钢筋插入式灌浆波纹管连接锚固性能试验研究

胡小忠

(中铁二十四局集团有限公司 上海 200070)

1 引言

随着城市化进程的加快，市政基础设施建设逐渐进入高潮。传统现浇施工技术建造效率低、现场作业量大、施工周期长，影响道路的交通畅通与安全。装配式桥梁建造技术是将桥梁的上部和下部主要构件在预制厂集中生产，并运送至现场拼装的快速化施工技术。相比传统现浇施工技术，装配式桥梁建造技术通过构件工业化制造和装配式施工，可加快施工进度、减小对既有交通的干扰[1-2]。在行业政策的持续引导下，未来装配式桥梁建造技术会得到进一步推广。

预制构件连接的可靠性是保证装配式桥梁达到设计功能的关键。预制构件连接方式一般采用灌浆套筒连接、灌浆金属波纹管连接、承插式连接、后张预应力连接等[3-5]。当前，灌浆金属波纹管连接是预制构件间较为常用的连接方式。灌浆金属波纹管连接是指在混凝土中预埋金属波纹管，待混凝土达到要求强度后，将钢筋插入金属波纹管，再灌注高强无收缩灌浆料，达到锚固钢筋的作用[6-8]。灌浆金属波纹管连接的设计预期是达到“等同现浇”的效果，重点是避免主筋从金属波纹管中拔出破坏，为此有必要开展灌浆金属波纹管连接的锚固性能试验，确定合理的锚固长度，保证接头钢筋充分发挥强度[9]。

为研究钢筋插入式灌浆金属波纹管连接的锚固性能，设计制作了12组共计24个钢筋插入式灌浆金属波纹管连接试件，通过连续荷载作用下的拉拔试验，分析钢筋锚固长度、波纹管外径与钢筋直径的相对比值对其锚固性能的影响。研究结果可为实际工程中灌浆金属波纹管连接的设计提供参考。

2 试验方案设计

2.1 试件设计

为开展钢筋插入式灌浆金属波纹管连接的锚固性能试验，设计了12组共计24个钢筋插入式灌浆金属波纹管连接试件，钢筋强度等级为HRB400，直径d分别为18、25 mm，锚固长度la分别为7d、10d、15d、24d，金属波纹管外径D分别为 63、76 mm，试件主要参数见表1。

表1 试件主要参数

2.2 试件制作

首先绑扎钢筋骨架，切割和预埋金属波纹管，再支模板浇筑混凝土试验平台，混凝土设计强度等级为C40。为避免试验中试件相互干扰，金属波纹管间距取25 cm。当试验平台达到一定强度后，将不同直径的钢筋以预设的锚固长度插入金属波纹管中心，保证严格对中，再按要求拌制高强无收缩水泥灌浆料，静置至浆料表层无气泡产生时进行灌注，养护28 d。试件制作过程如图1所示，试件布置见图2。在浇筑混凝土和灌注高强无收缩水泥灌浆料时，分别留置1组(150×150×150)mm和(40×40×160)mm的试块，每组3个试块，同等条件下养护，待达到要求龄期后进行材料抗压强度试验。

图1 试件制作过程

图2 试件布置(单位：cm)

2.3 材料力学性能

通过拉伸试验，得到钢筋的材料力学性能如表2所示。按照《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T 17671-1999)和《普通混凝土力学性能试验方法标准》[11]所规定的标准试验方法[10-11]，测得高强无收缩灌浆料和混凝土的材料力学性能如表3所示。

2.4 加载方案与测量内容

试验加载装置如图3所示，采用量程为100 t的穿心式电动液压千斤顶进行连续加载。钢筋屈服前的加载速度为10～15 kN/min，屈服后加载速度为3～5 kN/min。当出现钢筋拉断或发生拔出破坏等情况时，停止加载。试验中采用穿心式荷载传感器测量钢筋轴向拉力F。为测量钢筋轴向位移，在钢筋顶端设置对称钢引板，并通过固定支架布置两个位移计。由于位移计的另一端通过支架固定在混凝土加载台上，且位移计对称布置，因此两位移计测量值的均值可视为钢筋位移量s。

表2 钢筋力学性能参数

表3 高强无收缩灌浆料及混凝土力学性能参数

图3 试验加载装置

3 试验现象描述

对12组试件进行拉拔试验，各组试件钢筋的强度特征值和破坏形式如表4所示。试件的破坏形式主要有钢筋拉断破坏和金属波纹管拔出破坏两种。其中，以钢筋拉断破坏最为显著，表明该灌浆连接具有较好的可靠性。相比于材性实测值，试件的强度特征均值总体偏低，主要是由于钢筋存在初倾角和拉伸试验时偏置未对中[12]。

