施工缺陷對半灌漿套筒連接件性能的影響*

沈 天，鄭榮躍，葉陳振

(寧波大學土木與環境工程學院，浙江 寧波 315020)

0 引言

裝配式結構是目前我國重點發展的結構形式之一，相比傳統的現澆混凝土結構，其具有工期短、能耗低、環保、成本低等優點[1-3]，符合可持續發展要求。鋼筋套筒灌漿連接技術廣泛應用于裝配式結構施工中，套筒灌漿質量對于保證構件節點乃至整個結構安全具有重要作用。鋼筋套筒灌漿連接技術主要工作原理是將帶肋鋼筋插入高強金屬套筒中，在套筒內部注入灌漿料，待灌漿料凝結后，通過灌漿料與套筒內壁剪力鍵之間的機械咬合力、灌漿料與鋼筋橫肋之間的機械咬合力及灌漿料表面與鋼筋之間的摩擦力實現鋼筋有效連接，通過套筒對灌漿料的約束作用，顯著提高鋼筋與灌漿料之間的黏結強度[4]。

施工缺陷會削弱套筒灌漿連接強度，甚至導致連接失效，從而對剪力墻乃至整體結構承載能力造成影響，使建筑物存在嚴重的安全隱患[5]，因此，學者們對帶缺陷的灌漿套筒連接接頭性能進行了大量研究，如匡志平等[6]的研究表明，灌漿套筒連接件破壞形態主要取決于灌漿料與鋼筋之間的黏結強度及鋼筋極限抗拉強度；陳曦等[7]提出施工缺陷可檢修型半灌漿套筒，可實現灌漿質量檢測與施工缺陷修復。基于已有研究，為分析實際工程中常見施工缺陷對連接件性能的影響，本文制作52個半灌漿套筒連接件，并開展單軸拉伸試驗。

1 試驗概況

1.1 材料性能

本試驗采用高強無收縮灌漿料，根據JG/T 408—2013《鋼筋連接用套筒灌漿料》[8]中的相關規定，制作160mm×40mm×40mm(長×寬×高)標準試件進行抗壓試驗與流動度試驗，拌合用水含量為13%。測得灌漿料1，3，28d抗壓強度分別為36.3，65.2，94.6MPa，初始流動度為332mm，30min后流動度為277mm。

本試驗采用φ20 HRB400鋼筋，通過材料性能試驗測得鋼筋平均屈服強度為458.3MPa，平均極限強度為583.5MPa，彈性模量為203GPa，斷后伸長率為21.6%。

本試驗采用GT20型球墨鑄鐵套筒，抗拉強度為592.6MPa，彈性模量為205GPa，斷后伸長率≥5%，球化率≥85%，各項性能符合JG/T 398—2012《鋼筋連接用灌漿套筒》[9]中的相關規定。

1.2 缺陷設計

對18個裝配式結構工程施工現場進行實地調研，參考有關研究成果[10-12]，可知豎向構件(預制柱、墻)相比橫向構件(預制梁)更易存在施工缺陷。豎向構件常見且危害性較大的施工缺陷包括：①注漿完成后，施工人員拔出注漿槍后未及時封堵注漿口，灌漿料在重力作用下自注漿口回流，導致連接件頂部存在空隙。②因連通腔封堵不密實、封邊材料開裂導致漏漿，造成接頭頂部灌漿不密實，形成頂部缺陷。③灌漿前，施工人員未對下部結構裸露鋼筋進行檢查清理，導致部分混凝土與裸露鋼筋黏結，由于普通混凝土強度小于高強灌漿料強度，因此，在接頭內部形成薄弱層。此外，由于灌漿料30min后流動度較小，補灌操作無法完全將接頭內部空氣排出，形成中部缺陷。④灌漿過程中，由于施工人員對注漿口持壓不足，導致空氣與灌漿料同時注入套筒內部，形成多個小氣泡，進而形成分布缺陷。⑤對于無法插入套筒的鋼筋，施工人員將其剪斷，縮短了鋼筋實際錨固長度，造成鋼筋錨固長度不足，對接頭受力性能造成影響。⑥由于吊裝前鋼筋定位不準確，導致下部鋼筋與上部鋼筋無法在同一直線上進行傳力。

