展了9 个水泥灌浆料套筒连接节点拉伸承载力试验，研究表明，在静力作用下，水泥灌浆料套筒连接节点性能符合文献［7］中规定的Ⅰ级型式检验性能要求.

2 插入式预留孔浆锚搭接节点

2.1 构造形式

插入式预留孔浆锚搭接节点示意图如图2 所示.在上部预制剪力墙中的预留钢筋底端位置预留表面粗糙的波纹孔，并在波纹孔和预留钢筋外围放置螺旋箍筋.在上部预制剪力墙的一侧设置灌浆孔和排气孔，并保证它们与波纹孔的连通.吊装过程中，将后插入钢筋插入预留的波纹孔后，通过灌浆孔向波纹孔内灌浆，待灌浆料凝固并达到预期的强度后，通过钢筋与灌浆料的粘结锚固以及钢筋之间的搭接传力，实现钢筋之间的连接.波纹孔粗糙不规则的做法是为了提高灌浆料与周围混凝土的粘结强度.在搭接节点外围放置箍筋是使箍筋提供横向约束，提高节点的承载能力［8］.

图2 插入式预留孔浆锚搭接节点示意图

2.2 静力性能

2011 年，在钢筋锚固试验结论的基础上，姜洪斌等人对108 个插入式预留孔灌浆钢筋搭接节点进行了静力试验试件.所有试件的搭接接头率均为100%.试验表明:1)随着搭接长度的增加，加载端和自由端混凝土的破坏程度变大;2)随钢筋直径的增加，螺旋筋的应变值逐渐变的不稳定;3)当钢筋的搭接长度约为20 d(d 为搭接钢筋的直径)时，钢筋屈服时刚好与灌浆料发生滑移［9］.

2015 年，马君卫等人设计制作了72 个钢筋约束浆锚搭接连接的钢筋搭接试件，对其进行了单向拉伸试验.所有试件的破坏形态均为钢筋拉断，未出现混凝土纵向劈裂的情况，钢筋与灌浆料或钢筋与混凝土之间也未出现滑移现象.节点体积配筋率的增加可以提高钢筋与灌浆料或混凝土的锚固强度，进而提高节点的承载能力［10］.

3 波纹管浆锚连接节点

3.1 构造形式

波纹管浆锚连接节点是另外一种装配式混凝土结构钢筋竖向连接节点.在上部剪力墙中预埋波纹管，待混凝土达到要求强度后，进行吊装.把后插入钢筋插入波纹管后，将灌浆料通过预留的灌浆孔灌入波纹管，养护至预期强度.通过钢筋与灌浆料之间的粘结锚固实现上下剪力墙的连接［11］.波纹管浆锚连接节点示意图如图3 所示.

图3 波纹管浆锚连接节点示意图

3.2 静力性能

2014 年，陈云刚等人设计制作了9 组162 个预制混凝土波纹管浆锚钢筋锚固拉拔试件.连续加载拉拔试验结果表明:1)随着钢筋直径的增大，破坏荷载呈递增趋势;2)混凝土强度等级提高、其他条件相同时，破坏荷载基本接近，但钢筋直径为18 mm 时，混凝土强度等级高的破坏荷载增大;3)波纹管直径从35mm 增大到40mm、其他条件相同时，破坏荷载基本接近;4)其他条件相同、锚固长度变化时，破坏荷载也基本接近，但钢筋直径为18mm时，破坏荷载离散性稍大;5)所有试件的拉拔结果均为钢筋拉断［12］.

2014 年，尹齐等人对16 组共48 个钢筋插入式预埋波纹管浆锚连接节点进行抗拔试验.试件有钢筋被拉断和钢筋与灌浆料滑移两种破坏形式.为了保证节点的承载能力，当钢筋直径增大时，应增大波纹管外径或者增加钢筋锚固长度［13］

4 套筒约束浆锚搭接节点

4.1 构造形式

套筒约束浆锚搭接节点［14］(图4)是由余琼提出的一种新的预制混凝土结构钢筋的连接方式.将型钢套筒点焊在预留钢筋上，以固定型钢套筒在剪力墙中的位置.吊装时，将后插入钢筋插入型钢套筒后，通过灌浆孔灌入无收缩灌浆料以实现上下钢筋之间的连接.

