缺陷可检修型半灌浆套筒连接拉伸性能试验研究

陈 曦，苗启松，杨参天，閤东东，刘谦敏，解琳琳

(1. 北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100044；2. 北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 100044；3. 东南大学土木工程学院，南京 211189)

近年，装配式预制混凝土(precast concrete，PC)结构体系被大量应用于各类建筑的建造，产生了良好的社会和经济效益。预制构件的连接性能是决定PC 结构性能的关键因素，灌浆套筒连接具有施工便捷的特点，且在施工质量良好时性能可靠，被广泛应用于PC 框架、剪力墙和框架剪力墙等结构中纵向钢筋的连接，以期实现“等同现浇”的性能目标。

大量学者提出了各类新型灌浆套筒，并针对灌浆套筒的连接受力性能开展了相关研究[1−6]。已有研究对象大都设置为施工质量理想的灌浆套筒接头试件，然而工程中的套筒往往存在两种典型施工问题：1)灌浆缺陷，主要指灌浆量不达标，如纵向连接时液面高度小于规范值，导致套筒与钢筋间粘结强度不足；2)钢筋被截断，灌浆套筒内并未插入钢筋，导致局部钢筋无连接。

对于灌浆缺陷，部分学者研究了缺陷对套筒连接性能的影响。郑清林等[7]和Xu 等[8]通过试验研究分析了灌浆缺陷对半灌浆套筒拉伸性能的影响。李向民等[9]考虑不同的灌浆缺陷长度，针对适用于3 种钢筋直径的全灌浆套筒开展了单调拉伸试验研究。匡志平等[10]通过单向拉伸、高应力反复拉压和大变形反复拉压试验研究了灌浆料量对全灌浆套筒连接性能的影响。已有研究结果均表明，灌浆缺陷对套筒连接性能存在显著影响，其控制因素为灌浆液面是否达到规范值。

在灌浆套筒质量检测和修补方面，大量学者提出了多种灌浆质量检测方法，如超声波检测法[11]、X 射线数字成像检测法[12]、预埋钢丝拉拔法[13]，然而这些方法对设备和操作的要求较高，且无法或难以检测钢筋是否被截断。部分地区采用了凿取原位套筒后进行切割检测的方法，这种方法会对构件造成损伤，检测后需进行修补，工序繁琐、耗时长。总的来说，目前暂不存在可靠、无损、高效的灌浆套筒施工质量检测方法，且现有修补方法破损性强、修复效率低，难以满足工程高质量、高效率建设需求。

为解决灌浆套筒的施工质量检测和修补的难题，本文提出了一种缺陷可检修型半灌浆套筒(defect detectable and repairable half grouted sleeve，DDRHGS)，旨在实现套筒施工质量问题的检测和灌浆缺陷的修补。如图1 所示，该套筒主要用于预制构件间竖向钢筋的连接，其主要特征是在传统半灌浆套筒的基础上增加了检修孔，结合内成像设备和基于图像的缺陷率检测方法可实现灌浆套筒灌浆质量的检修，同时也可完成钢筋是否截断的检测，具体而言：

图1 DDRHGS 构造检测修补原理Fig. 1 Defect detect and repair mechanism of DDRHGS sleeve

1)检测功能。在初次灌浆后，将内成像设备探头通过检修孔插入套筒内，套筒在出浆孔底部高度处(预期液面高度处)设置一条凸肋作为判定灌浆是否存在缺陷的参照线，同时在检修孔底部高度处设置一条凸肋作为参考线用于确定实际液面高度，基于内镜成像可判定实际液面高度及其缺陷率(实际液面高度与预期高度的比值)。

2)灌浆缺陷修补功能。若检测结果表明存在液面高度不足，则通过检修孔注射修补材料至预期高度，完成对套筒灌浆缺陷的修补。

DDRHGS 的检测和修补功能可行性强，施工现场操作简便，在首次灌浆前封堵检修孔，初凝后打开检修孔即可进行检测和修补。为了验证DDRHGS连接接头的拉伸性能和灌浆缺陷修补功能的可靠性，本研究综合考虑有无灌浆缺陷、灌浆缺陷率、是否修补、修补材料种类、钢筋直径等因素影响，设计并加工制作了26 组78 个DDRHGS 连接接头试件，开展了单向拉伸加载试验，分析了DDRHGS 连接接头试件的破坏模式、承载力和变形能力。本文的研究成果可为灌浆套筒连接装配式结构的高质量建设提供参考。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

