装配式剪力墙竖向钢筋套筒注浆搭接试验研究

2020-12-25任宏伟王思远严珊韩玉涛

河南理工大学学报(自然科学版) 2020年2期

任宏伟，王思远，严珊，韩玉涛

(华北理工大学河北省地震工程研究中心，河北唐山 063210)

0 引言

装配式剪力墙结构具有施工快、污染小、抗震性能高等优点[1]，在很大程度上提高了社会效益，符合住宅产业化发展要求及建筑的可持续发展战略，因此，迅速在国内外得到了推广应用[2-5]。装配式剪力墙拼缝处竖向钢筋的连接采用何种方式处理，不仅影响工程造价和工期长短，而且直接决定了建筑结构的整体性能[6-8]，所以拼缝处钢筋的连接问题是研究装配式剪力墙结构的重中之重[9]。传统的钢筋连接方式有焊接、搭接和机械连接等，在装配式结构应用中面临着研究不足、可操作性不够、设计标准不统一等诸多问题[10-12]。

对于钢筋套筒注浆连接，余琼等[13]采用钢筋套筒灌浆搭接接头对1个现浇柱、2个预制柱进行拟静力试验，结果表明预制柱开裂、屈服荷载略大于现浇柱，极限荷载高于现浇柱，得出了钢筋套筒在预制柱中能够很好地传递钢筋应力；吴涛等[14]对20个套筒灌浆连接件进行单轴拉伸试验，研究了套筒种类、锚固长度和钢筋直径对套筒筒壁应变的影响规律，并采用ANSYS对试验模型进行分析；许成顺等[15]进行了高应力反复拉压作用下钢筋套筒灌浆连接性能试验研究，得出钢筋套筒灌浆连接接头的破坏形态均为钢筋拉断破坏，其强度可等同于同型号钢筋的抗拉强度的结论；韩文龙等[16]对部分纵筋采用套筒挤压搭接连接的叠合次梁-主梁连接节点进行了受力性能研究，分析其破坏形态、承载力及钢筋应变等，检验了钢筋套筒注浆连接的可靠性。

基于钢筋搭接长度、钢筋直径、灌浆料强度等参数，本文设计制作了25个钢筋套筒注浆搭接试件，通过单向拉伸试验，从试件破坏形态出发，重点分析了试件强度、套筒应变大小、钢筋与套筒的相对滑移等。最后通过对钢筋搭接长度机理分析与试验数据对比，建立了钢筋套筒注浆搭接试件中钢筋搭接长度的计算公式。

1 试验

1.1 试件设计和参数选择

首先将2根钢筋分别插入钢套筒内部，套筒长度与计算的钢筋搭接长度相对应，然后将具有微膨胀性能的混凝土灌浆料在套筒内部充分浇筑，2根钢筋通过灌浆料的黏结力和套筒对灌浆料的约束作用达到可靠连接，如图1所示。考虑到装配式剪力墙内钢筋较大间距对钢筋搭接长度造成的不利影响，试验中采用1.2倍钢筋搭接长度的基本锚固长度值计算，即ll=1.2la。由于套筒内部混凝土灌浆料受到套筒的三向约束作用，对试验中钢筋搭接长度设计值进行折减，折减量为25%和45%，即钢筋套筒注浆搭接试件中钢筋搭接长度取0.75ll和0.55ll。另外，为了确定采用套筒注浆方式对钢筋连接时的极限搭接长度值，以便对试件可靠度进行充分分析，试验中同时制作了部分搭接长度值为0.4ll和0.35ll的钢筋套筒注浆搭接试件。

图1 钢筋套筒注浆搭接示意图Fig.1 Schematic diagram of lap grouting for reinforcement

套筒内混凝土采用唐山北极熊建材有限公司生产的高强微膨胀灌浆料，强度等级分别为C60和C100。为保证套筒内灌浆料的饱满，灌浆的同时用细铁丝在钢筋与套筒空隙沿顺时针不断插捣。分别选用直径10 mm和12 mm的HRB335级带肋钢筋，为便于试验加载，2根钢筋各伸出套筒外部20 mm和200 mm。

