新型钢筋灌胶套筒搭接接头力学性能研究

尚丽诗,戴绍斌,杨 航

(武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070)

1 概述

近年来，我国建筑市场体量巨大，建筑工业化发展迅猛，预制装配式混凝土结构凭借其施工速度快、机械化程度高、节约劳动成本、减轻城市污染问题等优点被越来越多地运用到建筑工程中，成为推动我国建筑业转型升级的关键技术。

在预制装配式混凝土框架结构的设计方案中，结构柱作为承担竖向荷载和水平荷载的重要构件，其力学性能保障尤为重要。国内外学者对预制装配式框架柱的钢筋连接方式进行了较多理论分析和试验研究[1-8]，在装配式施工中运用较为普遍的是灌浆套筒连接方式，该技术虽已较为成熟，但因为套筒成本较高，限制了其在工程上的大规模推广[9]。除此之外，还存在灌浆料无法在高温天气(>30 ℃)和低温天气(<0 ℃)施工、灌浆料质量不符合标准、施工精度等问题。

为降低装配式建筑中钢筋连接成本，本文在总结已有研究的基础上，提出了一种受力性能可靠、受温度影响较小、施工方便的钢筋灌胶搭接连接方式。该方式采用结构胶代替传统的灌浆料，不仅有很好的流动性，初凝时间也更短，在高温天气和低温天气都能正常施工，质量有保障。另外，采用Q235矩形钢管和圆形钢管两种套筒代替特制金属套管，不仅成本低，加工起来也可按需任意截断，非常简单。

2 试验研究

2.1 试件设计

本文使用Q235级外尺寸为25 mm×50 mm矩形套筒和外径为45 mm的圆形套筒(两种套筒壁厚均为2 mm)、公称直径为16 mm的HRB400级钢筋和环氧型灌注结构胶设计了两种新的灌胶套筒，以钢筋搭接长度、套筒形状、灌注结构胶的种类为变化参数，制作了3组15个钢筋灌胶搭接接头试件。试件设计几何尺寸如图1所示，具体设计参数如表1所示。

表1 试件参数

2.2 试件材料性能

2.2.1 钢筋材料性能

试件钢筋为HRB400级螺纹钢，直径均为16 mm，随机取三根钢筋通过拉伸实验得到其材料力学性能，如表2所示。

表2 连接钢筋材料性能

2.2.2 灌胶料材料性能

钢筋连接使用的结构胶为改性环氧树脂胶黏剂-环氧型灌注结构胶，其抗拉强度为32 MPa,抗弯强度为77 MPa，伸长率为1.4%，钢-钢拉伸抗剪强度标准值为17 MPa，钢-钢黏结抗拉强度为17 MPa，符合GB 50728—2011中(表4.2.2-3)以混凝土为基材，锚固用结构胶基本性能鉴定中Ⅰ类胶A级的技术要求。

试验设计的3组15根试件，其中第1组和第3组10根试件的灌胶料为结构胶，第2组5根试件的灌胶料为结构胶中掺入10%的 40目～80目的石英砂[10]。

2.3 测量内容与方法

试件在常温下养护7 d后[11]，采用武汉理工大学检测站实验室WAW-1 000 kN电液伺服万能试验机进行拉伸试验，当钢筋拉断或拔出时终止实验，并由电脑自动记录实验数据，如图2所示。与此同时，为研究套筒在加载过程中的应变变化规律，在套筒上贴有环向和纵向应变片各3个，运用1/4桥的方式用TST3822EW静态信号测试分析系统应变仪采集应变数据，如图3所示。

3 实验结果及分析

3.1 实验结果

经试验加载至破坏后，试件屈服强度、极限强度、伸长率及其破坏形态如表3所示。对比表2，表3可知，灌胶套筒试件的屈服强度和极限强度接近钢筋材料性能试验所测结果。依据JGJ 107—2016钢筋机械连接技术规程中对接头极限抗拉强度的规定(表3.0.5)，除f-10d-s,y-10d-j两根接头试件满足Ⅲ级接头标准等级外，其余13根试件均满足Ⅰ级接头标准[12]。

表3 实验结果

试件整体来说分为两种破坏形态：1)试件钢筋在灌胶套筒外部发生断裂破坏;2)试件钢筋直接从灌胶套筒中拔出。其中13根试件为钢筋断裂破坏，2根试件为钢筋拔出破坏，几乎所有的试件均为断裂破坏，说明此种接头具有较好的连接性能。

实验中f-10d-s，y-10d-j两根接头试件的钢筋被拔出，说明灌注结构胶与钢筋之间的黏结力、机械咬合力和摩擦力的合力，即该接头的极限承载力弱于钢筋本身的承载力。钢筋拔出破坏的两根试件搭接长度相同，均为160 mm，分析其破坏的原因主要为锚固长度较短，连接钢筋与灌胶料之间的机械咬合力较弱，导致钢筋与结构胶之间的黏结力较小；连接钢筋在拉伸的过程中，横截面积不断缩小，这也会使钢筋和灌胶料之间的握裹作用变小，导致钢筋拔出。此外，这两根试件均为强化阶段拔出，说明试件的锚固长度已达到临界锚固长度，此种连接方式要保证受力可靠，钢筋锚固长度不小于11d即可。

