鋼筋插入式灌漿波紋管連接錨固性能試驗研究

胡小忠

(中鐵二十四局集團有限公司 上海 200070)

1 引言

隨著城市化進程的加快，市政基礎設施建設逐漸進入高潮。傳統現澆施工技術建造效率低、現場作業量大、施工周期長，影響道路的交通暢通與安全。裝配式橋梁建造技術是將橋梁的上部和下部主要構件在預制廠集中生產，并運送至現場拼裝的快速化施工技術。相比傳統現澆施工技術，裝配式橋梁建造技術通過構件工業化制造和裝配式施工，可加快施工進度、減小對既有交通的干擾[1-2]。在行業政策的持續引導下，未來裝配式橋梁建造技術會得到進一步推廣。

預制構件連接的可靠性是保證裝配式橋梁達到設計功能的關鍵。預制構件連接方式一般采用灌漿套筒連接、灌漿金屬波紋管連接、承插式連接、后張預應力連接等[3-5]。當前，灌漿金屬波紋管連接是預制構件間較為常用的連接方式。灌漿金屬波紋管連接是指在混凝土中預埋金屬波紋管，待混凝土達到要求強度后，將鋼筋插入金屬波紋管，再灌注高強無收縮灌漿料，達到錨固鋼筋的作用[6-8]。灌漿金屬波紋管連接的設計預期是達到“等同現澆”的效果，重點是避免主筋從金屬波紋管中拔出破壞，為此有必要開展灌漿金屬波紋管連接的錨固性能試驗，確定合理的錨固長度，保證接頭鋼筋充分發揮強度[9]。

為研究鋼筋插入式灌漿金屬波紋管連接的錨固性能，設計制作了12組共計24個鋼筋插入式灌漿金屬波紋管連接試件，通過連續荷載作用下的拉拔試驗，分析鋼筋錨固長度、波紋管外徑與鋼筋直徑的相對比值對其錨固性能的影響。研究結果可為實際工程中灌漿金屬波紋管連接的設計提供參考。

2 試驗方案設計

2.1 試件設計

為開展鋼筋插入式灌漿金屬波紋管連接的錨固性能試驗，設計了12組共計24個鋼筋插入式灌漿金屬波紋管連接試件，鋼筋強度等級為HRB400，直徑d分別為18、25 mm，錨固長度la分別為7d、10d、15d、24d，金屬波紋管外徑D分別為 63、76 mm，試件主要參數見表1。

表1 試件主要參數

2.2 試件制作

首先綁扎鋼筋骨架，切割和預埋金屬波紋管，再支模板澆筑混凝土試驗平臺，混凝土設計強度等級為C40。為避免試驗中試件相互干擾，金屬波紋管間距取25 cm。當試驗平臺達到一定強度后，將不同直徑的鋼筋以預設的錨固長度插入金屬波紋管中心，保證嚴格對中，再按要求拌制高強無收縮水泥灌漿料，靜置至漿料表層無氣泡產生時進行灌注，養護28 d。試件制作過程如圖1所示，試件布置見圖2。在澆筑混凝土和灌注高強無收縮水泥灌漿料時，分別留置1組(150×150×150)mm和(40×40×160)mm的試塊，每組3個試塊，同等條件下養護，待達到要求齡期后進行材料抗壓強度試驗。

圖1 試件制作過程

圖2 試件布置(單位：cm)

2.3 材料力學性能

通過拉伸試驗，得到鋼筋的材料力學性能如表2所示。按照《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T 17671-1999)和《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[11]所規定的標準試驗方法[10-11]，測得高強無收縮灌漿料和混凝土的材料力學性能如表3所示。

2.4 加載方案與測量內容

試驗加載裝置如圖3所示，采用量程為100 t的穿心式電動液壓千斤頂進行連續加載。鋼筋屈服前的加載速度為10～15 kN/min，屈服后加載速度為3～5 kN/min。當出現鋼筋拉斷或發生拔出破壞等情況時，停止加載。試驗中采用穿心式荷載傳感器測量鋼筋軸向拉力F。為測量鋼筋軸向位移，在鋼筋頂端設置對稱鋼引板，并通過固定支架布置兩個位移計。由于位移計的另一端通過支架固定在混凝土加載臺上，且位移計對稱布置，因此兩位移計測量值的均值可視為鋼筋位移量s。

表2 鋼筋力學性能參數

表3 高強無收縮灌漿料及混凝土力學性能參數

圖3 試驗加載裝置

3 試驗現象描述

對12組試件進行拉拔試驗，各組試件鋼筋的強度特征值和破壞形式如表4所示。試件的破壞形式主要有鋼筋拉斷破壞和金屬波紋管拔出破壞兩種。其中，以鋼筋拉斷破壞最為顯著，表明該灌漿連接具有較好的可靠性。相比于材性實測值，試件的強度特征均值總體偏低，主要是由于鋼筋存在初傾角和拉伸試驗時偏置未對中[12]。