如图2所示，分别选用无缝圆钢管和焊管作为钢筋套筒注浆搭接连接试件的套筒材料，其中无缝钢管套筒壁厚设计值为5 mm，外径50 mm，为使套筒与其内部混凝土灌浆料的黏结作用得到充分发挥，采用3种方式对套筒端部位置处进行处理，分别为焊接一圈直径为6.5 mm钢筋、切口整平和点焊一圈，点焊高度为2 mm。另一种套筒材料焊管壁厚设计值为3 mm，外径48 m，焊管端部采用内凹切口形式，切口高度为1.5 mm。各试件参数见表1。

图2 套筒Fig.2 Sleeves

1.2 材料强度

分别对钢筋和钢管套筒进行试验，检验2种母材的材料性能，通过电液伺服万能试验机测量，结果取平均值，计算得到钢筋和钢管套筒的屈服强度和极限强度值，如表2所示。另外，在各组试件套筒内浇筑混凝土灌浆料时，分别预留尺寸为40 mm×40 mm×160 mm灌浆料试块，在与试件同等条件下养护28 d后测量其抗压、抗拉强度值及其流动性能，如表3所示。

表1 钢筋搭接试件参数Tab.1 Parameters of reinforcement lap joint specimen

表2 钢筋和钢管套筒的力学参数Tab.2 Mechanical parameters of reinforcement and steel tube sleeve

表3 各组试件的灌浆参数Tab.3 Parameters of grouting material for each group of specimens

1.3 试验方案

采用500 kN液压伺服作动器设备对钢筋套筒注浆搭接试件进行重复拉伸试验，直到试件破坏。用夹片锚具对钢筋锚固，并通过上下2个球铰减小钢筋偏心对试验结果的影响，试验装置如图3所示。试验过程中先用拉力控制加载速度，分别控制荷载为0.1，0.5和1倍的钢筋屈服拉力(PN)，每个阶段循环3次，然后采用位移控制直到试件破坏，位移控制加载速度为4 mm/min，加载过程受力情况如图4所示。

图3 加载装置Fig.3 Loading device

图4 加载过程受力情况Fig.4 Force state in loading process

根据钢筋套筒注浆搭接试验目的，在各试件的套筒中间位置处等间距布置轴向和环向应变片，并在套筒上下两端各布置引伸仪，测点布置如图5所示，分别记录试验过程中钢筋所受拉力、套筒应变、钢筋和套筒的相对滑移。

图5 试件测点布置Fig.5 Layout of test points

2 钢筋套筒注浆搭接试验破坏现象及结果分析

2.1 试件破坏现象及结果

试验初期，随着荷载逐渐加大，垂直套筒出现较小倾斜，待荷载增加到一定数值后，套筒的倾斜程度不再变化。采用无缝钢管套筒的A，B，C 3组钢筋套筒注浆连接试件，钢筋颈缩后被拉断破坏，套筒内部混凝土灌浆料未发生明显变化。在持续加载过程中，D组试件直径为12 mm的钢筋和套筒端口位置处的部分灌浆料一同被拔出套筒，发生黏结破坏，如图6所示。采用2个D组直径10 mm钢筋的试件，其中一个试件钢筋拉断，另一个试件的钢筋被拔出套筒，正好处于2种破坏形式的分界。

各组钢筋套筒注浆搭接连接试件的屈服拉力、屈服强度、极限拉力和抗拉强度如表4所示，通过数据分析发现，对于钢筋被拉断的各试件，其抗拉强度实测值均大于相对应钢筋抗拉强度标准值的1.1倍，结果满足钢筋一级接头的强度要求，说明选用适当的钢筋搭接长度，采用套筒注浆的方式对钢筋进行连接，符合搭接规定要求。