利用沖擊回波法對422個連接節點灌漿套筒接頭進行檢測，發現存在施工缺陷的接頭數量為37個，占檢測樣本總數的8.8%，其中，頂部缺陷套筒20個，中部缺陷套筒12個，分布缺陷套筒5個，分別占缺陷樣本總數的54.1%，32.4%，13.5%，可知頂部缺陷出現的概率最大，中部缺陷次之，分布缺陷最小。由于豎向構件一般采用半灌漿套筒連接，因此，對半灌漿套筒連接接頭進行研究，根據上述缺陷情況，設計頂部缺陷、中部缺陷、分布缺陷、錨固長度不足、鋼筋偏置連接件。試驗變量包括缺陷沿鋼筋的縱向長度、缺陷類型、缺陷數量。為使鋼筋順利插入套筒，須保證鋼筋直徑與缺陷厚度之和小于套筒內徑，因此，設定缺陷厚度h=3mm。設置鋼筋偏置連接件時，使鋼筋與套筒內壁相貼，測得鋼筋偏置距e≈5mm。設置缺陷時，對多種材料進行篩選，最終采用熱縮管包裹鋼筋的方式進行設置，如圖1所示。使用熱風槍加熱熱縮管，使其能夠良好地貼合鋼筋。

圖1 缺陷設置示意

1.3 連接件制作

1)螺紋端鋼筋套絲并與套筒擰緊，利用抱箍將螺紋端鋼筋及套筒固定在鋼模具上。

2)設置缺陷，并將灌漿端鋼筋插入指定深度，利用底部開有圓孔的橡膠塞封堵套筒下部洞口，利用抱箍將灌漿端鋼筋及套筒固定在鋼模具上。

3)將塑料軟管插入套筒出漿口，并上傾一定角度，確保注漿槍拔出后灌漿料可回流，以保證灌漿飽滿。

4)配制適量高強灌漿料，按水料比13%加水攪拌5min并靜置2min，待氣泡冒出后使用注漿槍在30min內完成灌漿。

5)灌漿完成后，使用橡膠塞封堵出漿口和注漿口，并養護28d。

1.4 加載制度與參數測定方法

根據JGJ 355—2015《鋼筋套筒灌漿連接應用技術規程》[13]的相關要求，采用微機控制電液伺服萬能試驗機進行單軸拉伸試驗，采用位移控制模式進行加載，加載速率為10mm/min。為研究連接件力學性能，需測量連接件破壞時的極限承載力、灌漿端鋼筋與套筒之間的相對滑移位移，其中，極限承載力通過加載系統直接讀取的數據計算得到，相對滑移位移通過位移計測得。

2 試驗結果與分析

2.1 連接件破壞形態

半灌漿套筒連接件破壞形態主要包括：①Ⅰ類 螺紋端鋼筋被拉斷(見圖2a)，鋼筋達到極限強度后連接件出現此類情況；②Ⅱ類 灌漿端鋼筋被拉斷(見圖2b)，鋼筋達到極限強度后連接件出現此類情況；③Ⅲ類 灌漿端鋼筋被拔出(見圖2c)，當灌漿端鋼筋與灌漿料之間的黏結強度不足時，連接件出現此類情況，實際工程中應避免。

圖2 半灌漿套筒連接件破壞形態

2.2 試驗結果

試驗結果如表1所示，連接件編號規定如下：①對于灌漿飽滿的連接件，以BM-20-1為例，BM表示灌漿飽滿，20表示鋼筋直徑為20mm，1表示連接件代號；②對于頂部缺陷連接件，以DB-20-1d-1為例，DB表示頂部缺陷，20表示鋼筋直徑為20mm，1d(d為鋼筋直徑)表示缺陷長度為1倍鋼筋直徑，1表示連接件代號；③對于中部缺陷連接件，以ZB-20-1d-1為例，ZB表示中部缺陷連接件，20表示鋼筋直徑為20mm，1d表示缺陷長度為1倍鋼筋直徑，1表示連接件代號；④對于分布缺陷連接件，以FB-20-2×1d為例，FB表示分布缺陷，20表示鋼筋直徑為20mm，2×1d表示2個長度為1倍鋼筋直徑的缺陷；⑤對于錨固長度不足連接件，以MG-20-1d-1為例，MG表示錨固長度不足，20表示鋼筋直徑為20mm，1d表示缺陷長度為1倍鋼筋直徑，1表示連接件代號；⑥對于鋼筋偏置缺陷連接件，以PZ-20-1為例，PZ表示鋼筋偏置缺陷，20表示鋼筋直徑為20mm，1表示連接件代號。除錨固長度不足連接件外，其余連接件鋼筋插入深度均為8倍鋼筋直徑。