图4 套筒约束浆锚搭接节点

4.2 静力性能

1986 年，孙金墀进行了水泥砂浆锚固钢筋的锚固试验，试验结果表明，对于钢管约束下的双根钢筋搭接的水泥砂浆锚固试件，无论是拉力—变形曲线转折点的强度及锚固极限强度，都比钢管约束下的单根钢筋水泥砂浆锚固试件高一些［15］.

2014 年，在孙金墀的研究基础上，余琼改良了构造形式和灌浆工艺，提出了套筒约束浆锚搭接节点［14］，并对该节点进行了相关的静力性能研究，相关的研究成果会在日后发表.

5 四种灌浆连接节点的比较

在横向约束形式、工作机理、临界长度、适用构件和相关技术规程五个方面对四种灌浆连接节点进行对比分析，可以加深对它们的认识，促进四种灌浆连接节点的推广应用.

5.1 横向约束形式

在节点钢筋外围设置横向约束，是提高节点承载力的重要方法.对于套筒灌浆连接节点，约束套筒多为球墨铸铁铸造的金属套筒;插入式预留孔浆锚搭接节点采用箍筋提供横向约束，制作简便;在波纹管浆锚连接节点中，每根钢筋外围都放置一条金属波纹管以提高钢筋与灌浆料之间的锚固强度;套筒约束浆锚搭接节点中的套筒为型钢圆管.

5.2 工作机理

由节点的构造形式可以看出，套筒灌浆连接节点和波纹管浆锚连接节点的工作机理相同，插入式预留孔浆锚搭接节点和套筒约束浆锚搭接节点的工作机理一致.

前两者的工作机理为:当钢筋与灌浆料间的胶结力和摩擦力破坏后，节点通过钢筋与灌浆料之间的机械咬合力传力.钢筋肋会对周围灌浆料产生斜向压应力，导致周围灌浆料出现斜裂缝，而钢筋周围的套筒或者波纹管会提供横向约束，抑制裂缝的发展，从而提高节点的承载能力.

而后两者则是通过搭接传力:一根钢筋上受到的拉力会通过两根钢筋间的灌浆料传递到另外一根钢筋上去.两钢筋间会出现斜裂缝，并且会因斜向的压力导致两钢筋出现分离的趋势［16］，而箍筋和型钢套筒的存在会对裂缝和分离趋势的发展产生约束，进而提高节点的承载能力.

5.3 临界长度

在静力作用下，取钢筋与灌浆料或混凝土滑移时，钢筋刚好被拉断的状态下的节点长度作为临界长度.为保证节点的静力工作性能，节点的长度必须大于临界长度.虽然在灌浆料强度不同或者横向约束的细部构造(如套筒灌浆连接节点中筒壁剪力键位置)不同时，节点的临界长度有所不同，但通过试验研究，得到了在常用灌浆料强度和横向约束构造条件下各节点的临界长度，列于表1.

5.4 适用构件

套筒灌浆连接节点被提出后，在日本得到了广泛应用并获得了较大发展.国内对该连接节点进行了充分的试验研究，并制定了相关的章程.钢筋套筒主要用于预制剪力墙和预制柱的竖向钢筋连接，梁的水平钢筋连接也可根据实际情况采用套筒灌浆连接节点.

浆锚搭接连接方式在欧洲有多年的应用经验.在此基础上，国内学者提出了插入式预留孔浆锚搭接节点，并且在黑龙江宇辉建设集团和南通建筑工程总承包公司(所采用节点与插入式预留孔浆锚搭接节点类似)的工程项目中推广应用.该节点形式多应用在预制剪力墙和预制柱竖向钢筋的连接，且只适合于直径较小钢筋的连接，不宜在对结构抗震性能比较重要且钢筋直径较大的剪力墙边缘构件中使用.