图6 试件破坏形态Fig.6 Failure mode of specimen

2.2 套筒应变分析

图7～8分别为不同直径钢筋试件灌浆套筒的拉力-环形应变折线和拉力-轴向应变折线图。由于钢筋套筒灌浆搭接试件的偏心受拉，套筒及内部灌浆料应力分布不规则，导致同一试件套筒的环向应变与轴向应变无明显变化规律。从图7～8中可以看出，A组试件套筒的环向应变和轴向应变均较小，并且比其他组试件增长速度缓慢，这是由于套筒两侧端口位置处焊接钢筋圈，增强了灌浆料的约束作用。另外，所有钢筋套筒注浆搭接试件中，个别出现了较大的套筒应变值，大部分试件套筒的环向和轴向应变值均不超过3×10-4。

图7 套筒拉力-环向应变折线Fig.7 Tension loop-strain loop curves of sleeve

图8 套筒拉力-轴向应变折线Fig.8 Tension-axial strain curves of sleeve

2.3 钢筋与套筒的相对滑移分析

各组钢筋套筒注浆搭接试件中，钢筋和套筒的相对滑移量和施加荷载关系如图9所示。初始加载时，随着荷载逐渐增加，钢筋与套筒的相对滑移量增长速度非常缓慢。当荷载大约增加到钢筋的抗拉强度值以后，钢筋与套筒的相对滑移开始出现较快增长。对于发生钢筋拉断破坏形式的各试件，当荷载增加到对应各钢筋屈服时的拉力时，测量到的钢筋与套筒的相对滑移量均<0.2 mm。

表4 各试件屈服强度和极限强度值Tab.4 Yield strength and ultimate strength of each specimen

图9 滑移量-拉力折线Fig.9 Slip-tension curves

钢筋直径相同的A组试件，钢筋与套筒的相对滑移受到钢筋搭接长度的直接影响，钢筋搭接长度较大试件的相对滑移较小，反之，当钢筋搭接长度较小时，滑移量较大。对于采用相同套筒形式的试件，当采用相对较大直径钢筋时，钢筋与套筒的相对滑移较小，较大直径的钢筋占据套筒内部空间大，使得套筒内部剩余缝隙较小，增大了套筒对钢筋的锚固作用。

对于采用较小壁厚套筒的D组试件，钢筋与套筒的相对滑移较大，甚至部分试件的钢筋未出现屈服就被拔出套筒。这是由于套筒壁厚较小，使得套筒对其内部灌浆料的约束作用减弱，导致灌浆料对搭接钢筋的锚固性能不足。

3 钢筋搭接长度分析

当钢筋搭接长度取L时，钢筋套筒注浆搭接试件的2根钢筋受力如图10所示，建立力学平衡方程为

πτDL=σyAs，

(1)

式中：τ为钢筋表面切向黏结应力，N/mm2；L为钢筋搭接长度，mm；D为钢筋直径，mm；σy为钢筋应力，kN；As为钢筋截面面积，mm2。

钢筋应力值在计算时取钢筋抗拉强度标准值的1.10倍，以满足钢筋套筒注浆搭接试件强度达到一级钢筋接头要求，即

图10 钢筋约束力学模型Fig.10 Constraint mechanics model of reinforcement

σy=1.10fstk。

(2)

将试验中发生黏结破坏的各组试件参数带入式(1)，可得灌浆料极限切向黏结应力τu与灌浆料抗压强度fcu关系，出于安全考虑取

τu=0.26fcu，

(3)

联立式(1)～(3)，得

(4)

对表5中钢筋理论搭接长度计算结果分析发现，试验中各试件的破坏形态和通过公式计算出的钢筋理论搭接长度值基本相吻合。发生钢筋拉断的各组试件中，钢筋理论搭接长度与实际搭接长度比小于1，即钢筋实际搭接长度值均大于公式计算的钢筋理论搭接值，说明试件搭接安全。发生黏结破坏的D组2个试件，其比值均大于1，说明式(4)可以作为装配式剪力墙竖向钢筋套筒注浆搭接长度计算公式。