基于灌浆缺陷的半灌浆套筒力学性能研究*

任 刚，王 琼,2，张宗军，王长军，唐云刚，卢乐乐

(1.安徽海龙建筑工业有限公司，安徽 合肥 230601； 2.中建海龙科技有限公司，广东 深圳 518110；3.北京中建建筑科学研究院有限公司，北京 100084)

0 引言

实际施工过程中，影响灌浆套筒连接质量的主要因素有灌浆缺陷、钢筋上异物污染导致的缺陷、钢筋锚固长度不足等，半灌浆套筒可用于预制梁连接，水平灌浆完毕后，套筒端部胶塞封堵处可能出现漏浆情况，导致套筒水平方向上形成了空隙，减小了钢筋和灌浆料之间的摩擦力及锚固力，影响原有构件强度[1-3]。

1 试验概况

以丁少鹏[4]进行的33个半灌浆套筒钢筋连接件数据为参考，进一步进行参数化分析，分别建立6个带有不同施工缺陷的半灌浆套筒连接件，钢筋锚固长度为120mm，套筒模型如图1所示，参数如表1所示。缺陷厚度为3mm，缺陷长度按1d，2d，3d选取，d为钢筋直径，为14mm，缺陷类型设置为锚固端钢筋端部缺陷和中部缺陷。套筒编号为GT14，总长155mm，内径30mm，外径34mm，壁厚2mm，螺纹段长20mm。试件编号如表1所示，试件缺陷分布如图2所示。

表1 缺陷试件编号及说明

2 数值分析

2.1 材料参数

本文在丁少鹏[4]的研究基础上建立有限元模型，材料包括灌浆料、半灌浆套筒、钢筋。

2.1.1灌浆料

因灌浆料材料性能与高强度混凝土相似，故本文采用混凝土本构模型取代灌浆料本构模型[5]，如图3所示，采用ABAQUS软件中的混凝土塑性损伤模型模拟。灌浆料弹性模量为0.37×105MPa，泊松比为0.2，屈服强度为400MPa，极限强度为620MPa。

2.1.2钢筋和套筒

钢筋采用单轴抗拉本构模型模拟[6-7]，骨架曲线采用Esmaeily-xiao模型，可充分考虑钢筋弹性、屈服、强化阶段，钢筋弹性模量取2×105MPa，泊松比取0.3。在试验过程中，套筒始终处于弹性阶段，尚未破坏，所以套筒本构模型采用理想弹塑性模型。套筒弹性模量为2×105MPa，泊松比为0.3，屈服强度为600MPa。

2.2 有限元模型建立

2.2.1分析方法

本文采用ABAQUS有限元软件静态分析模拟半灌浆套筒拉伸。为确保模拟结果的准确性，选择ABAQUS/Standard隐式求解作为分析模块。

2.2.2单元和网格划分

因半灌浆套筒连接件为轴对称结构，为提高运算速度，建立1/2的对称模型进行有限元分析。本文建立的模型网格尺寸均为2mm，保证每个部件形成共结点，方便计算。为贴合实际，钢筋设置横肋，增加钢筋和灌浆料的机械咬合力。将各部件切割成相对规则的形状，选用结构化网格划分部件，进一步保证计算精度。考虑灌浆料和钢筋之间的黏结变形，采用细网格划分的线性减缩积分单元，部件单元均选用C3D8R三维实体单元，如图4所示。

2.2.3相互作用设置

在试验过程中，连接的破坏模式主要为钢筋拉断破坏和钢筋拔出破坏。由破坏现象可知，所有的连接件均未发生灌浆料拔出破坏。根据试验现象，进行有限元分析时，灌浆料和套筒设置绑定约束，钢筋和灌浆料设置通用接触[8]，法向接触设定为硬接触，切向接触设定为罚接触，库仑摩擦系数为0.6。在锚固端和螺纹端钢筋端部各耦合参考点RP-1，RP-2及锚固端钢筋端部参考点RP-1上采用位移加载方式，加载位移为20mm，螺纹端钢筋端部参考点RP-2设置边界条件为完全固定，如图5所示。在模型剖面侧设置对称条件，如图6所示。在后处理中提取RP-1点位移和RP-2点反力进行整合，生成荷载-位移曲线。

2.3 有限元模型验证

以灌浆饱满的半灌浆套筒进行模拟验证[9]，模拟结果显示钢筋拉断破坏发生在钢筋锚固端侧，半灌浆套筒连接件应力分布如图7所示。试件荷载-位移曲线对比如图8所示。由图8可知，模拟得到的荷载-位移曲线与试验曲线变化趋势大致相同，弹性阶段基本吻合，且存在明显的屈服平台，进入强化阶段后，荷载达极限荷载后开始下降。试验得到的试件极限荷载为99.28kN，对应的位移为55.21mm。模拟得到的试件极限荷载为101.1kN，对应的位移为53.2mm。模拟值与试验值存在差异的原因可能是数值模拟时灌浆料本构模型选择理想化，与实际情况存在一定差异。

2.4 半灌浆套筒性能分析

2.4.1端部缺陷连接件

端部缺陷连接件荷载-位移曲线如图9所示，可将其分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段及下降阶段。由图9可知，弹性阶段连接件荷载-位移曲线均表现为线性增长；进入强化阶段后，当端部缺陷长度为1d时，对连接件性能的影响较小，钢筋颈缩后发生拉断破坏，由于存在灌浆缺陷，钢筋与灌浆料之间存在微小的滑移，使连接件极限强度有所降低，但与灌浆饱满的半灌浆套筒试件力学性能相似；缺陷长度越大，连接件延性越低，承载力越低，这可能是由于缺陷处的钢筋与灌浆料未接触，导致缺陷区域钢筋与灌浆料力的传递不连续，又因端部缺陷使钢筋锚固长度减小，部分灌浆料与钢筋横肋接触处发生破坏，造成钢筋滑移。

2.4.2中部缺陷连接件

中部缺陷连接件荷载-位移曲线如图10所示。由图10可知，随着中部缺陷长度的增加，对试件的影响越来越显著。弹性阶段连接件荷载-位移曲线均表现为线性增长，曲线基本重合，荷载造成的连接件滑移较小；缺陷长度越大，连接件延性越低，承载力越低，这可能是由于中部缺陷将灌浆料分割为两端受力段。

2.4.3缺陷参数分析

当缺陷长度相同时，中部缺陷连接件位移和荷载较端部缺陷连接件减小幅度大，且对连接件受拉性能的影响较大。

当缺陷类型相同时，缺陷长度越大，连接件承载力下降速度越快，对连接件受拉性能的影响越明显。

3 结语

1)数值模拟得到的灌浆饱满半灌浆套筒试件单向受拉极限荷载略大于试验值。

2)当缺陷长度相同时，中部缺陷连接件位移和荷载较端部缺陷连接件减小幅度大，且对连接件受拉性能的影响较大。

3)当缺陷类型相同时，缺陷长度越大，中部缺陷和端部缺陷连接件延性越低，承载力越早开始显著下降，对连接件受拉性能的影响越明显。