裝配式混凝土結構套筒灌漿連接偏差仿真

王 姝，廉瑞強，王初生

(1.重慶工程學院，重慶 400056；2.重慶工商大學，重慶 400000)

1 引言

為了令裝配式混凝土結構整體具備一定的抗震性能與承載力[1-3]，套筒灌漿連接是當前裝配式混凝土結構中使用最多的節點與接縫連接方式。然而，由于這種連接方式缺乏嚴格的施工質量標準和規范控制，套筒灌漿連接的質量無法得到有效保證[4-6]。為保證預制套管與混凝土連接處的灌漿質量，應及時檢查預制套管與混凝土連接處的灌漿偏差灌漿，而套筒灌漿連接偏差的檢驗需通過檢驗套筒灌漿飽滿度高低實現。

壓電阻抗技術屬于一種全新的結構損傷識別技術，廣泛應用于混凝土強度發展、混凝土裂縫和螺栓松動等領域。

基于以上分析，通過仿真研究裝配式混凝土結構套筒灌漿連接偏差，運用壓電阻抗技術實時采集所需檢驗試件的相關信號數據，將收集的數據用于仿真分析，檢驗出各試件的套筒灌漿飽滿度高低，以此對比出各試件套筒灌漿連接偏差的高低，為有效控制裝配式混凝土結構套筒灌漿連接質量提供參考。

2 試驗材料與方法

2.1 試件材料與制備

以A、B兩組試件為試驗試件，其中A組試件通過套筒單獨制備而成，包含A1、A2兩個試件；B組試件則為套筒與素混凝土制備而成，包含B1、B2兩個試件。其中A組兩個試件的尺寸均為110mm×110mm×330mm，B組兩個試件的尺寸均為52mm×330mm，兩組各試件的縱向鋼筋均為HRB400強度等級的25mm直徑螺紋鋼，該螺紋鋼的標準強度值為400Mpa。各試件的套筒表面處理步驟相同，以A組試件為例，其制備步驟為：因套筒外壁屬于圓弧面，而壓電片表面屬于平面，故應先通過切割機于套筒外壁處切割出一個25mm×25mm平面尺寸且厚度為2.5mm的面，運用所切割出的面在套筒外壁粘貼壓電片；制備試件的過程中，為有效防護粘貼好的壓電片，需在向套筒外壁粘貼好壓電片之后，將環氧樹脂膠涂布于壓電片表面；在環氧樹脂膠徹底干硬之后，在110mm×110mm×330mm的試模中居中放置好套筒，并在試模兩端分別加工一塊鋼板，鋼板的尺寸為110mm×110mm×11mm，在鋼板正中打開一個Φ25mm孔洞，采用25mm直徑螺紋鋼居中安置套筒于試模中；向試模內澆筑攪拌后的C35素混凝土，放于振動臺上6min振搗密實后，放置2d，拆模，于室內常溫下養護脫模后試塊，每日澆一次水，待28d養護后成型，完成試件的制備。兩組試件的基本信息與壓電片布置位置詳見表1。

表1 各試件基本信息與壓電片布置位置詳情

兩組試件的灌漿飽滿度ρ設置為以每次25%體積的漿料由0%開始灌漿，同時對灌漿料流動狀況下的壓電片電導信號進行收集，然后繼續灌漿25%體積漿料并收集壓電片電導信號，繼續重復以上操作直至套筒灌滿為100%灌漿為止。灌漿時所用灌漿料為淄博三基建筑工程材料有限公司生產的SG-CGM型灌漿料，各試件所用套筒為江蘇同力金屬有限公司生產的JGJ107-2016型號。灌漿料與套筒均可滿足建筑行業產品的標準需求，其中灌漿料的基礎性能符合《鋼筋連接用套筒灌漿料》(JG/T 408—2013)，套筒的基礎性能符合《鋼筋連接用灌漿套筒》(JG/T 398—2012)。

