新型鋼筋套筒灌膠連接件受力性能試驗(yàn)研究

楊 航，戴紹斌，尚麗詩

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070)

0 引言

裝配式結(jié)構(gòu)可以加快施工速度、改善建筑節(jié)能、提高材料利用率，從而節(jié)約資源和能源，近年來受到國家的大力支持。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)在現(xiàn)場安裝過程中，鋼筋的可靠連接是保障結(jié)構(gòu)安全性的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

鋼筋套筒灌漿連接技術(shù)的提出和使用，至今已有40多年的歷史，且已經(jīng)過多次地震的考驗(yàn)，被認(rèn)為可在抗震設(shè)防區(qū)使用[1]。1983年美國混凝土協(xié)會ACI在報(bào)告中將其列入鋼筋連接主要技術(shù)之一[2],中國2015年也開始正式施行JGJ 355—2015鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程及JG/T 398—2019鋼筋連接用灌漿套筒等國家標(biāo)準(zhǔn)。但是，鋼筋套筒灌漿連接技術(shù)仍然存在一些突出問題：比如：1)灌漿套筒大多制作工藝復(fù)雜，價(jià)格較高；2)灌漿施工時(shí)，常規(guī)的常溫型灌漿料的養(yǎng)護(hù)環(huán)境適宜溫度在5 ℃～30 ℃，且在負(fù)溫時(shí)不得施工[3-4]，同時(shí)，低溫型套筒灌漿料的研制及使用不夠成熟，且需編制專項(xiàng)施工方案[5]。這給采用鋼筋套筒灌漿連接的裝配式結(jié)構(gòu)施工造成了阻礙，不利于裝配式結(jié)構(gòu)的推廣。

針對上述鋼筋套筒灌漿連接的兩個(gè)缺點(diǎn)，本文提出一種新型鋼筋連接方式——鋼筋套筒灌膠連接：1)將黏結(jié)材料由灌漿料改為結(jié)構(gòu)膠，結(jié)構(gòu)膠目前廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固中，其中環(huán)氧樹脂型結(jié)構(gòu)膠使用較為廣泛，且環(huán)氧樹脂的改性研究由來已久，通過對固化劑的改性，可以研制出適用于不同溫度、滿足不同功能性要求的改性環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠[6-9]，采用低溫固化型環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠可以解決套筒灌漿連接方式冬季施工難的問題；2)將套筒相應(yīng)改為兩端內(nèi)壁帶螺紋的無縫鋼管，相比灌漿套筒加工工藝簡單，成本較低。目前，國內(nèi)對采用改性環(huán)氧樹脂型結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行鋼筋套筒連接的研究較少。

本文制作了12個(gè)鋼筋套筒灌膠連接試件進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，對該連接方式的受力性能和變形性能進(jìn)行研究，驗(yàn)證其可行性，并給出設(shè)計(jì)建議。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

JGJ 107—2016鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程[10]中Ⅰ級接頭的強(qiáng)度和變形性能要求如表1所示，其中，f0mst為接頭試件極限抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；fstk為鋼筋極限抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；Asgt為接頭試件的最大力下總伸長率。

表1 Ⅰ級接頭的強(qiáng)度和變形性能要求

本文中的試件按照Ⅰ級接頭的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，制作了12個(gè)鋼筋灌膠套筒連接件，連接件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。選取錨固長度、膠層厚度及鋼筋直徑3個(gè)參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)的影響因素，研究其在單向拉伸試驗(yàn)下的受力狀態(tài)和破壞形態(tài)。試件的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 試件參數(shù)及主要試驗(yàn)結(jié)果 mm

1.2 材料性能

1.2.1 鋼筋

鋼筋均為HRB400級螺紋鋼，公稱直徑為14 mm與16 mm兩種。經(jīng)過單向拉伸試驗(yàn)，得到鋼筋的力學(xué)性能如表3所示，滿足《鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》[11]中對鋼筋性能的要求。其中，直徑14 mm的鋼筋屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)高于規(guī)范中的要求，分析可能是本文中采購的直徑14 mm的鋼筋經(jīng)過了冷作硬化處理，但不影響本文的試驗(yàn)研究。

