套筒灌浆缺陷连接足尺预制混凝土柱抗震性能试验研究

解琳琳，钟勃健，陈 曦，苗启松，刘谦敏，杨参天，王心宇

(1.中国地震局工程力学研究所，黑龙江，哈尔滨 150080；2.北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 100044；3.北京建筑大学大型多功能振动台阵实验室，北京 102616；4.北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045；5.北京市建设工程质量第二检测所有限公司，北京 100045)

灌浆套筒连接是目前世界范围内预制混凝土(Precast concrete, 简称为PC)结构最为常用的连接形式[1−3]。工程实践表明：由于套筒内部孔道堵塞、施工时不及时封堵出浆口、施工后浆体回落和漏浆等常见现象，会导致灌浆不饱满，直接影响灌浆套筒的连接性能，可能会对PC 构件和整体结构的抗震性能造成影响[4−5]。为此，我国以及国际上均发布了相关规范[6− 9]对套筒的质量控制提出要求，以保障PC 结构的抗震性能。

对于灌浆不饱满引起的连接缺陷，国内外诸多学者开展了灌浆套筒连接层次的相关研究。LING 等[10]、HUANG 等[11]、XU 等[12]、李向民等[13]和陈曦等[14]开展了灌浆套筒缺陷试件单轴拉伸试验，研究了多种缺陷因素对拉伸性能的影响，结果表明灌浆不饱满度(缺陷率)是控制拉伸性能的主要因素。ZHENG 等[15]、匡志平等[16]和解琳琳等[17]则研究了循环荷载作用下灌浆套筒的连接性能，结果同样表明灌浆不饱满度是控制循环力学性能的主要因素。当缺陷率较高时，灌浆套筒的连接性能难以保障，会发生滑移破坏，承载能力、延性变形能力和耗能能力均难以满足预期要求。

在缺陷影响灌浆套筒连接构件方面，李向民等[18]考虑柱单侧灌浆缺陷，设计制作了4 个300 mm×300 mm 的缺陷预制柱和1 个无缺陷试件，考虑不同位置的不同缺陷率，进行了抗震性能试验。郑清林等[19]考虑柱中不同灌浆缺陷钢筋根数，设计制作了4 个400 mm×400 mm 的预制柱，均设置了50%的缺陷率，研究了不同缺陷数目套筒连接对柱滞回性能的影响规律。XIAO 等[20]考虑剪力墙单侧边缘约束构件区灌浆缺陷和腹板区灌浆缺陷，开展了7 个灌浆套筒连接PC 剪力墙抗震试验研究，揭示了不同缺陷区域和缺陷率对其抗震性能的影响规律。CAO 等[21]则对灌浆缺陷PC 剪力墙试件展开了数值仿真研究，明确了不同部位缺陷率对其抗推覆性能的影响规律。总的来说，目前对于套筒灌浆缺陷连接的预制构件的研究还较少，且工程实践项目的检测结果表明，采用群灌方式时，试件整体连接存在缺陷的问题较为常见，但对于该类型试件研究还未见报道。

值得注意的是，研究团队前期提出了缺陷可检修型的灌浆套筒，在灌浆套筒连接层面，开展了钢筋直径为12 mm 和20 mm 套筒的单调拉伸性能试验、高应力和大变形循环荷载试验，研究了4 种灌浆缺陷率对其力学性能的影响。20 mm 直径钢筋往往应用于框架柱的竖向连接，试验结果表明：当缺陷率为45%和60%时，连接呈现出滑移破坏，而其他缺陷率下影响相对较小[14,17]。在套筒连接构件层面，鉴于目前国内外关于套筒灌浆缺陷连接PC 柱的试验研究还相对缺乏，本研究设计制作了3 个足尺PC 柱试件，包含1 个用于对比的满灌柱试件和2 个所有纵向连接钢筋均存在相同灌浆缺陷的试件(缺陷率分别为45%和60%)，进行了拟静力抗震性能研究，通过与满灌无缺陷预制柱对比，分析了不同缺陷率下对试件损伤演化、破坏模式、滞回特征、承载能力、变形能力和耗能能力等的影响，本文研究可为灌浆套筒连接PC 结构的相关研究提供参考。

