裝配式建筑套筒灌漿密實度對受力性能影響及檢測方法研究

余印根

(福建省永正工程質量檢測有限公司 福建福州 350108)

0 引言

裝配式建筑具有生產效率高、構件質量高、施工耗能低等優點，符合綠色建筑要求。近年來，混凝土結構裝配式建筑在工程實際中大面積應用，其預制構件之間的可靠連接，是裝配式建筑設計的關鍵。目前，工程中常用套筒灌漿，對預制構件主筋進行連接[1-3]。

鋼筋灌漿套筒連接的工作原理，是在套筒的兩端將受力鋼筋插入，而后采用注漿工具灌注高強灌漿料，依靠受力鋼筋和套筒內壁同灌漿料之間的粘結力傳遞兩根鋼筋的力，達到連接兩根鋼筋傳力的力學效果。裝配式建筑預制件采用套筒灌漿連接時，需從注漿孔注入灌漿料，當灌漿料從出漿孔溢出時，通常判斷為灌漿結束。工程實際應用中，存在著套筒內有堵塞物、套筒內部空氣未完全排出、套筒局部漏漿等諸多因素，很難確保套筒內部灌漿的密實度，影響著連接節點的承載力[4-5]。

如何確保套筒灌漿密實度，是裝配式建筑施工質量控制的關鍵，對節點的安全連接有不可忽視的重要性。為直觀的闡明套筒灌漿密實度對于鋼筋套筒灌漿連接性能的影響，基于文獻[6]的試驗研究基礎，建立鋼筋套筒灌漿連接節點數值模型，針對不同密實度進行力學性能研究，并根據研究的結果，提供了工程上常用的鋼筋套筒灌漿連接節點密實度檢測方法，以期為工程實際檢測提供參考。

1 有限元建模

1.1 有限元模型建立

鋼筋套筒灌漿連接節點的有限元模型、受力方向和邊界條件如圖1所示。限制鋼筋套筒灌漿連接節點右端鋼筋的X、Y、Z三個方向的自由度，使其成為固定約束，另一端約束X、Y的自由度，在Z軸方向施加力或者位移。

圖1 有限元模型

套筒、鋼筋和灌漿料采用實體單元(C3D8R)模擬，為了模擬鋼筋和灌漿料之間的粘結-滑移，鋼筋和灌漿料之間的接觸采用非線性彈簧單元Spring2進行模擬。由于非線性彈簧單元Spring2是點對點的接觸，所以在劃分網格時，要通過控制網格種子的數量確保鋼筋和灌漿料之間點和點的對應，網格劃分采用結構劃分(Structured)。

Spring2彈簧單元的定義需要修改ABAQUS的inp文件，對于垂直于鋼筋和灌漿料方向上的力-滑移相對曲線，文獻[7]將線性彈簧單元的彈簧剛度設置為1×1011來進行模擬。而對于鋼筋和灌漿料縱向切向的彈簧單元，則需要在inp文件中定義滑移本構曲線，滑移本構中的采用《混凝土結構設計規范》GB50010-2010[8]中的粘結滑移本構模型，彈簧模型接觸如圖2所示。

圖2 彈簧單元接觸

1.2 材料本構模型

模型鋼筋選用HRB400直徑16 mm，泊松比和彈性模量分別為0.3和2.1×105MPa，采用雙折線模型定義鋼筋的應力-應變曲線關系，鋼筋應力-應變關系如圖3所示。

圖3 鋼筋應力-應變關系

鋼筋灌漿套筒的材料是優質的球墨鑄鐵材料，應力-應變關系按照理想彈性模型進行建立，彈性模型和泊松比同鋼筋，強度為550 MPa，應力-應變關系如圖4所示。

圖4 套筒應力-應變關系

灌漿料本構采用有限元軟件中提供的混凝土損傷塑性模型，其應力-應變關系用《混凝土結構設計規范》GB50010-2010附錄C提供的混凝土本構關系，其中彈性段通過定義材料的極限彈性應力和楊氏模量來實現，非彈性段則用規范提供的計算公式進行確定，混凝土受拉公式：

(1)

混凝土受壓公式：

(2)

式中相關參數含義詳見《混凝土結構設計規范》，公式計算所得混凝土應力-應變曲線如圖5所示，混凝土彈性模量取33000 MPa，泊松比取0.2。

圖5 混凝土應力-應變曲線

2 不同密實度鋼筋灌漿套筒連接節點模型受力分析

2.1 模型驗證

文獻[6]對鋼筋套筒灌漿連接節點進行了試驗研究，得到了試件的荷載-位移曲線。為了驗證模型的準確性，采用1.1節和1.2節中的建模方法和材料本構，建立了有限元數值模型，具體建模構件尺寸參數見文獻[6]，試驗數據同有限元計算數據對比曲線圖如圖6所示。從圖中反映的情況來看，有限元數值模型計算所得荷載-位移曲線，能很好的同試驗所得荷載-位移曲線擬合。文獻[6]試驗所得鋼筋套筒灌漿連接節點屈服強度93.6 kN，極限抗拉強度129.3 kN，有限元數值模型計算所得屈服強度和極限抗拉強度分別為93.2 kN和128.8 kN，同試驗數據誤差均為0.4%。因此，基于此有限元數值模型，能夠對不同密實度的鋼筋套筒灌漿連接節點力學性能進行模擬研究。

圖6 數據對比

2.2 不同密實度參數分析

為了直觀對比出不同密實程度對鋼筋灌漿套筒力學性能的影響，在2.1有限元數值模型的基礎上，定義了密實度分別為50%、80%、90%、95%和100%的套筒灌漿模型，如圖7所示。