表3 鋼筋力學(xué)性能

1.2.2 套筒

套筒均采用冷拔無縫鋼管，材料為45號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，套筒的橫截面積滿足JGT 163—2013鋼筋機(jī)械連接用套筒[12]的規(guī)定：套筒實(shí)測受拉承載力不應(yīng)小于被連接鋼筋受拉承載力的1.1倍。由于無縫鋼管的內(nèi)壁較為光滑，為加強(qiáng)結(jié)構(gòu)膠與套筒的黏結(jié)作用，用套絲機(jī)將套筒兩端的內(nèi)壁加工出60 mm長的螺紋(螺距2.5 mm，牙型角60°，牙體高度1.353 mm)。套筒的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，規(guī)范中套筒的力學(xué)性能如表4所示。

表4 45號鋼力學(xué)性能

1.2.3 結(jié)構(gòu)膠

本文中使用的結(jié)構(gòu)膠為合肥浦達(dá)新材料科技有限公司生產(chǎn)的A，B雙組分的改性環(huán)氧樹脂膠黏劑-環(huán)氧型灌注結(jié)構(gòu)膠，廠家提供的結(jié)構(gòu)膠的力學(xué)性能如表5所示。

表5 結(jié)構(gòu)膠的力學(xué)性能

1.3 試驗(yàn)方法

試件制作完成并養(yǎng)護(hù)7 d后，在WAW-1000型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，在鋼筋斷裂或者鋼筋被拔出(停止加載時(shí)的荷載為最大荷載的45%)時(shí)試驗(yàn)停止，其中，荷載和夾具間的試件位移由萬能試驗(yàn)機(jī)自動記錄。同時(shí)，沿鋼套筒徑向和縱向各黏貼3個(gè)應(yīng)變片，用TST3822EW型應(yīng)變采集儀同步測量套筒相應(yīng)部位的應(yīng)變，應(yīng)變片布置示意圖如圖3所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞形態(tài)

12個(gè)鋼筋套筒灌膠連接件經(jīng)過單軸拉伸試驗(yàn)測得的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、斷后伸長率如表6所示。連接件的破壞形式有兩種，如圖4所示，分別為：鋼筋在套筒外斷裂、鋼筋拔出套筒。除D14-T3-1,D16-T2-2,D16-T3-1這3個(gè)連接件的破壞形式為鋼筋拔出套筒外，其余9個(gè)試件破壞形式均為鋼筋在套筒外斷裂，且這9個(gè)試件的斷后伸長率均大于6%，滿足表1中的規(guī)范要求。

表6 試件參數(shù)及主要試驗(yàn)結(jié)果

鋼筋斷裂的試件，破壞過程和鋼筋類似，同樣分為4個(gè)階段：彈性、屈服、強(qiáng)化、頸縮。在荷載開始加載到屈服階段前，套筒端部多余的結(jié)構(gòu)膠與套筒之間沒有觀察到可見的裂縫，說明此階段，套筒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)膠基本沒有隨鋼筋拔出；屈服階段以后，可以觀察到套筒兩端結(jié)構(gòu)膠隨鋼筋有少量拔出，拔出長度為1 mm～8 mm之間；在聽到一聲巨大的響聲后，鋼筋斷裂，斷裂處鋼筋頸縮，位置隨機(jī)出現(xiàn)。

D14-T3-1,D16-T3-1的錨固長度均為5d，隨著試驗(yàn)荷載超過鋼筋與套筒間的膠結(jié)力后，鋼筋的緩慢拔出，試驗(yàn)荷載逐漸減小，直至達(dá)到設(shè)置的試驗(yàn)停止荷載，此時(shí)鋼筋最大拔出長度分別為13 mm和10 mm。說明鋼筋的錨固長度應(yīng)大于5d。D16-T2-2的鋼筋錨固長度為9d，在強(qiáng)化階段末期，鋼筋緩慢拔出，隨著拔出長度逐漸加大，試驗(yàn)的荷載逐漸減小，直至試驗(yàn)停止，此時(shí)鋼筋拔出長度最大一端分別為88 mm。

