组合方形灌浆套筒连接性能试验

戴绍斌，郑小林，黄 俊，李玉博，刘 轩

(1.武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大设计研究院有限公司，湖北 武汉 430070)

0 引 言

自20世纪60年代末Yee发明灌浆套筒连接以来，众多学者已经开展了大量的研究工作，开发了各种形式的灌浆套筒。灌浆套筒接头的受拉性能由钢筋-灌浆料-套筒之间的黏结强度决定。已有的试验研究表明，约束灌浆料的劈裂变形能有效提高钢筋与灌浆料之间的黏结强度[1-2]。钢筋套筒灌浆连接正是建立在这一原理之上，通过合理的套筒形式对填充灌浆料进行约束，从而增加钢筋黏结强度，减少锚固长度，以达到便于应用的目的。各学者都在致力于用各种方法来增强这三者之间的黏结强度，方法基本为在套筒内壁增加剪切键，有车削螺纹、内壁凸起、套筒端部束口，也有采用螺旋箍筋约束等。Ling等[3-5]通过试验研究了采用不同约束构造方式设计制作的6类灌浆套筒，并对THS和WBS两种类型套筒连接的性能进行了对比，相比WBS中由肋产生的非均匀约束应力，由THS斜套筒壁产生的均匀约束应力的约束效果要比WBS好。Einea等[6]将4根小直径钢筋嵌入光圆钢管内，再辅以不同的端口约束形式设计并制作了4种不同形式的灌浆套筒，通过对灌浆套筒接头试件进行轴向拉伸试验，得出在合适的约束条件下锚固长度可以减少到7倍直径。Rahman等[7]采用2个钢板插入并焊接到矩形钢管的2个端部，以钢板作为剪切键增强套筒与灌浆料之间的黏结强度，以此制作了9个灌浆套筒接头试件，在轴向拉伸作用下研究了灌浆强度、主筋埋置长度和套管尺寸对该矩形套筒连接性能的影响。最后建议200 mm的锚固长度，这明显高于现有一般套筒的锚固长度；造成这一现象的主要原因是以钢板作为剪切件高度过高，破坏灌浆料的整体性，且非均匀布置的剪切件导致受力不均匀。Rahman等[8]在螺旋箍筋内侧焊4根钢筋，并以此进行了对接灌浆接头拉伸试验，试验表明焊接钢筋和螺旋箍筋的存在能显著增加黏结强度，螺旋箍筋作为一个重要的约束条件对灌浆料进行约束，焊接钢筋作为一个重要的桥连机制来抵抗拉力。同时发现减小螺旋箍筋的间距对增加黏结强度作用不大，提供最大的黏结强度时螺旋箍筋的间距约为25 mm。郑永峰等[9-11]采用普通无缝钢管通过冷滚压工艺加工而成一种新型套筒，通过单向拉伸试验研究其约束机理，发现套筒变形段内壁环肋相互挤压的径向分力能有效地限制灌浆料的劈裂变形，对灌浆料起到良好的约束作用。随后各类型套筒已经商业化，所有权问题再加上复杂的加工工艺造成目前市面上使用的套筒价格始终居高不下，这是影响装配式建筑成本的因素之一。因此，找到一种有自己版权且适合一定使用条件的廉价套筒成为现阶段的任务之一。本文提出了组合方形灌浆套筒(Composite Square Grout-filled Pipe Splice,CSGPS)，该套筒只需要简单的切割焊接，极大地简化了加工方法，加工的原材料普遍且容易获得，故能极大地控制成本，便于推广。

1 试验概况

1.1 试验设计

图1 组合方形灌浆套筒

图2 试件几何尺寸及构造

1.2 材料性能

用于试件制作的钢管实测强度如表2所示。采用HRB400级钢筋加工连接钢筋及焊接钢筋，螺旋箍筋采用3 mm线径弹簧钢，实测强度见表3。灌浆料采用无收缩高性能灌浆料，水料比取0.125，试块尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，待脱模后移入标养室，经过28 d养护后测定抗压强度。实测强度如表4所示。

1.3 试验装置及测量内容

在万能材料试验机(最大量程为500 kN)上做单向拉伸试验，如图3所示，加载速率为2 MPa·s-1,当钢筋断裂或者从灌浆料中拔出时停止试验，通过万能试验机自带记录荷载以及位移的功能获得各个试件的荷载-位移曲线，另选取部分试件，在套筒一侧表面粘贴环向及轴向应变片；通过测量套筒表面的应变及荷载-位移曲线研究接头的性能。