表1 試驗結果

2.3 結果分析

2.3.1灌漿飽滿連接件

灌漿飽滿連接件荷載-相對滑移位移曲線如圖3所示。由圖3和表1可知，連接件BM-20-1，BM-20-2，BM-20-3極限承載力分別為182.9，183.3，182.2kN，其破壞形態均為鋼筋拉斷破壞；各連接件極限強度與母材鋼筋相當；各連接件荷載-相對滑移位移曲線具有明顯的彈性階段、屈服階段、強化階段、破壞階段，與母材鋼筋荷載-位移曲線基本保持一致，具有良好的受力性能；灌漿飽滿連接件相對滑移位移平均值為6.41mm，可知鋼筋滑移量較小，屬于延性破壞。

圖3 灌漿飽滿連接件荷載-相對滑移位移曲線

2.3.2頂部缺陷連接件

以代號為1的頂部缺陷連接件為例，其荷載-相對滑移位移曲線如圖4所示。由圖3，4和表1可知，相比灌漿飽滿連接件，頂部缺陷連接件相對滑移位移有所增加，且隨著缺陷長度的增加，連接件相對滑移位移逐漸增大；當頂部缺陷長度設置為1d，2d時，連接件極限承載力分別為183.4，180.6kN，其破壞形態均為鋼筋拉斷破壞，仍能滿足承載力要求；當頂部缺陷長度設置為3d時，連接件極限承載力降為165.0kN，發生鋼筋拔出破壞，相對滑移位移增至10.36mm。綜上所述，影響頂部缺陷連接件滿足承載力要求的缺陷長度臨界值為2d～3d。

圖4 頂部缺陷連接件荷載-相對滑移位移曲線

2.3.3中部缺陷連接件

以代號為1的中部缺陷連接件為例，其荷載-相對滑移位移曲線如圖5所示。由圖3，5和表1可知，相比灌漿飽滿連接件，當中部缺陷長度設置為1d時，連接件極限承載力未發生明顯變化；而當缺陷長度≥2d時，連接件極限承載力有所降低。由圖4，5和表1可知，與頂部缺陷連接件不同，當缺陷長度增至3d時，中部缺陷連接件滑移量較小時承載力便開始下降，連接件峰值承載力為161.2kN，與之對應的滑移量僅為4.43mm，可見當缺陷較大時，中部缺陷連接件承載力與變形能力弱于頂部缺陷連接件，這是因為缺陷長度相同時，中部缺陷連接件灌漿料被分割成2段，更不利于承受荷載。

圖5 中部缺陷連接件荷載-相對滑移位移曲線

2.3.4分布缺陷連接件

分布缺陷連接件荷載-相對滑移位移曲線如圖6所示。由圖6和表1可知，在總缺陷長度均為2d的情況下，連接件彈性階段、屈服階段及達到極限承載力前的強化階段荷載-相對滑移位移曲線基本保持一致；隨著缺陷數量的增加，連接件承載能力逐漸降低，相對滑移位移逐漸減小，當缺陷數量≥3個時，連接件全部為鋼筋拔出破壞。綜上所述，當設置多個缺陷時，灌漿料被分割成多個受力段，受力性能大幅降低，導致承載能力發生質變。

