装配式结构中半灌浆套筒钢筋连接的本构关系研究

2024-04-21徐若琳崔永坤

砖瓦 2024年4期

徐若琳崔永坤

（1.青建集团股份公司，山东青岛 266000；2.山东新中鲁建设有限公司，山东青岛 266000）

装配式建筑是新型绿色建筑的重要发展方向，成为目前土木工程领域的研究重点。装配式建筑是通过对工程预制构件的标准化制作，运抵现场后通过节点拼接形成整体建筑。在众多的节点连接方式中，灌浆套筒连接是最为成熟和应用最为广泛的方法，具有施工便捷、力学性能可靠等优点[1]。灌浆套筒连接分为全灌浆套筒头和半灌浆套筒，半灌浆套筒头可连接的钢筋直径范围广，套筒外直径小，能够显著缩短套筒长度，且使得现场的灌浆工作量减半，大大提高了施工现场的效率和降低了接缝密封的难度[2-3]。目前，有关半灌浆套筒钢筋连接的工程实践应用研究较多，但对于其本构关系的理论研究较匮乏，导致实际应用过程中低估或超估了其力学性能，在结构设计和力学计算时往往产生较大的误差，特别在结构节点抗震设计和动力学设计方面无法得到可靠性结果。因此，研究装配式建筑结构中半灌浆套筒钢筋连接的本构关系具有十分重要的实际意义[4]。

土木工程材料的本构关系最为可靠和精确的研究方法为室内试验方法，对于钢筋类材料的本构关系研究方法一般通过室内试验中的单向拉伸试验或者循环加载进行[5-6]。基于此，本文依托山东省青岛市某装配式多层商业办公楼为研究背景，运用室内试验的方法，制作了半灌浆套筒头钢筋连接模型，通过单调拉伸试验和反复循环加载试验获得其应力-应变曲线，提出半灌浆套筒头钢筋的本构关系曲线模型，研究成果可应用于装配式建筑结构的节点连接设计与计算。

1 工程概况

山东省青岛市某多层商业办公楼建筑总面积为71000m2，建筑高度达到23.45m，地上4层，地下1层，地下结构采用现浇框架结构，地上建筑结构采用装配式框架结构，装配化率为78%，为高装配化多层建筑。装配式结构柱尺寸为450mm×450mm，采用C40 钢筋混凝土预制；装配式墙体厚度为300mm，采用C30钢筋混凝土预制；装配式空心楼板厚度为150mm，标准长度为3m，采用C30 混凝土预制。预制构件之间水平缝和垂直缝之间均采用半灌浆套筒头连接，如图1所示。半灌浆套筒一端为空腔、一端为套丝内壁的连接件，空腔内部带有抗剪键，表面留有与空腔联通的出气口和灌浆孔，施工时，螺纹连接钢筋旋入灌浆套筒螺纹侧，灌浆带肋钢筋插入空腔侧，随后从灌浆孔注入高强水泥浆，钢筋受力通过灌浆套筒头内壁的抗剪键与插入钢筋横肋之间的硬化水泥浆进行传递。

图1 半灌浆套筒头连接方式

2 装配式结构半灌浆套筒连接物理模型试验

2.1 试验材料

为了研究半灌浆套筒钢筋的连接性能和本构关系，试验所用的套筒型号、钢筋材料、灌浆料等均与实际工程一致。试验所用的钢制套筒为北京思达建茂科技发展有限公司生产的GT/CT 系列国标45#灌浆钢套筒，经过性能测试，钢套筒的屈服强度fsy为399MPa，极限强度为fsu为630MPa，弹性模量Es为209000MPa，泊松比μ为0.269，断后伸长率ε为22.1%，半灌浆套筒的出浆孔和灌浆孔宽度为20mm，半灌浆套筒的强度L为140mm，壁厚为4.5mm。试验选用的钢筋为HRB400级钢筋，钢筋直径为12mm，钢筋屈服强度为屈服强度fsy为460MPa，极限强度为fsu为593MPa，弹性模量Es为207144MPa，泊松比μ为0.300，断后伸长率ε 为22.9%。试验用的套筒灌浆料为北京思达建茂科技发展有限公司生产的CGMJM 系列灌浆料，经过性能测试，灌浆料的1d 抗压强度为38MPa，3d 抗压强度为65MPa，28d 抗压强度为92MPa，竖向膨胀率为0.1%，氯离子含量为0.01%，流动度初始值为335mm，30min 流动度为305mm。拉伸过程中的应变测试采用BX120-3AA应变片，电阻率为120Ω。灵敏系数为2.08，灵敏栅尺寸为3mm×2mm，基底尺寸为6.5mm×4mm，量程为50000με，应变片粘贴在钢筋的内部。