图4为部分试件的破坏形式。如图4a所示，18-63组试件均为钢筋拉断破坏，断面位置随机，灌浆料未出现损伤。如图4b所示，试件25-63-07-1发生了金属波纹管拔出破坏，周围的混凝土出现径向开裂破坏。25-63组的其他试件均为钢筋拉断破坏，灌浆料未出现损伤。试件25-76-07-1为钢筋拉断破坏，钢筋拉断瞬间产生的回缩力使表层灌浆料径向开裂，除去表层碎块，下部灌浆料仍保持密实状态。本组的其他试件均为钢筋拉断，且未出现灌浆料损伤，见图4c。

图4 部分试件破坏模式

4 试件荷载-位移曲线(F-s)分析

为描述锚固长度对试件锚固性能的影响，保持金属波纹管外径和钢筋直径的相对比值一定，锚固长度分别为7d、10d、15d、24d的荷载 -位移曲线(F-s曲线)如图5所示。各组试件的F-s曲线与钢筋拉伸试验的F-s曲线的变化趋势较为接近，表明灌浆金属波纹管钢筋连接试件与普通钢筋的力学性能相似。

如图5a所示，18-63组试件均在钢筋极限荷载附近发生拉断破坏。如图5b所示，试件25-63-07-1在钢筋进入强化阶段后，发生了金属波纹管拔出破坏，表明钢筋与灌浆料之间的粘结力强于金属波纹管与混凝土之间的粘结力，是由于浅层的局部混凝土振捣不密实，强度不足。25-63组的其他7个试件均在钢筋强化阶段发生拉断破坏。25-76组试件均为钢筋受拉屈服后发生拉断破坏，见图5c。25-63组和25-76组试件的F-s曲线呈现一定的离散性，是由于钢筋材性的离散性和钢筋的垂直对中存在偏差所致。

对于18-63组和25-76组试件，当锚固长度la不小于7d时，其对锚固性能无影响，可保证试件破坏形式为钢筋拉断破坏；对于25-63组试件，当锚固长度la不小于10d时，可保证试件破坏形式为钢筋拉断破坏。

表4 试件的强度特征值与破坏模式

图5 各组试件F-s曲线

对比25-63组和25-76组试件，可知钢筋的锚固性能还与金属波纹管外径和钢筋直径的相对比值有关。带肋钢筋和灌浆料之间的粘结力由灌浆料与钢筋表面的化学胶结力、界面摩擦力和钢筋肋与灌浆料之间的机械咬合力组成。化学胶结力很小，加载初期就被克服，粘结力主要由摩擦力和机械咬合力提供。钢筋受力时，钢筋的月牙肋对灌浆料产生斜向压力，轴向分力使灌浆料受剪，径向分力使灌浆料环向受拉。金属波纹管外径和钢筋直径的相对比值较小时，浆料层较薄，在径向分力作用下易受拉开裂，当轴向分力超过灌浆料与钢筋接触面上的摩擦力和机械咬合力的合力时，咬合齿被剪断，钢筋发生拔出破坏；金属波纹管外径和钢筋直径的相对比值较大时，浆料层饱满，在拉力作用下，钢筋使周围的灌浆料产生径向膨胀，金属波纹管壁产生的径向压力对浆料层形成有效的环向约束，基于摩擦机理，粘结刚度随之增大。因此，金属波纹管外径和钢筋直径的相对比值较大时，能有效抑制裂缝的开展和钢筋的滑移，使浆料层能够承受更大的拉应力和剪切应力。

5 结论

为研究钢筋插入式灌浆金属波纹管连接的锚固性能，设计制作了12组共计24个钢筋插入式灌浆金属波纹管连接试件，通过连续荷载作用下的拉拔试验，分析了钢筋锚固长度、波纹管外径与钢筋直径的相对比值对其锚固性能的影响并得出结论。

(1)根据拉拔试验结果，钢筋插入式灌浆金属波纹管连接的破坏形式主要有钢筋拉断破坏和金属波纹管拔出破坏两种。

(2)当钢筋直径为18 mm、金属波纹管外径为63 mm，或当钢筋直径为25 mm、金属波纹管外径为76 mm且钢筋锚固长度＞7d时，可保证破坏形式为钢筋拉断破坏；当钢筋直径为25 mm、金属波纹管外径为63 mm且钢筋锚固长度≥10d时，可保证破坏形式为钢筋拉断。

(3)钢筋的锚固性能与金属波纹管外径及钢筋直径的相对比值有关。当金属波纹管外径和钢筋直径的相对比值较大时，能够提供更佳的锚固性能。

(4)在实际工程中，当所用波纹管外径与钢筋直径的相对比值与本试验接近时，锚固长度可取10倍钢筋直径，从而可保证构件可靠连接。