表1 试件参数

表2 方形钢管材料性能

表3 连接钢筋材料性能

表4 高强水泥基灌浆料材料性能

图3 试验加载装置

2 试验结果

2.1 破坏形态

在整个试验过程中只出现1种破坏形态，即断裂破坏。对于套筒内部没有螺旋箍筋的试件，有的发出轻微的破裂声，那是灌浆料裂开的声音，随着荷载的增加，慢慢趋于稳定，不再听到这种声音；对于套筒内部有弹簧的试件，整体性较好，在整个试验阶段无此现象。随着荷载继续增加，明显看到有钢筋颈缩现象，随后发出一声巨响，钢筋断裂，套筒端部灌浆料因钢筋断裂瞬间产生的应力波作用而脱落，出现锥形破坏,如图4所示。

图4 试件破坏形态

接头抗拉强度与连接钢筋抗拉强度标准值的比值均大于1.10，符合《钢筋机械连接技术规程》[12]中对Ⅰ级接头强度的要求；主要试验结果如表5所示。由于所有接头都是断于钢筋，这表明黏结强度充足；但是由于锚固长度过长，黏结强度发展不充分，根据公式τ=fu/(πdla)计算的平均黏结强度τ并不能代表真实的黏结强度，计算结果要比实际的黏结强度小，计算结果见表5。

表5 主要试验结果

注：fy为屈服荷载；fu为极限荷载；fiu为峰值荷载对应的试件抗拉强度；fbyk为连接钢筋屈服强度标准值；fbuk为连接钢筋抗拉强度标准值。

2.2 荷载-位移曲线

试件的荷载-位移曲线如图5所示，断裂破坏试件的荷载-位移曲线形状与钢筋轴拉试验荷载-位移曲线相似。首先是荷载上升阶段，材料处于弹性阶段，荷载-位移曲线近似呈直线；随着荷载增加，在套筒中肋前灌浆料开始被压碎，微小裂缝产生。第2段为水平段，钢筋屈服。在第3段随着位移的增加，荷载也不断上升，但较平缓，类似于单根钢筋轴向拉伸的强化阶段。此时横肋前灌浆料挤压充分，不断被压碎并且范围持续扩大，裂缝得到充分开展并始终处于套筒的有效约束中。当到达某个点后，位移继续增加，荷载却急剧下降，随着一声巨响，接头外钢筋被拉断，整个过程类似于单根钢筋单向拉伸破坏形态。对增加螺旋箍筋的方形组合套筒灌浆接头试件，荷载-位移曲线在形状上与未配置螺旋箍筋试件相似，但是承载力明显高于未配置螺旋箍筋的试件，如图5(c)所示；通过对比2类套筒弹性阶段的荷载-位移曲线可以看出，带螺旋箍筋的接头试件刚度有所提升，如图5(d)所示,造成这种现象的原因是螺旋箍筋增加了对灌浆料的约束，使得接头的整体性更好。同时可以看出配置螺旋箍筋试件的极限位移明显较未配置螺旋箍筋试件的极限位移小，减小程度达15%，表明通过配置螺旋箍筋提高对灌浆料的约束以增强试件的整体刚度是切实可行的。

图5 试件荷载-位移曲线

2.3 套筒应变分布规律

图6 试件S-315-12荷载-套筒环向应变曲线

图7 试件S-315-12荷载-套筒轴向应变曲线

分析试件S-315-12的表面应变，图6为不同荷载N下沿套筒表面长度方向的环向应变分布，图7为不同荷载N下沿套筒表面长度方向的轴向应变分布。通过应变值可知轴向应变和环向应变分别为拉应变和压应变，统一表现出沿套筒中线呈对称的趋势，峰值点出现在套筒中点，中点两侧逐渐减小；曲线基本都呈线性变化关系，没有明显的转折或由拉转压的趋势，不会出现类似变形套筒受拉之后在变形段部分应变复杂的现象，也从侧面反映该套筒传力简单明确，这是截面完整带来的优势，为套筒的应用提供了保证。通过对比方形钢管与现有的其他类型套筒表面的应变值大小发现，方形钢管表面的应变较其他类型套筒小，这主要是因为组合套筒中嵌入的焊接钢筋参与受拉，分担了传过来的部分拉力。

3 组合灌浆套筒连接工作机理

套筒灌浆连接、插入式预留孔箍筋约束灌浆搭接连接[13]以及套筒约束浆锚搭接连接[14]是目前应用于装配式建筑中钢筋连接主要的3类湿连接方式，其中第1类连接方式是通过钢筋-灌浆料-套筒之间的黏结实现力的传递，钢筋受力后通过灌浆料与钢筋之间的黏结力传递给套筒，然后通过套筒反向传给另一端钢筋，因此对套筒本身的材料性能要求较高。插入式预留孔箍筋约束灌浆搭接连接搭接长度通常较大，而预留孔直径一般较小，钢筋不易对位插入，无疑增加了施工难度。结合前2类连接方式，有学者提出了套筒约束浆锚搭接连接[14]，通过力学试验研究了该连接方式的破坏机理及受力特点，接头受拉后，通过灌浆料直接将一部分拉力传递给另一端钢筋，再通过套筒将另一部分拉力传递给钢筋，正是由于这样的机理，该连接方式对套筒本身的要求不高，可以采用普通钢制作套筒。

