早期振動對鋼筋套筒灌漿連接受力性能影響的試驗研究

劉敏敏，劉 洋，石 彪，朱清華，蓋玉迪

(1 北京市住宅建筑設計研究院有限公司， 北京 100005； 2 華北科技學院建筑工程學院， 北京 101601； 3 北京思達建茂科技發展有限公司， 北京 100088)

0 引言

近年來，國家大力推進建筑產業現代化和促進傳統建筑業轉型升級，與此同時，隨著我國國民經濟的迅速發展，城市用地和交通也日益緊張，大力發展軌道交通體系也成為當前我國各大城市所關注的焦點。能夠充分利用軌道交通車輛段上部空間，完美地將工業建筑、民用建筑與軌道交通體系有機結合，使得軌道交通與周圍建筑開發能夠和諧融為一體，共同促進發展，是我國各大城市紛紛研究地鐵車輛段上蓋建筑開發的根本原因。

根據我國多年來在裝配式混凝土結構建筑中獲取的經驗，軌道交通車輛段綜合利用裝配式建筑有多方面問題需要研究，其中裝配式混凝土結構的鋼筋連接問題是首要問題。北京普遍采用的鋼筋連接方式為套筒灌漿連接，此連接形式依靠高強灌漿料與鋼筋、套筒之間的粘結實現力的傳遞。目前國內在套筒灌漿連接的受拉性能[1-4]、筒壁應力分析[5]、循環荷載作用下的連接性能[6]，以及灌漿缺陷對連接性能的影響[7]等方面均有一定的研究，但振動對套筒灌漿連接性能的影響研究較少。車輛段上蓋項目與普通平地項目的較大環境差別是車輛運行帶來的微振動，本文針對振動對套筒灌漿連接性能的影響進行研究。

1 試驗概況

1.1 試件設計

按照《鋼筋套筒灌漿連接應用技術規程》(JGJ 355—2015)[8](簡稱灌漿連接規程)的要求，試驗共制作了15組試件，以振動頻率、振幅和鋼筋直徑d為變量，對鋼筋套筒灌漿連接試件進行單向拉伸試驗和型式檢驗。15組試件中含一組大振幅試件，其鋼筋直徑14mm,頻率2Hz，振幅1mm，探尋振幅對套筒連接影響的邊界情況。試件選用GT4系列鋼筋半灌漿球墨鑄鐵套筒、CGMJM-Ⅵ型高強水泥基灌漿料和HRB400E級抗震鋼筋，鋼筋錨入套筒長度為8d。試件參數見表1，試件及模擬振動裝置見圖1。

圖1 模擬振動裝置及套筒連接試件

1.2 試件材料

取與試件同批次GT4/14，GT4/20套筒，按照《鋼筋連接用灌漿套筒》(JG/T 398—2012)[9]要求進行材料性能檢測，檢測結果如表2所示。選取同批次鋼筋試件3個，進行鋼筋的單向拉伸試驗，檢測結果如表3所示。

套筒灌漿連接試件參數 表1

GT4型半灌漿套筒材料性能 表2

鋼筋實測力學性能 表3

灌漿料采用設計強度為85MPa的CGMJM-Ⅵ型高強水泥基灌漿料，依據《鋼筋連接用套筒灌漿料》(JG/T 408—2013)[10]，同條件下制作40mm×40mm× 160mm棱柱體試塊，實測28d抗壓強度為92MPa。

1.3 試驗方法

試驗設計制作試件固定架，通過一臺功率為200W、扭矩為12N·m的步進電機實現振動，對灌漿完成后的試件進行連續24h振動擾動，采用百分表復測試件振動位移。對3組20-F2-A3試件組進行型式檢驗，包括單向拉伸試驗、高應力反復拉壓試驗和大變形反復拉壓試驗，對其他12組試件組進行單向拉伸試驗，如圖2所示。試驗方法按照《鋼筋機械連接技術規程》(JGJ 107—2016)[11]和灌漿連接規程有關規定執行，采用卡尺測量試件有效區段的伸長值。單向拉伸試驗在實驗室完成，型式檢驗在國家建筑工程質量監督檢驗中心進行。

圖2 單向拉伸試驗

2 型式檢驗結果

對3組20-F2-A3試件組依據灌漿連接規程的有關規定，對灌漿料在受到振動荷載影響情況下凝固所形成的灌漿套筒接頭進行成組型式檢驗，試件編號分別為20-F2-A3-01～20-F2-A3-03，20-F2-A3-04～20-F2-A3-06， 20-F2-A3-07～20-F2-A3-09，檢驗結果見表4～6。

