早期振动对钢筋套筒灌浆连接受力性能影响的试验研究

刘敏敏，刘 洋，石 彪，朱清华，盖玉迪

(1 北京市住宅建筑设计研究院有限公司， 北京 100005； 2 华北科技学院建筑工程学院， 北京 101601； 3 北京思达建茂科技发展有限公司， 北京 100088)

0 引言

近年来，国家大力推进建筑产业现代化和促进传统建筑业转型升级，与此同时，随着我国国民经济的迅速发展，城市用地和交通也日益紧张，大力发展轨道交通体系也成为当前我国各大城市所关注的焦点。能够充分利用轨道交通车辆段上部空间，完美地将工业建筑、民用建筑与轨道交通体系有机结合，使得轨道交通与周围建筑开发能够和谐融为一体，共同促进发展，是我国各大城市纷纷研究地铁车辆段上盖建筑开发的根本原因。

根据我国多年来在装配式混凝土结构建筑中获取的经验，轨道交通车辆段综合利用装配式建筑有多方面问题需要研究，其中装配式混凝土结构的钢筋连接问题是首要问题。北京普遍采用的钢筋连接方式为套筒灌浆连接，此连接形式依靠高强灌浆料与钢筋、套筒之间的粘结实现力的传递。目前国内在套筒灌浆连接的受拉性能[1-4]、筒壁应力分析[5]、循环荷载作用下的连接性能[6]，以及灌浆缺陷对连接性能的影响[7]等方面均有一定的研究，但振动对套筒灌浆连接性能的影响研究较少。车辆段上盖项目与普通平地项目的较大环境差别是车辆运行带来的微振动，本文针对振动对套筒灌浆连接性能的影响进行研究。

1 试验概况

1.1 试件设计

按照《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》(JGJ 355—2015)[8](简称灌浆连接规程)的要求，试验共制作了15组试件，以振动频率、振幅和钢筋直径d为变量，对钢筋套筒灌浆连接试件进行单向拉伸试验和型式检验。15组试件中含一组大振幅试件，其钢筋直径14mm,频率2Hz，振幅1mm，探寻振幅对套筒连接影响的边界情况。试件选用GT4系列钢筋半灌浆球墨铸铁套筒、CGMJM-Ⅵ型高强水泥基灌浆料和HRB400E级抗震钢筋，钢筋锚入套筒长度为8d。试件参数见表1，试件及模拟振动装置见图1。

图1 模拟振动装置及套筒连接试件

1.2 试件材料

取与试件同批次GT4/14，GT4/20套筒，按照《钢筋连接用灌浆套筒》(JG/T 398—2012)[9]要求进行材料性能检测，检测结果如表2所示。选取同批次钢筋试件3个，进行钢筋的单向拉伸试验，检测结果如表3所示。

套筒灌浆连接试件参数 表1

GT4型半灌浆套筒材料性能 表2

钢筋实测力学性能 表3

灌浆料采用设计强度为85MPa的CGMJM-Ⅵ型高强水泥基灌浆料，依据《钢筋连接用套筒灌浆料》(JG/T 408—2013)[10]，同条件下制作40mm×40mm× 160mm棱柱体试块，实测28d抗压强度为92MPa。

1.3 试验方法

试验设计制作试件固定架，通过一台功率为200W、扭矩为12N·m的步进电机实现振动，对灌浆完成后的试件进行连续24h振动扰动，采用百分表复测试件振动位移。对3组20-F2-A3试件组进行型式检验，包括单向拉伸试验、高应力反复拉压试验和大变形反复拉压试验，对其他12组试件组进行单向拉伸试验，如图2所示。试验方法按照《钢筋机械连接技术规程》(JGJ 107—2016)[11]和灌浆连接规程有关规定执行，采用卡尺测量试件有效区段的伸长值。单向拉伸试验在实验室完成，型式检验在国家建筑工程质量监督检验中心进行。

图2 单向拉伸试验

2 型式检验结果

对3组20-F2-A3试件组依据灌浆连接规程的有关规定，对灌浆料在受到振动荷载影响情况下凝固所形成的灌浆套筒接头进行成组型式检验，试件编号分别为20-F2-A3-01～20-F2-A3-03，20-F2-A3-04～20-F2-A3-06， 20-F2-A3-07～20-F2-A3-09，检验结果见表4～6。