3.2 实验参数影响分析

影响灌胶接头试件力学性能的参数包括套筒的形状、灌胶料的种类、钢筋锚固长度，分别对不同影响因素下试件的应力-应变曲线、套筒应变规律和破坏形态等进行分析。

3.2.1 套筒形状的影响

本次实验设计了10根矩形套筒试件和5根圆形套筒试件，两种形状的套筒均有1根为钢筋拔出导致的试件破坏。观察图4中11d和14d两种锚固长度试件的应力-应变曲线，发现其曲线走势与钢筋拉伸应力-应变曲线相同，分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段这四个阶段，且在其他条件相同的情况下，圆形套筒试件的极限应变与矩形套筒试件相比略大，而两种形状套筒试件的屈服强度和极限强度接近，无明显区别。

综上，两种形状套筒对应的试件屈服应力和极限应力无明显差别，接近钢筋本身的屈服应力和极限应力，经实验证明此种连接方式是可靠的。对比实验选取的尺寸为25 mm×50 mm矩形套筒和直径为45 mm的圆形套筒，矩形套筒面积减去钢筋面积后的有效灌胶面积为765 mm2,圆形套筒有效灌胶面积为1 119 mm2，相比之下矩形套筒灌胶量仅为圆形套筒的68%。因此，在进行连接件套筒设计时，建议选用壁厚2 mm的矩形钢管。

3.2.2 钢筋锚固长度的影响

在实验选取的5种锚固长度试件中，锚固长度为10d的3根试件中有2根发生钢筋拔出破坏，且其极限强度均比钢筋极限强度低约5%。观察图5，图6可知，钢筋拔出破坏的试件，其破坏过程与钢筋拉伸试验破坏过程不同，分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、拔出阶段这四个阶段，试件应力在钢筋拔出的一瞬间发生陡降，在拔出过程中应力大致呈线性下降，最终残余应力约为极限应力的50%，试件表现出较好的残余承载力；锚固长度为11d,12d,13d和14d的试件均发生钢筋断裂破坏，且极限强度接近钢筋极限强度。

综上，钢筋临界锚固长度为10d，为保证连接件受力可靠，应保证钢筋锚固长度不小于11d。

3.2.3 灌胶料种类的影响

观察图4可知，对于搭接长度为11d时的矩形套筒试件，只用结构胶作为灌胶料时试件的屈服强度为435 MPa，极限强度为605 MPa，在结构胶中掺石英砂时试件的屈服强度为435 MPa，极限强度为595 MPa；对于搭接长度为14d时的矩形套筒试件，只用结构胶作为灌胶料时试件的屈服强度为430 MPa，极限强度615 MPa，在结构胶中掺石英砂时试件的屈服强度为425 MPa，极限强度为600 MPa。所以，相比只用结构胶作为灌胶料，掺入一定比例的石英砂并未提高试件的承载能力，反而使承载力略微下降。分析可能是石英砂颗粒过大使得钢筋与结构胶之前有微小的孔隙，降低试件整体承载力；或因未对石英砂颗粒表面进行处理，缺乏与环氧树脂结构胶的浸润性，降低了固化物的强度。

3.2.4 套筒应变规律

选取f-13d-j,y-11d-j两根试件，作出其钢筋应力-套筒应变曲线如图7，图8所示，其中应变为正时表示拉应变，应变为负时表示压应变。锚固长度为13d的矩形套筒最大应变为1.064×10-3，远小于该套筒对应试件的极限应变155.4×10-3；锚固长度为11d的圆形套筒最大应变为0.488×10-3，远小于该套筒对应试件的极限应变136.4×10-3，说明Q235钢材两种形状的钢管作为连接钢筋的套筒在实验过程中应变较小，满足强度要求。

由图7，图8可知，在试件弹性阶段，除测点4快速由压应变转变为拉应变外，套筒轴向应变整体为拉应变，环向应变整体为压应变，且随着应力的增大而增大；在试件屈服后，应变增速放缓，直到最后呈降低趋势，轴向拉应变逐渐向0靠拢甚至变为压应变，环向应变也逐渐向0靠拢甚至变为拉应变。分析轴向应变的变化可能是试件在屈服后，套筒与灌胶料之间有微小的滑移，释放了部分应力；分析环向应变的变化可能是试件在屈服后，由于泊松效应的影响，钢筋直径不断缩小，从而使钢筋横肋与灌胶料之间产生滑移，灌胶料产生裂缝并不断扩大，导致套筒对灌胶料产生环向约束应力。

4 结论

通过对15个钢筋灌胶套筒搭接接头试件进行静力拉伸试验研究，可得出以下结论:

1)在其他参数相同的情况下，矩形套筒试件与圆形套筒试件相比，屈服强度和极限强度接近，均能满足强度要求，而矩形套筒灌胶量仅为圆形套筒的68%，更加经济，建议优先采用矩形套筒。2)接头试件有钢筋拔出和钢筋断裂两种破坏形式，当锚固长度不小于11d时试件破坏形态均为钢筋断裂破坏，破坏过程与钢筋拉伸试验相同，且满足JGJ 107—2016钢筋机械连接技术规程中Ⅰ级接头的抗拉强度标准。3)用结构胶代替传统灌浆料，试件表现出较好的力学性能，而在结构胶中掺入一定比例的石英砂，对连接件破坏形态及其承载力影响较小。4)在三个影响参数中，钢筋锚固长度对连接件的破坏形态影响最大，钢筋搭接长度为10d的接头试件多发生钢筋拔出破坏，且其极限强度相比钢筋极限强度降低约5%;钢筋搭接长度不小于11d的接头试件均发生钢筋断裂破坏。故在进行搭接长度设计时，建议钢筋最小搭接长度选为11d。