2.2 试验方法

为研究半灌浆套筒钢筋连接的受力与变形的关系，在室内试验中对制作的半灌浆套筒试件进行了两种不同的荷载加载方式，分别为单向拉伸试验和反复循环拉伸试验。试验过程均采用位移控制，每种试验均在常温下进行3次试验，试件出现断裂或者钢筋滑移时认为已达到承载力极限，可以停止试验。单向拉伸试验设备为三思CMT5305 电液伺服试验机，其最大试验量程为350kN，反复循环拉伸设备为英斯特朗（INSTRON）1342型电液伺服材料试验机，可以自动记录试件拉伸过程中的应力、应变和位移等参数，最大量程为500kN。如图2所示，单向拉伸试验的加载方式为保持恒定的拉伸位移，位移量为0.5mm；反复循环拉伸试验为位移为周期式升高，即0→0.5mm→-0.5mm→1.0mm→-1.0mm→……，直至试件破坏[7-8]。为了对比半灌浆套筒连接试件的力学性能，对连接件中的HRB400钢筋也进行了的单向拉伸平行试验，试验次数也为3 次，试件编号为GJ1、GJ2 和GJ3。半灌浆套筒的连接试件单向拉伸试验的编号为DX1、DX2 和DX3，反复循环拉伸试验的编号为XH1、XH2和XH3。

图2 单向拉伸试验和反复循环拉伸试验的加载方式

3 半灌浆套筒钢筋连接本构关系分析

图3为HRB400 钢筋的单向拉伸试验应力应变曲线。从图3中可以看出，3个钢筋拉伸试件的应力应变曲线变化过程基本一致，大致呈4 个阶段的变化过程，分别为弹性变形阶段、屈服变形阶段、塑性非线性变形阶段、塑性破坏阶段。在加载初期，在小位移量下钢筋试件的荷载迅速增加，应力与应变之间的关系呈现线性关系，应变量为0.21%以内，此阶段为弹性变形阶段；随后，位移的增加并不明显增加荷载，应力出现 “平台” 现象，维持在一个较为恒定的数值，约为463MPa，应变范围在0.21%～1.34%之间，这个阶段为屈服变形阶段；继续加载，钢筋的应力应变曲线呈现明显的非线性变化，但其增长速度比弹性变形阶段明显放缓，应变范围在1.34%～5.23%之间，此阶段为塑性非线性变形阶段；最后，钢筋试件的应力增加较小的情况下，应变大幅度增加，应力应变曲线不断趋于收敛，应变范围在5.23%～28%之间，应力达到最大值598MPa，这个阶段为塑性破坏阶段。

图3 HRB400钢筋的单向拉伸试验应力应变曲线

图4为半灌浆套筒的单向拉伸试验应力应变曲线。从图4中可以看出，3 个半灌浆套筒试件的应力-应变曲线变化过程基本一致，其变化过程与单向拉伸钢筋的应力-应变曲线不同，应变极限值远远小于钢筋的应变极限值，应力-应变曲线大致呈3个阶段的变化过程，分别为弹性变形阶段、屈服变形阶段、塑性破坏阶段。在加载初期，在小位移量下钢筋试件的荷载迅速增加，应力与应变之间的关系呈现线性关系，应变量为0.01%以内，此阶段为弹性变形阶段；随后，位移的增加并不明显增加荷载，应力出现 “平台” 现象，维持在一个较为恒定的数值，屈服应力约为463MPa，应变范围在0.01%～0.014%之间，这个阶段为屈服变形阶段；继续加载，钢筋的应力-应变曲线呈现明显的非线性变化，但其增长速度比弹性变形阶段明显放缓，并不断趋于收敛，应力极大值为563MPa，应变范围在0.014%～0.6%之间，此阶段为塑性破坏阶段。