圖6 分布缺陷連接件荷載-相對滑移位移曲線

2.3.5錨固長度不足連接件

以代號為1的錨固長度不足連接件為例，其荷載-相對滑移位移曲線如圖7所示。由圖4，7和表1可知，當缺陷長度設置為1d時，錨固長度不足連接件荷載-相對滑移位移曲線與頂部缺陷連接件較相似，表現為鋼筋拉斷破壞；當缺陷長度≥2d時，錨固長度不足連接件鋼筋被拔出，相對滑移位移增大。綜上所述，頂部缺陷與錨固長度不足均減小了下部鋼筋頂部錨固長度，但頂部缺陷連接件鋼筋仍與灌漿料之間存在黏結作用，因此相同缺陷長度下，頂部缺陷連接件承載力略大于錨固長度不足連接件，由此可見錨固長度不足危害大于頂部缺陷。

圖7 錨固長度不足連接件荷載-相對滑移位移曲線

2.3.6鋼筋偏置缺陷連接件

鋼筋偏置缺陷連接件荷載-相對滑移位移曲線如圖8所示。由圖3，8和表1可知，鋼筋偏置缺陷連接件荷載-相對滑移位移曲線同樣具有完整的彈性階段、屈服階段、強化階段，且均為鋼筋拉斷破壞；相比灌漿飽滿連接件，鋼筋偏置缺陷連接件極限承載力有所降低，連接件PZ-20-1，PZ-20-2，PZ-20-3極限承載力分別降至176.8，175.7，177.3kN，且相對滑移位移較小，變形性能相對較差。相比其他類型缺陷，鋼筋偏置缺陷對連接件承載能力的影響最小，危害較低。

圖8 鋼筋偏置缺陷連接件荷載-相對滑移位移曲線

2.4 黏結強度

計算得到連接件黏結強度如表2所示。由表2可知，高強灌漿料黏結強度最大可達26.3MPa，灌漿飽滿連接件黏結強度約為最大值的69%，因此，當灌漿飽滿時，連接件具有一定安全儲備；頂部缺陷、中部缺陷、錨固長度不足連接件黏結強度隨著缺陷長度的增加而增大，這是由于隨著缺陷長度的增加，灌漿料與鋼筋接觸面積逐漸減小，灌漿料應力分布不均勻，在缺陷兩側出現應力集中現象，從而增大了連接件黏結強度；當頂部缺陷長度為3d時，連接件鋼筋被拔出，黏結強度為26.3MPa；當中部缺陷長度≥2d時，連接件鋼筋被拔出，最大黏結強度為25.7MPa；對于錨固長度不足連接件，當缺陷長度≥2d時，連接件鋼筋被拔出，最大黏結強度為26.0MPa。

表2 連接件黏結強度

對于分布缺陷連接件，缺陷數量由2個逐漸增至6個時，其黏結強度共降低3.7MPa，可得到黏結強度τs與缺陷數量n擬合關系為：

τs=-0.94n+25.96

(1)

3 結語

1)不同類型缺陷對半灌漿套筒連接件力學性能的影響不同。

2)半灌漿套筒連接件破壞形式主要包括螺紋端鋼筋被拉斷、灌漿端鋼筋被拉斷、灌漿端鋼筋被拔出。對于缺陷較小的連接件，下部鋼筋與套筒之間產生了較大的滑移位移，與之對應的破壞形態為鋼筋被拉斷。隨著缺陷長度的增加，中部缺陷連接件由于提前失效，導致相對滑移位移減小，頂部缺陷、錨固長度不足連接件相對滑移位移反而增加，發生鋼筋拔出破壞。

3)灌漿飽滿連接件承載力滿足要求，其黏結強度尚未達到最大值，仍有部分安全儲備；對于頂部缺陷連接件，當缺陷長度為3d時，承載力出現明顯下降；對于中部缺陷、錨固長度不足連接件，當缺陷長度為2d時，承載力開始下降；對于缺陷總長度為2d的分布缺陷連接件，當缺陷數量≥3個時，連接件破壞時的下降段斜率迅速增加，承載力大幅降低。

4)缺陷危害程度排序為：分布缺陷>中部缺陷>錨固長度不足>頂部缺陷>鋼筋偏置，在缺陷長度相同的情況下，分布缺陷和中部缺陷將灌漿料分割成多個受力段，因此危害較大；而其余缺陷類型連接件灌漿料仍為整體，因此危害較小。