單向拉伸性能檢驗數據 表4

高應力反復拉壓性能檢驗數據 表5

大變形反復拉壓性能檢驗數據 表6

鋼筋套筒灌漿連接接頭在單向拉伸、高應力反復拉壓、大變形反復拉壓下的抗拉強度和殘余變形性能均滿足灌漿連接規程的相關要求。

3 拉伸試驗結果分析

對以直徑、振幅和頻率為變量的12組試件組進行拉伸試驗。試驗結果表明：鋼筋套筒灌漿連接接頭屈服強度不小于連接鋼筋屈服強度標準值；鋼筋套筒灌漿連接接頭抗拉強度不小于連接鋼筋抗拉強度標準值，滿足灌漿連接規程關于連接接頭的強度性能要求。

3.1 破壞形態

試件的破壞形態見圖3。在連接接頭破壞前鋼筋均已達到屈服，試件破斷于接頭外鋼筋；在破壞試件套筒端部，出現灌漿料深度為10～20mm的錐形脫落現象。

圖3 試驗破壞后試件

從表7數據看出，試件破壞方式均為鋼筋拉斷破壞。直徑14mm鋼筋屈服強度范圍為451～489MPa，平均值465MPa；極限強度范圍為598～635MPa，平均值610MPa。直徑20mm鋼筋屈服強度范圍為445～457MPa，平均值451MPa；極限強度范圍為572～581MPa，平均值575MPa。試件測試結果與鋼筋試件實測結果基本一致，破壞形態一致。

3.2 荷載-變形曲線

圖4為相同鋼筋直徑、相同振動頻率、不同振幅下，典型試件的荷載-變形關系曲線。試件的變形主要為鋼筋的變形，同時也受灌漿接頭處變形的影響，由圖可知，各試件的荷載-變形曲線大致相同，試件的破壞變形隨振幅的增大呈現出增大的趨勢，但差異不大。由此說明，振動荷載中振幅的增大對于套筒灌漿接頭的受力性能有著不利的影響，但影響幅度較小。同時注意到，1mm振幅的14-F2-A4試件組的破壞變形出現了明顯的減小，由于本次試驗1mm振幅試件較少，無法做出分析，針對此問題應做進一步的研究。

圖4 不同振幅下典型試件的荷載-變形關系曲線

圖5為兩種鋼筋直徑下，振幅相同、振動頻率不同時典型試件的荷載-變形關系曲線。從圖中可以看出，不同振動頻率下，試件的荷載-變形曲線基本重合，極限荷載與破壞變形并沒有隨振動頻率的增加呈現出一定的變化規律。說明振動荷載中振動頻率的變化對試件受力性能的影響很小。

圖5 不同振動頻率下典型試件的荷載-變形關系曲線

單向拉伸試驗結果 表7

圖6為兩種振幅下，振動頻率相同、鋼筋直徑不同時典型試件的荷載-變形關系曲線。從圖中可以看出，試件破壞前，相同應力條件下直徑20mm鋼筋接頭的變形大于直徑14mm鋼筋接頭的變形。

圖6 不同鋼筋直徑典型試件的應力-變形關系曲線

3.3 鋼筋偏心現象

對試件進行觀察，可發現原本鋼筋對中設計制作的各組接頭試件均出現了不同程度的偏心現象(圖7)。比較發現，振幅越大，偏心越大，14-F2-A4試件組(振幅1mm)鋼筋基本緊貼套筒內壁。產生此現象的原因為試驗施加的振動荷載為單向荷載，并非往復荷載，此點與實際振動情況(往復振動)有差異，但此差異對套筒灌漿連接接頭的性能有不利影響，因此不影響結論的正確性。

圖7 接頭鋼筋偏心現象

4 結論

(1)灌漿料凝固期內，受振動荷載影響的鋼筋套筒灌漿連接試件經檢驗破壞狀態均為套筒外鋼筋拉斷破壞，其單向拉伸、高應力反復拉壓及大變形反復拉壓性能均滿足灌漿連接規程的相關要求。

(2)振動荷載中振幅的增大對于鋼筋套筒灌漿連接試件的受力性能有著不利的影響，但影響幅度較小。

(3)低頻率振動荷載中振動頻率的變化對鋼筋套筒灌漿連接試件受力性能的影響很小。

(4)試件破壞前，相同應力條件下，大直徑鋼筋的連接試件變形大于小直徑鋼筋的接頭變形。

(5)單向的振動荷載造成鋼筋在連接套筒內偏置，但連接性能仍能滿足相關規范要求。