本研究共设计制作了表1 所示的26 组DDRHGS连接接头试件，试件编号规则如图2 所示。

表1 试件主要参数Table 1 Parameters of specimens

图2 试验试件编号规则Fig. 2 Numbering rule of test specimens

试验试件包括以下3 类：

1)无缺陷试件。该类试件灌浆饱满，是试验的对比组试件。

2)灌浆缺陷试件。为了研究不同灌浆缺陷率对套筒连接拉伸性能的影响，设计了4 种灌浆缺陷率(15%、30%、45%和60%)的接头试件，其中灌浆缺陷率为实际灌浆液面高度与预期灌浆液面高度(图3 中l0)的比值。制作该类构件时，根据缺陷率计算实际灌浆量，由于单个试件灌浆质量易控制，因此灌浆液面可达到预期高度，内镜检测也表明各试件均达到了预期高度。

3)灌浆缺陷修补试件。为了研究修补后连接试件的拉伸性能，验证DDRHGS 的修补功能，并探究初次灌浆缺陷率对修补效果的影响，设计了4 种初次灌浆缺陷率(15%、30%、45%和60%)的灌浆缺陷修补试件，各试件均修补至预期液面高度。同时，为了对比分析不同修补材料对修补效果的影响，分别采用同批次灌浆料和植筋胶两种材料修补的试件。

本文在此选择了两种典型直径的钢筋：一种为常用于剪力墙构件的12 mm 直径钢筋；另一种为常用于框架柱构件的20 mm 直径钢筋。用以研究不同钢筋直径对DDRHGS 性能的影响，连接两种直径钢筋的灌浆套筒几何尺寸如图3 和表2 所示。

图3 DDRHGS 试件几何尺寸图Fig. 3 Dimension of test specimens

表2 套筒试件尺寸参数 /mmTable 2 Geometric properties of test specimens

综上所述，本研究综合考虑有无灌浆缺陷、灌浆缺陷率、是否修补、修补材料种类、钢筋直径等因素影响，系统研究缺陷可检修型半灌浆套筒连接的拉伸性能。为考虑试件的离散性，各组试件分别制作了3 个试件，形成了2 组6 个无缺陷试件、8 组24 个灌浆缺陷试件和16 组48 个灌浆缺陷修补试件，共26 组78 个试件。

为模拟实际工程应用情景，无缺陷试件和灌浆缺陷试件在室温下养护28 d。灌浆缺陷修补试件在首次灌浆初凝后进行修补作业，随后养护28 d。

1.2 材料性能

接头试件DDRHGS 采用45#钢材制作，屈服强度标准值为355 MPa。钢筋牌号为HRB400，材性试验结果见表3。采用6 个40 mm×40 mm×160 mm棱柱体试块(JG/T 408−2013[14])测得的灌浆料抗压强度平均值为76.8 MPa。植筋胶为环氧树脂植筋胶，采用5 个10 mm×10 mm×15 mm 棱柱体试块(GB/T 2567−2008[15])测得的抗压强度平均值为103 MPa。12 mm 和20 mm 直径钢筋的屈服荷载分别为51.11 kN 和141.28 kN，极限荷载分别为69.90 kN 和208.95 kN。

表3 钢筋力学性能Table 3 Mechanical properties of reinforcements

1.3 加载和量测方案

DDRHGS 接头试件采用200t 万能试验机进行单向拉伸加载试验，试验装置如图4 所示。加载速率为1.0 MPa/s。试验全程通过DH 3816N 数据采集系统实时监测记录试验机荷载和试件两端的相对位移。

图4 试验加载装置Fig. 4 Test setup

2 试验结果与分析

2.1 实验现象与破坏模式

试验中DDRHGS 接头试件出现了2 种破坏模式，分别是钢筋拉断破坏和钢筋滑移破坏，如图5所示。根据《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》(JGJ 355−2015)[16]，灌浆套筒连接接头的合理破坏模式应为连接接头外钢筋拉断。具有这种破坏模式的套筒连接可以充分利用钢筋的材料强度，变形能力强，且极限强度变异性小，可以保证连接的可靠性。而钢筋滑移破坏发生时，钢筋尚未拉断，难以保证钢筋连接的可靠性。表4 列出了各试件的破坏模式，从表中可以看出：

图5 试件破坏模式Fig. 5 Damage modes of test specimen

表4 主要试验结果(各组平行试件均值)Table 4 Summary of test results (average value of each group of parallel specimens)

1)无缺陷试件。均为钢筋拉断破坏。说明本文提出的DDRHGS 接头试件在灌浆饱满时具有合理的破坏模式。

2)灌浆缺陷试件。缺陷率为15%和30%的试件均为钢筋拉断破坏；缺陷率为45%的试件中，仅有1 个直径为12 mm 的试件为钢筋拉断破坏，其余5 个试件均为钢筋滑移破坏；缺陷率为60%的试件均为钢筋滑移破坏。因此，灌浆缺陷率对DDRHGS 连接拉伸性能具有显著影响，较高的缺陷率会导致钢筋滑移破坏。根据本研究的试验，对于直径为12 mm 和20 mm 的钢筋，保证破坏模式为钢筋拉断的灌浆缺陷率不宜超过30%。

