钢筋套筒灌浆连接件锚固性能试验研究

陈旭东，刘运林

(1.安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大学 建筑健康监测与灾害预防技术国家地方联合工程实验室，安徽 合肥 230601)

随着装配式建筑在国内的迅速发展，建筑工业化的不断推进，装配式建筑规模越来越大，发展的同时也面临着许多问题，比如：装配式建筑的关键连接节点的力学性能认知不清晰，灌浆节点的检测技术不成熟、检测标准不完善、检测能力的匮乏等等都增加了质量监管部门的监管难度和装配式建筑的健康发展[1]。本文着重研究装配式建筑中关键节点的受力及锚固性能，钢筋套筒灌浆连接技术是一种最常用的钢筋连接方式，也是装配式建筑的一个有效的竖向连接构件，但由于钢筋套筒灌浆连接件预埋在构件(墙、柱等)的内部，钢筋套筒灌浆连接件如图1所示，由于其存在的隐蔽性，进而给建筑物的受力性能和抗震性能带来了许多不稳定及不安全的隐患。本文分析研究了9种不同类型共计27个钢筋套筒连接试件在单向拉伸试验荷载作用下的力学性能和锚固机理。

图1 钢筋套筒灌浆连接示意图

1 试验概况

1.1 试件设计

试验试件中钢筋的力学性能利用万能试验机拉拔试验得出钢筋材料参数见表1，灌浆料是与钢筋套筒接头连接件同时浇筑养护7 d的试块(40 mm×40 mm×160 mm)，测定出来的灌浆料材料属性见表2。

表1 钢筋材料属性(取3个试件的平均值)

表2 灌浆料材料属性(取6个试块的平均值)

根据装配式建筑实际施工现场中对套筒与钢筋间的连接位置、钢筋套筒间的浇筑方法等规范要求，制作了钢筋套筒灌浆连接件试件。试件中钢筋的直径分别选定为12 mm、14 mm及16 mm，钢筋的强度等级为HRB400，灌浆料强度等级为M80，套筒的尺寸类型也对应为12、14及16三种规格的JM套筒。

试件的内部缺陷是依据连接钢筋在套筒内部的锚固长度来设定的，即密实度为100%对应的钢筋伸入量为8.0 d的试件，即为12-A、14-A、16-A三个系列，每个系列分别对应3个相同工况试件(如：试件12-A-1、12-A-2、12-A-3等)。另设置两组缺陷试验组，分别为连接钢筋在套筒内部的锚固长度为7.0d和6.0d。其中钢筋在套筒内部的伸入量为7.0d的试件，即为12-B、14-B、16-B三个系列，每个系列分别对应3个相同工况试件(如：试件12-B-1、12-B-2、12-B-3等)；钢筋在套筒内部的伸入量为6.0d的试件，即为12-C、14-C、16-C三个系列，每个系列分别对应3个相同工况试件(如：试件12-C-1、12-C-2、12-C-3等)。如图2所示为试件的缺陷设计示意图，钢筋套筒灌浆连接件密实程度的三种形式，分别利用锚固钢筋的长度来控制连接件的密实程度。

图2 试件的缺陷设计示意图

1.2 试验装置及测量内容

本次单向拉伸试验主要采用的是电液伺服万能试验机和TST3826静态应变测试数据采集仪。该型号的试验机可用于金属、非金属的拉伸、压缩、弯曲和剪切试验，试验机的试验操作和数据处理符合国际GB/T228-2002《金属材料温室拉伸试验方法》的要求，本台试验机的最大负荷为600 kN。TST3826静态应变测试数据采集仪是一种无线静态应变测试分析系统，该台采集仪可以同时采集60个测点，具有数据传送稳定可靠、抗干扰能力强、使用快捷方便等优点。图3为电液伺服万能试验机，图4为TST静态应变测试数据采集仪。

图3 电液伺服万能试验机

图4 TST静态应变测试数据采集仪

2 试验结果

2.1 破坏模式与极限承载力

(1)破坏模式

本次单向拉伸试验的破坏模式分为两种，分别为：连接钢筋被拉断导致的破坏与套筒内部锚固钢筋的粘结滑移破坏，如图5所示。

图5 试件破坏模式

(2)极限承载力

通过试验得出试件的屈服荷载、极限承载力、平均粘结强度与破坏模式，主要结果如表3所示。

表3 试件力学性能及破坏模式

注：表中的平均粘结强度值中，当试件破坏模式为连接钢筋拉断破坏，其平均粘结强度值为计算的最小值；当试件破坏模式为锚固段钢筋滑移破坏，其平均粘结强度值为实际值；表中fu表示试件的抗拉强度，fbyk表示连接钢筋的屈服强度标准值；fbuk表示连接钢筋的抗拉强度标准值。