江苏省南通建筑工程总承包公司在多个工程项目中使用了波纹管浆锚连接节点，该节点多用于预制剪力墙竖向钢筋的连接.

套筒约束浆锚搭接节点是2015 年提出的钢筋连接节点形式，目前正在进行该节点连接形式下预制剪力墙和预制混凝土柱的抗震性能试验研究.

5.5 相关技术规程

除套筒灌浆连接节点有相应的技术规程外，其余三个节点均未出台相关的技术规程.套筒灌浆连接节点有相应的行业标准为:《钢筋连接用灌浆套筒》JG/T 398 和《钢筋连接用套筒灌浆料》JG/T 408.

四种灌浆连接节点的比较汇总见表1.

6 结 语

以上四种钢筋灌浆连接节点都具有各自的构造特点，并且在静力作用下，都表现出良好的工作性能.相信随着建筑产业化的发展，对四种灌浆连接节点的研究能够更加深入，相关技术规程更加完善.上述四种节点能够更多的应用在预制混凝土结构中，为预制混凝土结构中钢筋的连接问题提供更多解决方案.

表1 四种灌浆连接节点的比较

注:d 为节点中钢筋的直径，单位为mm;套筒约束浆锚搭接节点的临界长度由试验获得，该试验成果还未发表.

［1］ Yee A A.Splice Sleeve for Reinforcing Bars.US Pat.3，540，763［P］;1968.

［2］ Albrigo J，Ricker E D，Colarusso L J.Reinforcing Bar Splice and System for Forming Precast Concrete Members and Structures.US pat.5，468，524［P］;1995.

［3］ Ling J H，Abd.Rahman A B，Ibrahim I S，et al.Behaviour of Grouted Pipe Splice under Incremental Tensile load［J］.Construction and Building Materials，2012，33:90－98.

［4］ 吴小宝，林峰，王涛.龄期和钢筋种类对钢筋套筒灌浆连接受力性能影响的试验研究［J］.建筑结构，2013，(14).

［5］ Alias A，Zubir M A，Shahid K A，et al.Structural Performance of Grouted Sleeve Connectors with and without Transverse Reinforcement for Precast Concrete Structure［J］.Procedia Engineering，2013，53:116－123.

［6］ 郑永峰，郭正兴，孙志成.新型变形灌浆套筒连接接头性能试验研究［J］.施工技术，2014，(22).

［7］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 107－2010 钢筋机械连接技术规程［S］.北京，2010.

［8］ 张海顺.预制混凝土结构插入式预留孔灌浆钢筋锚固搭接试验研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2009.

［9］ 姜洪斌，张海顺，刘文清，等.预制混凝土插入式预留孔灌浆钢筋搭接试验［J］.哈尔滨工业大学学报，2011，(10):18－23.

［10］ 马军卫，尹万云，刘守城，等.钢筋约束浆锚搭接连接的试验研究［J］.建筑结构，2015，(02):32－35.

［11］ 陈云钢，刘家彬，郭正兴，等.装配式剪力墙水平拼缝钢筋浆锚搭接抗震性能试验［J］.哈尔滨工业大学学报，2013，(06).

［12］ 陈云钢，刘家彬，郭正兴，等.预制混凝土结构波纹管浆锚钢筋锚固性能试验研究［J］.建筑技术，2014，(01):65－67.

［13］ 尹齐，陈俊，彭黎，等.钢筋插入式预埋波纹管浆锚连接的锚固性能试验研究［J］.工业建筑，2014，(11):104－107.

［14］ 余琼.一种新型的约束搭接套筒［P］.ZL 2014 2 0656653.0，2015，04.01.

［15］ 孙金墀.装配式结构钢筋浆锚联接的性能［J］.混凝土及加筋混凝土，1986，(04).

［16］ 徐有邻，汪洪，沈文都.钢筋搭接传力性能的试验研究［J］.建筑结构，1993，(04).