1 试验概况

本研究设计制作了3 个足尺灌浆套筒连接PC柱构件，其截面尺寸均为550 mm×550 mm，试件加载点距基础顶面高度为2000 mm。三个试件的灌浆缺陷率分别为0%、45%和60%，对应的试件命名为PC1-0、PC2-45 和PC3-60。试件的几何尺寸和配筋信息如图1 所示，纵筋采用直径d为20 mm的HRB400 钢筋。试件制作时采用作者前期提出的缺陷可检修型半灌浆套筒控制缺陷率，灌浆套筒参数如图2 和表1 所示。

表1 套筒尺寸参数 /mmTable 1 Geometric properties of grouted sleeve

图1 试件几何尺寸及配筋图 /mmFig.1 Dimensions and reinforcement details of specimens

图2 半灌浆套筒示意图Fig.2 Dimension of half grouted sleeve

PC1-0 为无灌浆缺陷的基准试件，试件制作时根据《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》(JGJ 355−2015) [6]的要求设置锚固长度(如图2 中所示的l0，约为8d)。作者前期研究表明[17]，对于20 mm钢筋直径的套筒，钢筋发生滑移破坏的灌浆缺陷率阈值为45%，其他试件均未发生钢筋滑移破坏。因此通过设置0.45l0和0.6l0的未锚固段形成45%和60%的灌浆缺陷率试件(PC2-45 和PC3-60)，研究钢筋滑移破坏对PC 柱抗震性能影响，和灌浆缺陷率大小对试件的影响。各试件的主要参数见表2。

表2 试件套筒主要参数Table 2 Information of the grouted sleeve of tested specimens

预制柱及其地梁均采用C40 混凝土浇筑，立方体强度平均值43.52 MPa。灌浆套筒材质采用45#碳素结构钢制作，屈服强度为335 MPa。装配时采用线坠调整垂直度并用脚手架固定，采用ANT-110 型号高性能灌浆料进行灌浆。根据《钢筋连接用套筒灌浆料》(JG/T 408−2019)[7]要求制作了6 个尺寸为40 mm×40 mm×160 mm 的灌浆料试块，养护28 d 后测得的抗压强度平均值为 87 MPa。试件的钢筋和混凝土材性参数如表3 所示。试件的制作过程如图3 所示。

表3 钢筋材料力学性能Table 3 Mechanical properties of tested rebar

图3 试件制作过程Fig.3 Fabrication of specimens

试验加载装置如图4 所示，试件地梁通过4 根地锚杆固定在地面。试验为低周往复拟静力试验，竖向采用300 t 的千斤顶施加2500 kN 的恒定轴力，设计轴压比为0.42，实际轴压比为0.25。水平方向采用100 t 的作动器施加水平荷载，全程采用位移控制加载。加载制度如图5 所示，分为3 阶段共15 级加载，每级循环两次。

图4 试验加载装置示意图和照片Fig.4 Schematic diagram and photograph of test setup

图5 试验加载制度Fig.5 Loading protocol

如图6 所示，位移计主要量测加载点的水平位移(D5)，距柱底400 mm、800 mm 和1650 mm高度的水平位移(D2、D3 和D4)，地梁的水平位移(D7)，柱顶的面外位移(D6)和预制柱与地梁结合面的水平位移(D1)。值得注意的是，前期研究表明：对于缺陷率达到45%和60%、钢筋直径为20 mm 的套筒连接会发生滑移破坏，为分析钢筋的滑移现象，在柱两侧设置了竖向位移计(D8 和D9)用于测量可能产生的变形。

图6 测点布置示意 /mmFig.6 Measuring points

2 试验结果与分析

为便于描述试验现象，本研究定义了试验柱各面的名称分别为N、S、W 和E 面，如图7 所示。

图7 试验柱各面名称示意图Fig.7 Name of four sides of the specimens

2.1 试验现象和破坏形态

各试件的破坏特征和破坏形态分别如表4～表7 和图8～图10 所示。水平位移不大于30 mm (位移角为1.5%)时，各试件试验现象基本一致。然而，当水平位移超过30 mm 后，试件的承载力、损伤演化及破坏形态存在显著差别。无灌浆缺陷试件呈现出明显的弯曲破坏特征，而本文所研究的两种灌浆缺陷试件在灌浆套筒滑移破坏后，试件呈现以刚体转动为主的摇摆变形特征。这是由于在循环加载下，灌浆缺陷试件内灌浆料的锚固能力不足，随着加载位移增加，使得钢筋不断被拔出，当加载到一定位移时，钢筋和套筒基本丧失粘结强度，承载力急剧减小。此时，试件的弯曲和剪切变形行为较少，试件变形以刚体转动为主。