圖4為部分試件的破壞形式。如圖4a所示，18-63組試件均為鋼筋拉斷破壞，斷面位置隨機，灌漿料未出現損傷。如圖4b所示，試件25-63-07-1發生了金屬波紋管拔出破壞，周圍的混凝土出現徑向開裂破壞。25-63組的其他試件均為鋼筋拉斷破壞，灌漿料未出現損傷。試件25-76-07-1為鋼筋拉斷破壞，鋼筋拉斷瞬間產生的回縮力使表層灌漿料徑向開裂，除去表層碎塊，下部灌漿料仍保持密實狀態。本組的其他試件均為鋼筋拉斷，且未出現灌漿料損傷，見圖4c。

圖4 部分試件破壞模式

4 試件荷載-位移曲線(F-s)分析

為描述錨固長度對試件錨固性能的影響，保持金屬波紋管外徑和鋼筋直徑的相對比值一定，錨固長度分別為7d、10d、15d、24d的荷載 -位移曲線(F-s曲線)如圖5所示。各組試件的F-s曲線與鋼筋拉伸試驗的F-s曲線的變化趨勢較為接近，表明灌漿金屬波紋管鋼筋連接試件與普通鋼筋的力學性能相似。

如圖5a所示，18-63組試件均在鋼筋極限荷載附近發生拉斷破壞。如圖5b所示，試件25-63-07-1在鋼筋進入強化階段后，發生了金屬波紋管拔出破壞，表明鋼筋與灌漿料之間的粘結力強于金屬波紋管與混凝土之間的粘結力，是由于淺層的局部混凝土振搗不密實，強度不足。25-63組的其他7個試件均在鋼筋強化階段發生拉斷破壞。25-76組試件均為鋼筋受拉屈服后發生拉斷破壞，見圖5c。25-63組和25-76組試件的F-s曲線呈現一定的離散性，是由于鋼筋材性的離散性和鋼筋的垂直對中存在偏差所致。

對于18-63組和25-76組試件，當錨固長度la不小于7d時，其對錨固性能無影響，可保證試件破壞形式為鋼筋拉斷破壞；對于25-63組試件，當錨固長度la不小于10d時，可保證試件破壞形式為鋼筋拉斷破壞。

表4 試件的強度特征值與破壞模式

圖5 各組試件F-s曲線

對比25-63組和25-76組試件，可知鋼筋的錨固性能還與金屬波紋管外徑和鋼筋直徑的相對比值有關。帶肋鋼筋和灌漿料之間的粘結力由灌漿料與鋼筋表面的化學膠結力、界面摩擦力和鋼筋肋與灌漿料之間的機械咬合力組成。化學膠結力很小，加載初期就被克服，粘結力主要由摩擦力和機械咬合力提供。鋼筋受力時，鋼筋的月牙肋對灌漿料產生斜向壓力，軸向分力使灌漿料受剪，徑向分力使灌漿料環向受拉。金屬波紋管外徑和鋼筋直徑的相對比值較小時，漿料層較薄，在徑向分力作用下易受拉開裂，當軸向分力超過灌漿料與鋼筋接觸面上的摩擦力和機械咬合力的合力時，咬合齒被剪斷，鋼筋發生拔出破壞；金屬波紋管外徑和鋼筋直徑的相對比值較大時，漿料層飽滿，在拉力作用下，鋼筋使周圍的灌漿料產生徑向膨脹，金屬波紋管壁產生的徑向壓力對漿料層形成有效的環向約束，基于摩擦機理，粘結剛度隨之增大。因此，金屬波紋管外徑和鋼筋直徑的相對比值較大時，能有效抑制裂縫的開展和鋼筋的滑移，使漿料層能夠承受更大的拉應力和剪切應力。

5 結論

為研究鋼筋插入式灌漿金屬波紋管連接的錨固性能，設計制作了12組共計24個鋼筋插入式灌漿金屬波紋管連接試件，通過連續荷載作用下的拉拔試驗，分析了鋼筋錨固長度、波紋管外徑與鋼筋直徑的相對比值對其錨固性能的影響并得出結論。

(1)根據拉拔試驗結果，鋼筋插入式灌漿金屬波紋管連接的破壞形式主要有鋼筋拉斷破壞和金屬波紋管拔出破壞兩種。

(2)當鋼筋直徑為18 mm、金屬波紋管外徑為63 mm，或當鋼筋直徑為25 mm、金屬波紋管外徑為76 mm且鋼筋錨固長度＞7d時，可保證破壞形式為鋼筋拉斷破壞；當鋼筋直徑為25 mm、金屬波紋管外徑為63 mm且鋼筋錨固長度≥10d時，可保證破壞形式為鋼筋拉斷。

(3)鋼筋的錨固性能與金屬波紋管外徑及鋼筋直徑的相對比值有關。當金屬波紋管外徑和鋼筋直徑的相對比值較大時，能夠提供更佳的錨固性能。

(4)在實際工程中，當所用波紋管外徑與鋼筋直徑的相對比值與本試驗接近時，錨固長度可取10倍鋼筋直徑，從而可保證構件可靠連接。