单向拉伸性能检验数据 表4

高应力反复拉压性能检验数据 表5

大变形反复拉压性能检验数据 表6

钢筋套筒灌浆连接接头在单向拉伸、高应力反复拉压、大变形反复拉压下的抗拉强度和残余变形性能均满足灌浆连接规程的相关要求。

3 拉伸试验结果分析

对以直径、振幅和频率为变量的12组试件组进行拉伸试验。试验结果表明：钢筋套筒灌浆连接接头屈服强度不小于连接钢筋屈服强度标准值；钢筋套筒灌浆连接接头抗拉强度不小于连接钢筋抗拉强度标准值，满足灌浆连接规程关于连接接头的强度性能要求。

3.1 破坏形态

试件的破坏形态见图3。在连接接头破坏前钢筋均已达到屈服，试件破断于接头外钢筋；在破坏试件套筒端部，出现灌浆料深度为10～20mm的锥形脱落现象。

图3 试验破坏后试件

从表7数据看出，试件破坏方式均为钢筋拉断破坏。直径14mm钢筋屈服强度范围为451～489MPa，平均值465MPa；极限强度范围为598～635MPa，平均值610MPa。直径20mm钢筋屈服强度范围为445～457MPa，平均值451MPa；极限强度范围为572～581MPa，平均值575MPa。试件测试结果与钢筋试件实测结果基本一致，破坏形态一致。

3.2 荷载-变形曲线

图4为相同钢筋直径、相同振动频率、不同振幅下，典型试件的荷载-变形关系曲线。试件的变形主要为钢筋的变形，同时也受灌浆接头处变形的影响，由图可知，各试件的荷载-变形曲线大致相同，试件的破坏变形随振幅的增大呈现出增大的趋势，但差异不大。由此说明，振动荷载中振幅的增大对于套筒灌浆接头的受力性能有着不利的影响，但影响幅度较小。同时注意到，1mm振幅的14-F2-A4试件组的破坏变形出现了明显的减小，由于本次试验1mm振幅试件较少，无法做出分析，针对此问题应做进一步的研究。

图4 不同振幅下典型试件的荷载-变形关系曲线

图5为两种钢筋直径下，振幅相同、振动频率不同时典型试件的荷载-变形关系曲线。从图中可以看出，不同振动频率下，试件的荷载-变形曲线基本重合，极限荷载与破坏变形并没有随振动频率的增加呈现出一定的变化规律。说明振动荷载中振动频率的变化对试件受力性能的影响很小。

图5 不同振动频率下典型试件的荷载-变形关系曲线

单向拉伸试验结果 表7

图6为两种振幅下，振动频率相同、钢筋直径不同时典型试件的荷载-变形关系曲线。从图中可以看出，试件破坏前，相同应力条件下直径20mm钢筋接头的变形大于直径14mm钢筋接头的变形。

图6 不同钢筋直径典型试件的应力-变形关系曲线

3.3 钢筋偏心现象

对试件进行观察，可发现原本钢筋对中设计制作的各组接头试件均出现了不同程度的偏心现象(图7)。比较发现，振幅越大，偏心越大，14-F2-A4试件组(振幅1mm)钢筋基本紧贴套筒内壁。产生此现象的原因为试验施加的振动荷载为单向荷载，并非往复荷载，此点与实际振动情况(往复振动)有差异，但此差异对套筒灌浆连接接头的性能有不利影响，因此不影响结论的正确性。

图7 接头钢筋偏心现象

4 结论

(1)灌浆料凝固期内，受振动荷载影响的钢筋套筒灌浆连接试件经检验破坏状态均为套筒外钢筋拉断破坏，其单向拉伸、高应力反复拉压及大变形反复拉压性能均满足灌浆连接规程的相关要求。

(2)振动荷载中振幅的增大对于钢筋套筒灌浆连接试件的受力性能有着不利的影响，但影响幅度较小。

(3)低频率振动荷载中振动频率的变化对钢筋套筒灌浆连接试件受力性能的影响很小。

(4)试件破坏前，相同应力条件下，大直径钢筋的连接试件变形大于小直径钢筋的接头变形。

(5)单向的振动荷载造成钢筋在连接套筒内偏置，但连接性能仍能满足相关规范要求。