表5 试件PC2-45 破坏特征Table 5 Failure features of PC2-45

表6 试件PC3-60 破坏特征Table 6 Failure features of PC3-60

表7 柱底抬起高度Table 7 Gap opening of bottom of column

图8 试件PC1-0 破坏形态Fig.8 Failure patterns of PC1-0

图9 试件PC2-45 破坏形态Fig.9 Failure patterns of PC2-45

图10 试件PC3-60 破坏形态Fig.10 Failure patterns of PC3-60

通过对比PC1-0 和PC2-45，明确无灌浆缺陷和有高灌浆缺陷率试件的损伤特征主要差别如下：

1)钢筋滑移特征：随着水平位移的增大，PC1-0承载力缓慢、稳定下降，同一位移幅值的两个循环圈下承载力基本一致，无明显退化，加载过程中无套筒内钢筋拔出声，卸载时未出现近0 刚度现象；PC2-45 则在位移达到50 mm 时承载力陡降，套筒内有钢筋拔出声，同一位移幅值下二次加载承载力明显退化，随着位移幅值的增大，卸载时出现显著的近0 刚度现象。各试件柱底抬起高度dg如图11 所示，由于灌浆缺陷试件PC2-45的钢筋锚固能力不足，柱底边缘套筒的钢筋提前发生滑移而被拔出，在加载点位移为40 mm 时就观测到了柱底抬起。而PC1-0 试件的钢筋和灌浆料的粘结强度大于钢筋的抗拉强度，在加载至70 mm时才观测柱底抬起。PC2-45 加载至100 mm 时dg为15 mm，远大于无缺陷试件PC1-0 的5.8 mm。

图11 柱底抬起高度对比Fig.11 Comparison of gap opening of bottom of column

2)混凝土损伤特征：相对于无灌浆缺陷试件PC1-0，PC2-45 具有更小的混凝土压溃范围，这主要是由于在加载后期PC2-45 的荷载小，且柱整体变形中的摇摆变形使得弯曲变形成分减少，导致受压区混凝土损伤减少。

通过对比PC2-45 和PC3-60，明确不同高灌浆缺陷率下试件损伤特征的主要差别如下：

1)钢筋滑移特征：当试件具备更高的灌浆缺陷率时，试件将在更小的位移下发生钢筋滑移破坏，PC2-45 钢筋滑移时加载点水平位移为50 mm，PC3-60 钢筋滑移时位移则为40 mm。此外，PC3-60相对PC2-45 的dg较大，在20 mm 钢筋屈服时就观测到了柱底抬起，表示此时柱边套筒已经由于钢筋滑移出现了较大的残余变形，且在100 mm时dg为18 mm，大于PC2-45 的变形15 mm。

2)混凝土损伤特征：随着灌浆缺陷率的提高，整体柱构件变形中由于钢筋滑移引起的摇摆行为更加明显，导致受压区混凝土的整体损伤程度有所减轻。

2.2 荷载-位移曲线

各试件荷载-位移滞回曲线对比如图12 所示。从图中可以看出：

图12 试件荷载-位移曲线Fig.12 Load-displacement hysteretic loops of specimens

1)在位移达到30 mm(1.5%位移角)前，三个试件的初始刚度和滞回特征整体相近，滞回曲线呈现出饱满的“纺锤形”。

2)在位移达到40 mm(2%位移角)时，灌浆缺陷率45%的试件与无缺陷试件性能基本相当，对于缺陷率60%的试件在第二圈加载时由于钢筋出现了滑移现象，导致承载力下降，滞回曲线逐渐开始出现轻微捏拢现象。当位移增大至50 mm(2.5%位移角)时，灌浆缺陷率45%的试件也发生了与缺陷率60%试件相类似的现象。

3)在位移达到50 mm 后，随着位移的增大，灌浆缺陷试件强度急剧下降，由于钢筋滑移导致滞回曲线呈现出明显的捏拢现象。对于无灌浆缺陷试件，承载力则平缓、稳定下降，滞回曲线整体更趋饱满，与现浇柱构件的常见滞回特征基本一致。