表中的试验数据说明，单向拉伸试验中所有试件的抗拉强度fu均大于连接钢筋屈服强度fbyk的1.25倍；12-A、12-B、14-A、14-B、16-A、16-B系列试件的抗拉强度fu均大于连接钢筋抗拉强度fbuk的1.10倍；12-C、14-C、16-C系列试件的抗拉强度fu均小于连接钢筋抗拉强度fbuk的1.10倍。

进一步说明，试件在锚固段的锚固钢筋长度为8.0d与7.0d试件的受力性能满足Ⅰ级接头的规范要求，而锚固段的锚固钢筋长度为6.0d试件的受力则不满足规范要求。

2.2 残余变形与最大力总伸长率

测量计算出试件的残余变形与最大力总伸长率，主要结果如表4所示。

表4 试件残余变形与最大力总伸长率

由表4可知：试验中单向拉伸试件，残余变形均小于0.10 mm；最大力总伸长率均大于6%，且均在10%～13%，远大于规范要求的最大力总伸长率标准值，均满足Ⅰ级连接接头规范的相关要求。

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2.3 典型工况的试件荷载-位移关系

图6 单向拉伸试验的典型工况荷载-位移曲线

一般钢筋或钢筋连接件等材质相似的试件，在单向拉伸试验中，连接钢筋发生拉断破坏的试件，它们之间的荷载-位移曲线发展趋势是基本相同的；而出现锚固段锚固钢筋被拉出产生粘结滑移破坏的试件，它们之间的荷载-位移曲线发展趋势也是基本相同的；其中荷载-位移曲线对应的坐标轴表示为：纵坐标是指试验中试验机施加的外荷载值，横坐标是指试件相对于试验前产生的轴向相对位移值。通过一系列试验，选取了三组发生破坏形式不同的典型工况试件分析典型工况的试件荷载-位移曲线关系，分别为16-A-1、16-B-1与16-C-1，单向拉伸试验的典型工况荷载-位移曲线，如图6所示。

分析上述三组发生不同破坏的典型工况16-A-1、16-B-1与16-C-1，其中试件16-A-1与16-B-1的试验结果表现为连接钢筋拉断破坏，且荷载位移曲线趋于一致，试件16-C-1的试验结果表现为锚固段锚固钢筋被拉出的粘结滑移破坏。

当试件发生连接钢筋拉断破坏时，其荷载-位移曲线与普通钢筋的单向拉伸荷载位移曲线基本相似。

当试件发生锚固段锚固钢筋被拉出的粘结滑移破坏时，其荷载-位移曲线大致分为四个阶段，分别为：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段。其中，弹性阶段与屈服阶段的荷载-位移曲线走势与连接钢筋被拉断破坏的基本一致；在强化阶段中，由于试件连接钢筋的抗拉强度大于锚固段的锚固钢筋与灌浆料的粘结强度，随着外荷载的作用，锚固段的钢筋表面部分与灌浆料的接触面被不断地破坏，在锚固钢筋的外表面形成一层填充料，被一起拉拔出套筒内部，此时的荷载-位移曲线迅速进入下降段，在曲线进入下降段的过程中，由于套筒内部的灌浆料在破坏过程中会发生应力重新分布，灌浆料与钢筋以及灌浆料与套筒内表面之间的相互作用力，在一定程度上弥补了试件在外力作用下的应力损失，增加了试件的延性，故在下降段表现出波浪形的曲线走势。

3 钢筋套筒灌浆连接件锚固

文献[2]中的试验分析研究表明：随着钢筋锚固长度的增加，以试验中钢筋的锚固长度从4.0d增加至5.0d为例，其试件中的钢筋粘结承载力增加了12%左右，粘结强度降低了10%左右。出现这种现象的原因在于，随着钢筋在套筒内部锚固长度的增加，灌浆料与钢筋之间产生了更大的机械咬合剪切面，进而提高了试件中钢筋粘结承载力，但是，由于锚固钢筋沿径向的粘结应力分布不均匀，因此，套筒内部锚固钢筋的长度越长，连接件的锚固钢筋与灌浆料的粘结强度越低。锚固长度越长，试件的连接刚度越大，接头承载力越高，试件的变形越小，试件的整体结构性更加完好。

本文把试件中的套筒构件简化为一种具有一定尺寸的圆筒构件[3]，其中圆筒结构的外半径为Rs，内半径为rs。浇筑灌浆料后的试件，灌浆料在硬化的过程中会发生收缩变形，进而产生初始应力，把灌浆料与钢筋之间产生的初始应力记为Pb，把灌浆料与套筒内表面之间产生的初始应力记为Ps。

