钢筋全灌浆套筒连接试件高温后抗拉性能试验研究

2022-12-06孙可可吴焕娟

工程质量 2022年11期

张超，郭奇，孙可可，吴焕娟，张硕

（1.中电投工程研究检测评定中心有限公司，北京 100142；2.中质华兴（北京）技术检测有限责任公司，北京 102446）

0 引言

装配式混凝土结构钢筋连接方式中钢筋套筒灌浆连接是较为重要的一种。随着我国建筑工业化的飞速发展，装配式建筑已经被大量使用，而装配式混凝土建筑也是最常使用的建筑方式。当装配式建筑发生火灾后，钢筋套筒灌浆连接损伤情况和可靠性是影响装配式建筑安全的重要因素，需要进行全面的评估。

王国庆［1］对高温下不同直径钢筋、不同高温的钢筋套筒灌浆连接进行了试验研究，得出了相应的破坏规律和极限承载力。邓曦［2］对钢筋半灌浆套筒连接在高温下和高温后的力学性能进行了系统的试验研究，并推导了高温下和高温后极限位移与温度的关系。谷凡［3］对高温作用后的钢筋灌浆套筒力学性能进行了有限元分析，高温荷载采用 ISO-834 标准升温曲线，研究结果表明，随着受火时间的增加，钢筋套筒灌浆连接构件的极限拉伸荷载随之降低。上述学者对高温下和半灌浆钢筋套筒灌浆的力学性能研究较多，较少关注全套筒灌浆高温后受力性能的损伤试验研究。因此，本文考虑实际火灾工况和钢筋埋设位置的影响，依据 ISO-834 标准升温曲线，对高温后钢筋连接灌浆套筒温度场进行试验研究，得出高温后套筒连接破坏模式和承载力影响参数，为高温后钢筋连接灌浆套筒提供借鉴。

1 试验概况

1.1 试件设计

试验共 30 个试件，受火时间包括 5 min、15 min 和30 min，每种试件共计 10 个。灌浆套筒材质为 Q345B 无缝钢管，规格型号为 GTQ4J－16，套筒长度为 280 mm，外径 38 mm，内径 31 mm，灌浆料采用北京市市政工程研究院常温型套筒灌浆料 CTGM 型，料水比为 1∶0.12（质量比）。钢筋强度等级为 HRB400，直径为 14 mm，钢筋在套筒内的搭接长度为 140 mm。根据 JGJ 355－2015《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》［4］规定，对于钢筋偏置接头，应保证一端钢筋插入灌浆套筒中心，一端钢筋偏置后钢筋横肋与套筒壁接触。钢筋灌浆套筒连接试件如图 1 所示。火灾后钢筋灌浆套筒试验参数如表 1 所示。

图1 钢筋灌浆套筒连接试件

表1 火灾后钢筋灌浆套筒试验参数

1.2 材料力学性能

试验时，灌浆料性能指标如表 2 所示。钢筋拉伸试验采用拉力机（见图 2）完成，钢筋屈服强度为376 MPa，抗拉强度为 630 MPa。套筒为中建二局洛阳机械有限公司生产，套筒屈服强度为 378 MPa，抗拉强度为 785 MPa。

表2 高强灌浆料性能指标

图2 钢筋拉伸试验

1.3 加载方案

将套筒放置于电阻炉内，并依据 ISO-834 标准升温曲线进行设置后对钢筋灌浆套筒进行升温处理，电阻炉［见图 3（a）］加热最高温度 1 200 ℃，最大可加热400 mm×600 mm×800 mm 试件，升温时间包括 5 min、15 min 和 30 min，根据公式（1）可知，三个升温时间对应的最高温度分别为 576 ℃、739 ℃ 和 847 ℃。升温阶段完成后，将套筒置于室温进行自然降温；当套筒整体温度降至常温后，在拉力试验机［见图 3（b）］上进行单向拉伸试验。ISO-834 标准升温曲线方程为：

图3 试验设备

式中：t为试验所经历的时间，min；θ为t时刻的温度，℃；θ0为试验炉内初始温度，℃。不同升温时间温度-时间曲线如图 4 所示。

图4 不同升温时间温度-时间曲线

2 试验结果

2.1 极限承载力和破坏形态

明显，表面残留灌浆料变成灰白色；对于高温 30 min 试件，套筒和钢筋表面逐渐被烧红，灌浆孔和出浆孔处灌浆料呈灰白色。

图5 高温后灌浆套筒形态

图 6 为高温后灌浆套筒破坏形态，主要包括钢筋拉断和钢筋刮犁式破坏。

图6 高温后灌浆套筒破坏形态

表 3 为高温后灌浆套筒的极限承载力，当受火时间为 5 min 和 15 min 时，破坏形态为钢筋拉断，影响极限承载力主要因素为钢材高温后强度。当温度达到 576 ℃和 739 ℃ 时，火灾后钢材屈服强度折减系数分别为 0.877 和 0.818，因此，受火时间为 5 min 和 15 min 时，套筒灌浆连接极限承载力较为接近。当受火时间为 30 min 时，由于其破坏形态变为钢筋刮犁式破坏，其极限承载力主要取决于高温后灌浆料与钢筋之间的粘结强度，由于高温作用的影响，粘结强度明显降低，其极限承载力明显下降。根据表 3 可以看出，钢筋偏置位置对承载力极限和破坏形态影响较小；随着受火时间的逐渐增大，灌浆套筒的破坏形态由钢筋拉断变为钢筋刮犁式破坏。

表3 高温后灌浆套筒最终破坏形态

2.2 承载力分析

根据 T/CECS 252－2019《火灾后工程结构结构鉴定标准》［5］附录 G.0.2 规定，钢筋高温冷却后的屈服强度折减系数可按表 4 进行计算。高温作用后，钢筋与套筒之间的粘结强度折减可依据表 4 进行计算。对于高温后钢筋与灌浆料之间粘结强度的影响，不少学者进行了详细的研究，Einea［6］提出了钢筋与灌浆料之间的平均粘结强度τ的计算公式（2）。

表4 钢筋高温冷却的屈服强度折减系数

式中：k为常数，本文中取值为1.43；fc为高温下灌浆料的抗压强度。

式中：fcu（T）表示高温下立方体的抗压强度，MPa；fcu表示常温下立方体抗压强度，MPa。

根据式（2）和式（3）可知，高温下灌浆料与钢筋之间的粘结强度取决于材料经历的最高温度和灌浆料本身的强度等级，当受火最高温度逐渐升高时，高温下灌浆料立方体抗压强度逐渐降低，钢筋与灌浆料之间的平均粘结强度降低，钢筋套筒灌浆抗拉强度降低。图 7 为高温时间-承载力关系图。可以看出，受火时间从 5 min 到 15 min，承载力变化不明显，受火时间 30 min，承载力下降较大。

图7 高温后灌浆套筒时间-承载力关系图

3 质量评价

根据 JGJ 355－2015《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》中的要求，钢筋套筒灌浆连接接头的抗拉强度不应小于连接钢筋抗拉强度标准值，且破坏时应断于接头外钢筋。当高温时间为 30 min 时，破坏形态为端部灌浆料拔出破坏，此时已不满足接头抗拉性能的质量要求。对实际装配式建筑火灾后连接损伤计算，现场检测结果应结合 T/CECS 252－2019《火灾后工程结构结构鉴定标准》混凝土构件表面特征与温度关系，并采用数值仿真分析，进行综合判断。