3)灌浆缺陷修补试件。均为钢筋拉断破坏。说明本文提出的DDRHGS 在灌浆缺陷修补后，接头试件呈现出钢筋拉断破坏模式，修补材料和初次灌浆的缺陷率对修补后的破坏模式基本没有影响。

2.2 荷载-位移曲线

无缺陷试件与各组试件的荷载-位移曲线对比如图6～图8 所示。各组的3 个平行试件在破坏模式一致时，荷载-位移曲线接近且具有一致的特征，本文在此给出其中一条曲线用于对比。对于直径为12 mm、缺陷率为45%且未修补的试件，由于出现了两种不同的破坏模式，本文在此给出两条曲线。

无缺陷试件在试验中均为钢筋拉断破坏模式，因此，其荷载-位移曲线与典型的钢筋拉伸荷载-位移曲线相似。

缺陷率为15%和30%的试件与无缺陷试件整体差别不大。对于缺陷率为45%、直径为12 mm的构件，仅一个构件发生了钢筋拉断破坏，其曲线与无缺陷钢筋基本一致，其余两个试件在较大位移下(约60 mm)时发生滑移破坏，其变形能力约为无缺陷试件的80%。对于缺陷率为45%、直径为20 mm 的构件，均在40 mm 左右发生了滑移破坏，小于12 mm 直径试件的破坏位移，其变形能力约为无缺陷试件的54%。

对于缺陷率为60%的试件，其破坏模式均为钢筋滑移破坏，从图6 中可以看出，发生滑移破坏的试件(60%缺陷率试件和绝大部分45%缺陷率试件)的荷载-位移曲线与无缺陷试件存在显著区别。具体而言，荷载-位移曲线的弹性段、屈服段和强化段的前期与无缺陷试件较为一致。在强化段，钢筋强度随位移增大而提高，当强化到一定程度导致拉力超过了钢筋与灌浆料之间的粘结力，钢筋被拔出，试件承载力降低。该类试件峰值承载力对应的位移(如60%缺陷率试件位移均为20 mm 左右)小于无缺陷试件的相应位移(约为74 mm 左右)。由于在钢筋拔出的过程中钢筋与灌浆料之间始终存在一定的粘结强度，曲线下降段相对平缓，与无缺陷试件的曲线陡降段具有显著区别。

图6 无缺陷试件与灌浆缺陷试件荷载-位移曲线对比Fig. 6 Comparison of the load-deformation curves of nondefect specimens and grouting defected specimens

对比缺陷率45%和60%组试件可以看出，缺陷率为60%的试件的变形和承载力显著小于缺陷率为45%的试件。在低缺陷率下钢筋直径对于变形能力影响较大，在高缺陷率下钢筋直径影响则相对较小。

灌浆缺陷修补试件与无缺陷试件荷载-位移曲线对比如图7 和图8 所示。灌浆缺陷修补试件的破坏模式均为钢筋拉断破坏，其荷载-位移曲线与无缺陷试件基本一致，验证了本文所提出的DDRHGS修补功能的可靠性。同时值得注意的是，修补材料和初次灌浆的缺陷率对荷载-位移曲线的影响基本可以忽略。

图7 无缺陷试件与灌浆料修补缺陷试件荷载-位移曲线对比Fig. 7 Comparison of the load-deformation curves of nondefect specimens and grout-repaired specimens

图8 无缺陷试件与植筋胶修补缺陷试件荷载-位移曲线对比Fig. 8 Comparison of the load-deformation curves of nondefect specimens and epoxy-repaired specimens

2.3 承载力

《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》(JGJ 355−2015)[16]对灌浆套筒的连接接头的承载力性能的要求如下：

1)屈服强度比Ry。接头试件的屈服强度fy不应小于连接钢筋的屈服强度标准值fsyk，即：

2)抗拉强度比Rs。接头试件的抗拉强度fu不应小于连接钢筋的抗拉强度标准值fstk，即：

表4 和图9 中列出了各组试件拉伸试验中屈服荷载Py、峰值荷载Pu、抗拉强度比Rs和屈服强度比Ry的平均值。本节具体分析DDRHGS 接头试件的承载力性能和影响因素。