本文根据参考文献[4]-[6]中对厚壁圆筒模型的介绍，众多学者和科研工作者也通过理论分析以及试验研究，认为钢筋套筒灌浆连接件在灌浆料硬化过程中产生的膨胀效应属于弹性阶段，此时钢筋套筒灌浆连接件仅受到径向作用力，又由于试件的径向尺寸的大小远小于轴向尺寸的大小，此时轴向尺寸的大小对试件约束的计算影响较小，即可以把钢筋套筒灌浆连接件在径向的方向上简化为平面的应变计算问题，并对此种简化做了验证。

简化钢筋套筒灌浆连接件的受力模型为图7，表示钢筋套筒灌浆连接件的受力模型。

图7 钢筋套筒灌浆连接件的受力模型

(1)

(2)

(3)

(4)

公式中钢套筒的内半径记为rs，锚固钢筋半径记为rb，灌浆料的泊松比记为μg，灌浆料的膨胀率记为εE，灌浆料平面应变换算后的弹性模量记为Eg，c，钢筋平面应变换算后的弹性模量记为Eb，c，钢套筒平面应变换算后的弹性模量记为Es，c，灌浆料的平面换算后的泊松比记为μg，c，钢筋的平面应变换算后的泊松比记为μb，c，钢套筒平面应变换算后的泊松比记为μs，c。

(5)

其中：τ表示粘结强度，fn表示约束应力，且fn=pb，fm表示灌浆料轴心抗压强度值[8-9]。

Pu=τ·π·d·l

(6)

其中：Pu表示钢筋套筒灌浆连接件发生粘结滑移破坏对应的极限承载力，d表示锚固钢筋直径，l表示钢筋在套筒内的锚固长度。

依据上述力学理论公式，结合本试验中材料的力学特性，得知：灌浆料平面应变换算后的弹性模量Eg，c=37 500 MPa；钢套筒平面应变换算后的弹性模量记为Es，c=226 374 MPa；钢筋平面应变换算后的弹性模量记为Eb，c=219 780 MPa；钢筋的平面应变换算后的泊松比记为μb，c=0.429；钢套筒平面应变换算后的泊松比记为μs，c=0.429；灌浆料的平面换算后的泊松比记为μg，c=0.25；灌浆料的泊松比记为μg=0.2；灌浆料的膨胀率记为εE=0.03%[10]；钢套筒的内半径rs与锚固钢筋半径rb是根据试验中试件12、试件14以及试件16的尺寸取值。经过计算可得，钢筋的最小锚固长度l为6.5d，这个值即为钢筋发生断裂与锚固钢筋发生粘结滑移的临界值。

结合计算以及本试验的实际情况可知，钢筋锚固长度为6.5d时，试件发生钢筋断裂破坏，而不是发生钢筋的粘结滑移破坏，远远超过国家行业标准JGJ355-2015提出的灌浆连接的钢筋锚固长度不宜小于8.0d的要求，因此本试验中有两种规格的锚固长度(8.0d、7.0d)均满足国家行业标准和工程实际需要，另一种规格的锚固长度为6.0d的试件则不满足钢筋被拉断破坏的要求，均产生锚固钢筋粘结滑移破坏，且与文中理论对钢筋在套筒内锚固计算长度6.5d相吻合。4结论

(1)在单向拉伸试验中，出现了两种破坏模式：连接钢筋拉断与锚固钢筋粘结滑移破坏。试件12-A、12-B、14-A、14-B、16-A、16-B对应的钢筋套筒灌浆连接件在单向拉伸试验中，均发生连接钢筋拉断破坏，并满足Ⅰ级接头规范的相关规定，其中试验记录的极限承载力、残余变形以及最大力总伸长率也均在规定的范围内；试件12-C、14-C、16-C对应的钢筋套筒灌浆连接件在单向拉伸试验中，均发生锚固钢筋粘结滑移破坏，但是不满足Ⅰ级接头规范的相关规定。

(2)钢筋锚固长度为6.5d时，试件发生钢筋断裂破坏，并与本试验中设置的钢筋锚固长度为6.0d发生粘结滑移破坏相吻合，验证了结果的准确性。说明了当锚固钢筋长度大于6.5d时，钢筋套筒灌浆连接件会发生钢筋拉断破坏；当锚固钢筋长度等于6.0d时，钢筋套筒灌浆连接件会发生锚固钢筋粘结滑移破坏。同时也说明了国家行业规范对此类锚固钢筋长度预留了较大安全空间，在实际的工程中，可以在确保工程质量的前提下，适当减小锚固钢筋的长度。

(3)本文仅对直径d为12、14、16三种钢筋套筒灌浆连接件做了单向拉伸试验研究，对于较大直径的试件及试件在反复荷载作用下的性能还有待进一步的研究。