圖7 不同密實度有限元模型

通過有限元數值模型計算的不同密實度鋼筋灌漿套筒模型荷載-位移曲線如圖8所示，數據如表1所示。

圖8 數據對比

表1 計算數據 kN

從圖8和表3分析可得，隨著灌漿料密實度的降低，鋼筋套筒灌漿的屈服強度和極限承載力均發生了明顯的下降。從100%降低至95%時，分別降低3.2%和5.5%；從100%降低至90%時，分別降低5.9%和9.4%。當灌漿料密實度低于80%時，鋼筋套筒灌漿連接節點的破壞模態由鋼筋拉斷變為鋼筋拔出。由此可知，密實度對套筒的受力性能影響顯著，隨著密實度的降低，會導致套筒的屈服強度和極限承載力降低。當密實度低于80%時，套筒的破壞模式為鋼筋拔出，密實度過低，會無法發揮套筒灌漿連接節點的性能，致使工程當中存在隱患。

3 檢測方法

3.1 預埋傳感器法

套筒灌漿前，在出漿口處預埋阻尼振動傳感器，監測灌漿料初凝前和灌漿時的振動能量值。灌漿料包裹傳感器時，傳感器監測到的能量值會發生衰減，根據能量值的變化判斷套筒灌漿的飽滿程度。當監測到灌漿料填充不飽滿的情況，可直接進行填補，從而使套筒灌漿質量達標。預埋傳感器法又稱阻尼振動法，傳感器在激勵驅動下產生振動，因阻力其振幅會隨時間衰減[9]。傳感器阻尼系數由小到大分別是空氣、水和灌漿料，傳感器的振幅的衰減速率隨阻尼系數增大而增大。

LI X M等[10]采用阻尼振動法對實驗室和工程實際的套筒灌漿飽滿度進行無損檢測研究，通過研究所得給出飽滿度判斷標準：i類，振動能量值≤100，灌漿料飽滿；ii類，100≤振動能量值≤150，灌漿料基本飽滿；iii類，振動能量值≥150，灌漿料不飽滿。當工程實際應用中遇到iii類情況時，需要對套筒進行補灌，i類和ii類情況則不需要進行處理。

預埋傳感器法不僅能檢測套筒灌漿的飽滿程度，還可以對漏漿后的再次補灌進行檢測[11]。當工程中采用預埋傳感器發進行檢測時，如發現灌漿不飽滿的情況，應當立即進行補灌，確保套筒灌漿質量。目前，已有多省將該檢測方法納入地方標準當中[12]。

3.2 X射線法

X射線無損檢測法的原理，是X射線能夠穿透光無法穿透的物質，并具有在物質中衰減的特性。根據采用的設備不同，可分為工業CT技術和便攜式X射線技術[13]。

工業CT技術通過對試件進行掃描，數字成像透視，通過成像圖的圖像灰度，分析套筒內部灌漿的密實程度。該方法可以排除套筒外壁、混凝土和鋼筋對灌漿料的遮擋，直觀地分辨試件內部結構和缺陷。目前，已有學者對該無損檢測方法進行研究[14]。工業CT技術無損檢測對套筒密實度的檢測準確性高，但由于設備較大，放射性高，無法很好地應用到工程實際中，這限制了其發展。

相較于工業CT技術，便攜式X射線技術能更好應用在工程實際中。其可分為X射線膠片成像法、X射線計算機成像法和X射線數字成像法。X射線膠片成像法成像模糊，需要洗片，效率和準確度較低，X射線計算機成像法在成像環節中，容易丟失信息，且成像模糊。相較于前兩種成像方法，X射線數字成像法成像環節少，成像清晰，建議在工程實際應用中，采用X射線數字成像法。由于X射線法不可避免存在有輻射的問題，因此，在工程實際應用過程中，需要主要輻射的防護。

3.3 沖擊回波法

沖擊回波無損檢測法，是以應力波傳播為基礎的一種無損檢測法。目前，關于沖擊回波法檢測灌漿套筒密實度的研究已經較為成熟，由于其現場操作方便，在工程實際中得到廣泛應用。但是，對于一些結構形式，如鋼筋套筒居中布置的試件，會導致沖擊回波法對套筒密實的定量結果產生誤差，而鋼筋套筒雙排布置試件，沖擊回波法甚至無法檢測出套筒灌漿的密實度[15]。

沖擊回波無損檢測法有較強的工程實際應用性，但是仍需要對檢測的方式和檢測設備進行改進和提升，以達到提高檢測準確度的目的。

4 結論

在已有試驗數據的基礎下，建立了有限元數值模型，以不同密實度作為鋼筋套筒灌漿連接節點參數，分析了密實度對其受力性能的影響，并梳理總結了工程中常用的無損檢測方法，得出以下結論：

(1)以本文模型計算為例，當套筒灌漿的密實度為50%和80%時，其破壞模式為鋼筋被拉出，不能發揮鋼筋套筒灌漿連接節點的受拉能力，可見灌漿料密實度對于連接的重要性。

(2)通過本文計算模型，并結合現有試驗數據表明，當套筒灌漿的密實度為90%、95%和 100%時，其破壞模式均為鋼筋拉斷破壞。這三種密實度都較好地發揮了鋼筋灌漿套筒連接的受力性能。但是隨著密實度的降低，連接節點的承載力也降低，從100%到95%，降低了3.5%；從100%到90%，降低了7%。由此可見，密實度的變化，對極限承載力的影響較為明顯。

(3)套筒灌漿密實度無損檢測方法，有預埋傳感器法、X射線法、沖擊回波法等，可根據工程遇到的實際情況，選擇使用上述無損檢測方法，從而達到控制套筒灌漿施工質量的目的。