2.2 試驗方法

試驗中運用灌漿飽滿度ρ對裝配式混凝土結構套筒灌漿連接偏差進行評估，即試驗試件實際套筒灌漿飽滿度越高則代表該試件套筒灌漿連接偏差越低，反之則代表該試件套筒灌漿連接偏差越高[7-8]。

2.2.1 灌漿飽滿度工況控制

采用人工控制灌漿料體積的方式設置各種灌漿飽滿度工況。通過橡膠圈固定好試件的上下兩端鋼筋，同時將套筒底部封住，再選取200ml的注射器由試件頂部鋼筋插入口處將所需灌漿料注射到套筒腔內。經實測，所制備的試驗試件套筒灌滿灌漿料的體積為190ml，因所設置的灌漿飽滿度ρ包括0%、25%、50%、75%及100%五種工況，故每次注入試件套筒腔內的灌漿料體積為190×灌漿飽滿度ρ。

2.2.2 套筒灌漿飽滿度識別

套筒灌漿飽滿度對裝配式混凝土結構連接節點的抗震性能與受力性能有著直接的影響作用，故對于裝配式混凝土結構套筒灌漿連接的質量而言，精準識別套筒灌漿飽滿度缺陷可及時發現套筒灌漿連接偏差，對提升裝配式混凝土結構套筒灌漿連接質量有重要作用[8]。壓電阻抗技術屬于一種較為成熟的結構健康識別技術，可對各類型結構出現損壞時的相關數據進行精準采集。然而在實際工程運用當中，不僅需對損壞數據進行精準采集，而且需重點關注所采集數據的后期處理與損壞指標的創建，以損壞指標高低為依據評估識別損壞程度，按照評估識別結果修復損壞結構。試驗中選用均方根(RMS)、均方根偏差(RMSD)及協方差(Cov)作為評估識別套筒灌漿飽滿度缺陷的指標，各指標運算方式如下：

1)RMS：RMS是通過兩組數據平方后再開方而得到的比值，此兩組數據的差異性越低則此比值越接近1，運算式為

(1)

式(1)中，所采集到的兩組試驗數據分別為ai與bi，采集信號的點數以n表示。為了將RMS同灌漿飽滿度之間的關聯更清晰地展現，現定義Drms新指標表達式為

(2)

式(2)中，若試件100%灌滿漿工況之下所采集到的電導信號以ai表示，而試件其它灌漿工況之下所采集到的電導信號以bi表示，那么針對同一個壓電片而言，Drms值越低則代表實際灌漿越飽滿，即套筒灌漿連接偏差越小；反之，若試件0%灌漿工況之下所采集到的電導信號以ai表示，而試件其它灌漿工況之下所采集到的電導信號以bi表示，則針對同一個壓電片而言，Drms值越低代表實際灌漿越不飽滿，即套筒灌漿連接偏差越大。

2)RMSD：兩組采集數據的相對變化程度可通過RMSD反映出，運算式為

(3)

式(3)中，當試件在0%灌漿工況下與其它灌漿工況下所采集的電導信號分別以ai與bi表示，則同一個壓電片的RMSD值越高，代表實際灌漿越飽滿，即套筒灌漿連接偏差越小；當試件在100%灌漿工況下與其它灌漿工況下所采集的電導信號分別以ai與bi表示，則同一個壓電片的RMSD值越高，代表實際灌漿越不飽滿，即套筒灌漿連接偏差越大。

3)Cov：兩組采集數據的相關性大小可通過Cov反映出，Cov值越高則代表兩組采集數據的相關性越大，運算式為

(4)

2.3 試驗設備

試驗主要設備為由吉時利4200A-SCS型號精密阻抗分析儀、數據連接電纜及紹興俊吉能源科技有限公司生產的HyCT-03測試夾具所構成的信號采集裝置，該裝置的最高測試電壓為1V，測試頻段在22Hz～5.2×106Hz之間；試驗中所運用的壓電片為Φ18×0.42的圓片，由東莞市聲暢電子科技有限公司提供，其機電耦合系數高于0.46，電容值為2.55nF。