结合之前的研究，对于本文提出的组合方形套筒，通过方形钢管四角的钢筋参与受拉，改变了之前由套筒本身单一受拉的传力方式。接头受拉后，拉力从一端钢筋传递给灌浆料，再通过灌浆料传递给焊接钢筋和方形钢管，焊接钢筋和方形钢管同时参与受拉，再通过灌浆料传递给另一端钢筋(图8)，改善了传力方式，降低了对制作套筒本身的材料要求。值得注意的是，根据《钢筋连接用灌浆套筒》(JG/T 398—2012)[15]中规定的套筒材料机械性能:屈服强度fy≥355 MPa，抗拉强度fu≥600 MPa，有人认为该要求太过苛刻。郑永锋等[9-11]利用市场上现有并常用的低合金无缝钢管(Q345与Q390)冷滚压而成的新型变形灌浆套筒亦无法满足该要求，所以通过寻找新型传力方式的套筒结构形式以降低套筒本身材料限制的思路是可行的。此外，由于该套筒是由各部分焊接组合而成，内腔没有车削、冷压造成的螺纹或凸起，整个截面完整，没有薄弱部位。

图8 组合灌浆套筒传力机制

当接头受拉时，套筒是一个有效的的约束条件，由楔入钢筋造成的灌浆料劈裂变形受到套筒的约束。取一个肋间距范围内的灌浆料，灌浆料受到的作用力有钢筋对灌浆料的挤压应力P、滑移面上的摩擦应力μp，如图9所示(β为滑移面切向与钢筋纵向的夹角)；将P和μp分别沿纵向和径向分解，二者的纵向分量之和形成黏结应力τ，径向分力即为内压力δp[16]。

图9 钢筋-灌浆料作用机制

组合方形灌浆套筒内嵌的焊接钢筋横肋-灌浆料之间存在较大的机械咬合作用，且连接钢筋与灌浆料之间的接触面积远小于组合方形套筒内腔与灌浆料之间的接触面积，所以套筒-灌浆料之间的黏结破坏在本试验中不起控制作用。组合套筒约束了灌浆料的劈裂变形，能明显提高钢筋与灌浆料之间的黏结强度[1-2]，黏结破坏模式将转为拔出或断裂破坏。通过对比试件S-315-16与S-315-16-t，带螺旋箍筋接头的刚度有所增加，滑移明显减小，套筒中螺旋箍筋对进一步约束灌浆料，增加黏结强度，提高接头整体性有明显作用，最终能实现预期的破坏[17-23]，组合套筒约束示意见图10(a),(b)。箍筋的作用能有效改善Ling等[3-5]提到的非均匀约束问题，在环向箍筋的作用下，这种不均匀的约束将通过箍筋均匀地扩散到灌浆料中去，提供更为合理的约束[24]。

图10 组合灌浆套筒约束示意图

由于该组合套筒没有经过任何的车削或冷加工，保证了截面的完整性，沿套筒长度方向每个截面都没有变化，造成套筒表面轴向应变皆为拉应变；受泊松效应的作用，所有截面的环向应变皆为压应变，不会出现由压转拉的现象，从而有利于在反复拉压作用下的后期性能。

4 结语

(1)钢筋锚固长度为7.5d时，组合灌浆套筒接头的抗拉强度与钢筋抗拉强度标准值之比大于1.1，表现出良好的承载力。

(2)套筒内腔构造形式将影响接头的传力机制、应变分布以及约束机理，套筒内壁与灌浆料之间的黏结主要取决于内壁焊接钢筋与灌浆料之间的作用；由于组合套筒内腔没有经过任何形式的外加工，截面完整，所以沿套筒长度方向的轴向和径向应变均匀分布，与其他变形套筒表面的应变有很大区别。

(3)螺旋箍筋能明显增强对灌浆料的约束作用，从而提高接头的整体刚度，建议应用配置螺旋箍筋的组合套筒即B类套筒。

(4)当锚固长度为7.5d时，接头断于钢筋，此时计算出来的黏结应力小于极限黏结应力，可以进一步减少锚固长度或者增加待连接钢筋的直径以便研究其极限黏结强度，并确定其合适的锚固长度。