图9 各组试件抗拉强度比、屈服强度比和延性系数Fig. 9 Ry, Rs and Rd of test specimens

从表4 和图9 中可以看出，所有试验试件的屈服强度比Ry均大于1，满足规范要求。相同钢筋直径的各试件的Ry差异并不显著，钢筋直径为12 mm 的试件的Ry的平均值和标准差为1.15 和0.03，钢筋直径为20 mm 的试件的Ry的平均值和标准差为1.10 和0.04。这是由于试验中各试件钢筋均发生了屈服，Ry主要取决于钢筋的实际屈服强度。

无缺陷试件的抗拉强度比Rs为1.18(钢筋直径12 mm)和1.20(钢筋直径20 mm)，均满足规范要求。缺陷率为15%、30%和45%的试件Rs不小于1.16，满足规范要求，且与无缺陷试件接近；缺陷率为60%的试件Rs仅为0.87(钢筋直径12 mm)和0.88(钢筋直径20 mm)，不满足规范要求。因此，灌浆缺陷率对DDRHGS 接头试件的承载力具有显著的影响，当缺陷率较高时，承载力难以满足规范要求，应予以修补。

灌浆缺陷修补试件的Rs均不小于1.16(钢筋直径12 mm)和1.21(钢筋直径20 mm)，满足规范要求。值得注意的是，初次灌浆缺陷率和修补材料对修补后的Rs并无显著影响，各灌浆缺陷修补试件Rs的平均值和标准差分别为1.19 和0.03。

以上分析表明，灌浆缺陷率达到60%的DDRHGS 的拉伸承载力难以满足规范要求，本文提出的DDRHGS 灌浆套筒在灌浆缺陷修补后承载力性能与无缺陷套筒相当，可满足规范对承载力的要求。

2.4 变形能力

为保证灌浆套筒连接的节点的抗震性能，灌浆套筒连接接头应具备一定的变形能力。灌浆套筒接头的变形能力可通过破坏位移Δu与屈服位移Δy之比，即延性系数Rd评价。美国规范ACI 318[17]和文献[1]建议，Rd应不小于4，即：

各组DDRHGS 灌浆套筒接头试件的Rd如表4和图9 所示。可见，无缺陷试件的Rd为7.22(钢筋直径12 mm)和5.65(钢筋直径20 mm)，均满足上述要求，说明本文提出的DDRHGS 灌浆套筒接头试件在灌浆饱满时具有理想的变形能力。

灌浆缺陷为15%和30%的试件Rd均大于4，同样具有理想的变形能力。灌浆缺陷为45%的试件中，直径为12 mm 的试件Rd为5.60，满足要求，但直径为20 mm 的试件Rd仅为3.73，变形能力不足，这是直径为20 mm 的灌浆套筒缺陷试件在45%缺陷率时的变形能力远小于直径为12 mm的试件。灌浆缺陷为60%的试件Rd仅为1.48(钢筋直径12 mm)和1.61(钢筋直径20 mm)，结合图6可知，这是由于该组试件在屈服后经历了很短的强化段后即发生钢筋滑移破坏，变形能力最差。

灌浆缺陷修补试件的Rd均大于4，且与无缺陷试件的Rd基本相当。初次灌浆缺陷率和修补材料对修补后的Rd同样不存在显著影响。DDRHGS灌浆套筒在灌浆缺陷修补后变形能力与无缺陷套筒相当，满足变形需求。

3 结论

本研究提出了一种灌浆缺陷可检修型半灌浆套筒(DDRHGS)，可实现灌浆套筒的施工质量检测和灌浆缺陷的修补。为了验证新型套筒连接接头的拉伸性能和修补功能的可靠性，本研究综合考虑有无灌浆缺陷、灌浆缺陷率、是否修补、修补材料种类、钢筋直径等因素影响，设计制作了26 组78 个DDRHGS 连接接头试件，开展了单向拉伸加载试验，分析了DDRHGS 连接接头试件的破坏模式、承载力和变形能力，主要结论如下：

(1)直径为12 mm 和20 mm 的DDRHGS 连接接头试件在无施工质量问题时均具有良好的拉伸性能，呈现钢筋拉断破坏模式，其承载能力和变形能力满足相关规范要求。

(2)灌浆缺陷率对DDRHGS 连接接头试件的拉伸性能影响最为显著。当缺陷率不超过30%时本文研究的试件与无缺陷试件性能基本相当；当缺陷率为45%时试件整体呈现出钢筋滑移破坏模式，随着直径的增大，变形能力逐渐减小；当缺陷率达到60%时，其破坏模式、承载能力和变形能力均无法满足相关规范要求。

(3) DDRHGS 的灌浆缺陷修补功能整体可靠，试验中48 个灌浆缺陷修补试件均呈现出钢筋拉断破坏模式，且承载能力和变形能力与无缺陷试件基本相当。选用同等级灌浆料和植筋胶作为修补材料均可保证修补质量。