3 仿真結果分析

采集到兩組試件在0%～100%不同灌漿工況下的壓電片電導信號，在此均以100%灌漿工況下的電導信號作為基準信號ai，其它灌漿工況之下所采集到的電導信號為bi，對兩組各試件壓電片電導的Drms指標值、RMSD指標值及Cov指標值依次進行運算，通過對比兩組試件壓電片在各種灌漿工況下三種指標的變化情況，識別試件的實際套筒灌漿飽滿度，即各試件的套筒灌漿連接偏差情況。

3.1 Drms指標值結果分析

運用所采集的各試件壓電片電導信號，對A、B兩組試件壓電片電導Drms指標值進行運算，所得運算結果如表2所示。

表2 兩組試件壓電片電導Drms指標值

通過表2可看出，在以各試件100%灌漿工況下所采集到的電導信號作為基準信號的情況下，隨著灌漿飽滿度ρ的提升，各試件壓電片電導Drms值均呈現降低趨勢，因100%灌漿飽滿度ρ時各試件壓電片電導Drms值均為0，故以75%灌漿飽滿度ρ時各試件壓電片電導Drms值作為最終對比值，可得出各試件壓電片電導Drms值由高到低排序依次為A1—B2—A2—B1，由此可見，各試件中A1試件的壓電片電導Drms值最高，也就是其實際灌漿飽滿度最低，其套筒灌漿連接偏差最大；而B1試件的壓電片電導Drms值最低，即其實際灌漿飽滿度最高，其套筒灌漿連接偏差最小。

3.2 RMSD指標值結果分析

繼續運算獲取到A、B兩組各試件壓電片電導的RMSD指標值，如圖1所示。

圖1 各試件壓電片電導RMSD指標值對比

由圖1能夠得知，在同樣的基準信號下，各試件壓電片電導RMSD值隨灌漿飽滿度ρ的提升均呈現不同程度的下降趨勢，仍以75%灌漿飽滿度ρ時各試件壓電片電導RMSD值進行對比，各試件壓電片電導RMSD值由高到低排序依次為A1、B2、A2、B1，說明，A1試件與B1試件分別為壓電片電導RMSD值最高與最低試件，即A1試件實際灌漿最不飽滿，其套筒灌漿連接偏差最大，B1試件實際灌漿最為飽滿，其套筒灌漿連接偏差最小。

3.3 Cov指標值結果分析

A、B兩組試件壓電片電導的Cov指標值運算結果詳見表3。

表3 各試件壓電片電導Cov指標值(×10-11)

分析表3中數據可得出，在灌漿飽滿度ρ的提升過程中，各試件壓電片電導Cov值也隨之升高，其中B1試件在灌漿飽滿度ρ為100%時其壓電片電導Cov值最高，而A1試件此時的壓電片電導Cov值最低，由此說明，B1試件的實際灌漿最飽滿，A1試件的實際灌漿最不飽滿，即B1試件套筒灌漿連接偏差最小，而A1試件套筒灌漿連接偏差最大。

綜合以上三組仿真結果可得出，A、B兩組四個試件中實際灌漿飽滿度最高的為B1試件，也就是B1試件為各試件中套筒灌漿連接偏差最低的試件，該試件套筒灌漿連接質量最高。

4 結論

1)運用壓電阻抗技術采集各組試件壓電片不同灌漿工況下的電導信號，運用所采集電導信號數據運算出各試件壓電片電導的Drms指標值、RMSD指標值與Cov指標值，依據運算結果分析得知，A組的A1試件實際灌漿飽滿度最低，其套筒灌漿連接偏差最大，而B組的B1試件實際灌漿飽滿度最高，其套筒灌漿連接偏差最小。通過仿真可初步檢驗出裝配式混凝土結構套筒灌漿連接偏差。

2)在以后的研究中，會以不同灌漿工況下所采集的電導信號作為基準信號，繼續檢驗裝配式混凝土結構套筒灌漿連接偏差，為精準把控裝配式混凝土結構節點連接質量提供科學依據。