2.3 骨架曲线承载力和变形能力

各试件骨架曲线对比如图13 所示，采用PARK 等[22]法确定骨架曲线的屈服点，以承载力下降至85%峰值荷载作为极限点，各试件的屈服、峰值和极限特征点参数对比如表8 所示，由图表可知：

表8 试件骨架曲线特征点参数Table 8 Parameters of characteristic points on skeleton curves of specimens

图13 荷载-位移骨架曲线Fig.13 Load-displacement skeleton curves of specimens

1)屈服点：无缺陷和灌浆缺陷试件的屈服点位移较为接近，屈服点荷载随着缺陷率的增加而降低。相比于无缺陷试件PC1-0，正向加载时灌浆缺陷试件PC2-45 和PC3-60 的相应荷载分别下降了8.4%和11.1%，负向加载时下降了3.6%和6.5%。

2)峰值点：对于峰值荷载，PC1-0、PC2-45和PC3-60 的峰值均值分别为539.85 kN、501.65 kN和478.6 kN，45%和60%的缺陷率分别导致了峰值荷载7.1%和11.3%的下降。

3)极限点：当承载力下降至峰值荷载的85%时，无缺陷试件的极限位移(97 mm)远大于缺陷试件的极限位移(PC2-45 为55.33 mm，PC3-60 为51.6 mm)，PC1-0、PC2-45 和PC3-60 的延性系数分别为5.8、3.5 和2.8，这主要是由于套筒内钢筋滑移引起了承载力的大幅下降，使得构件变形能力和延性均显著下降。

综上所示，灌浆缺陷对试件的屈服力和极限承载能力存在一定影响，随着缺陷率的增大试件承载力有所降低。灌浆缺陷对试件的变形能力影响最大，钢筋滑移严重影响了构件的延性变形能力。

2.4 刚度退化和耗能能力

各试件割线刚度退化曲线对比如图14 所示，各试件的初始弹性刚度差别较小，缺陷试件与无缺陷试件的最大差别为6.7%。试件屈服前PC2-45和PC1-0 刚度差别较小，而PC3-60 与PC1-0 刚度则差别相对较大。这是由于灌浆缺陷较高时循环荷载会导致套筒的残余变形累加，作者前期套筒的循环荷载试验也表明60%缺陷率下套筒的累积残余变形不可忽略[17]，这一变形导致了构件刚度的下降。灌浆缺陷试件PC2-45 和PC3-60 在发生滑移后，刚度退化明显且两者刚度基本一致，小于无缺陷试件。

图14 试件刚度退化曲线Fig.14 Stiffness degradation curves of specimens

累积滞回耗能是评价构件抗震能力的一个重要指标，三个试件的累积滞回耗能曲线对比如图15 所示。从图中可以看出，在滑移前试件的累积耗能较为接近，但滑移后缺陷试件的耗能能力显著下降，最大位移时累积耗能下降了37.7%。

图15 累积耗能对比Fig.15 Comparison of cumulative dissipated energy

3 结论

为了研究套筒连接灌浆缺陷对PC 柱抗震能力的影响，基于前期套筒连接试件的循环试验结果，本研究考虑了三种缺陷率设计制作了3 个足尺PC 柱试件(缺陷率为0%、45%和60%)，通过与无灌浆缺陷的试件对比，明确了不同缺陷率对试件损伤演化、破坏模式、滞回特征、承载能力、变形能力和耗能能力等的影响。主要结论包括：

(1)无缺陷试件呈现出预期的弯曲破坏特征。对于本研究所考虑的45%和60%的缺陷率，在2%变形前与无缺陷试件整体可比；当两者位移角分别达到2.5%和2%时，逐渐呈现出较为明显的钢筋滑移破坏特征，构件变形模式呈现摇摆变形特征，受压区混凝土损伤有所减轻；

(2)无缺陷试件滞回曲线饱满，缺陷试件则在出现钢筋滑移后呈现出明显的捏拢特征且承载力和刚度退化明显。灌浆缺陷试件的变形能力和耗能能力显著低于无缺陷试件，相比于无缺陷试件，延性变形系数从5.8 下降至2.8～3.5，累积滞回耗能能力下降37.7%。灌浆缺陷对PC 柱试件承载能力的影响则相对较小，整体降幅未超过11.3%。