2.2 鋼筋應(yīng)力-等效應(yīng)變曲線分析

2.2.1 鋼筋錨固長度的影響

將萬能試驗(yàn)機(jī)記錄的位移值除以夾具間試件的原始長度，即為試件的等效應(yīng)變。圖5～圖8分別為不同鋼筋錨固長度下，鋼筋應(yīng)力與試件等效應(yīng)變的關(guān)系曲線。

由圖5可知，D14-T3-1,D16-T3-1這2個(gè)連接件，由于本實(shí)驗(yàn)中直徑14 mm和16 mm的鋼筋屈服強(qiáng)度差別較大，分別在彈性階段和強(qiáng)化階段，試驗(yàn)荷載超過鋼筋與套筒的膠結(jié)力，說明鋼筋的錨固長度應(yīng)大于5d。針對D16-T2-2產(chǎn)生鋼筋拔出破壞(鋼筋錨固長度為9d)，而D16-T2-1的錨固長度為7d，反而沒有發(fā)生鋼筋拔出破壞的現(xiàn)象，對圖7中曲線進(jìn)行分析，D16-T2-2在強(qiáng)化階段末期，試驗(yàn)荷載有一次突然較大幅度的下降，原因可能是該試件的套筒內(nèi)部灌膠有缺陷，在強(qiáng)化階段末期，套筒內(nèi)膠體發(fā)生破壞，鋼筋與套筒間的黏結(jié)力轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ亮ΓY(jié)構(gòu)膠隨鋼筋被慢慢拔出。盡管D16-T2-2的破壞形式為鋼筋拔出，但其彈性、屈服、強(qiáng)化階段均較為完整，抗拉強(qiáng)度為658.64 MPa，已達(dá)到或接近鋼筋的抗拉極限強(qiáng)度，可以認(rèn)為其鋼筋與套筒間的黏結(jié)力滿足要求。因此，可以確定臨界錨固長度應(yīng)在5d～7d之間。

由表5中，規(guī)范要求的鋼-鋼拉伸抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和鋼-鋼黏結(jié)抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算本連接方式中鋼筋的理論臨界錨固長度：

L1=(fstk-fg)×A/πdτg=8.45d。

其中，fstk為鋼筋抗拉極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，取規(guī)范值540 MPa；τg為鋼-鋼拉伸抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，為15 MPa；fg為鋼-鋼黏結(jié)抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，為33 MPa；A為鋼筋橫截面積；d為鋼筋直徑。計(jì)算出的理論臨界錨固長度為8.45d，說明本試驗(yàn)中采用的結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)性能較強(qiáng)。在實(shí)際使用中，需要對結(jié)構(gòu)膠的實(shí)際黏結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行鑒定，考慮安全性，建議可將錨固長度取為9d。

由圖6～圖8可知，隨著鋼筋錨固長度的逐漸增大，連接件的彈性模量呈增大趨勢，且整個(gè)加載過程中的應(yīng)變基本呈減小趨勢。這是由于套筒內(nèi)鋼筋的變形受到套筒和結(jié)構(gòu)膠的約束作用，錨固長度越長，約束力和受約束的鋼筋長度越大，整個(gè)連接件的應(yīng)變就越小。

2.2.2 鋼筋直徑的影響

不同鋼筋直徑下試件鋼筋應(yīng)力-等效應(yīng)變曲線見圖9。由圖9可知，在膠層厚度為3 mm時(shí)，鋼筋直徑14 mm的連接件比鋼筋直徑16 mm的連接件的彈性模量更大，且整個(gè)加載過程中的應(yīng)變更小。

在套筒內(nèi)取單位長度的鋼筋，鋼筋橫截面上縱向變形約束應(yīng)力為：

t=4T/(πd2)=4τπd·1/(πd2)=4τ/d。

其中，T為單位長度鋼筋受到的縱向膠結(jié)力；d為鋼筋直徑；τ為結(jié)構(gòu)膠的鋼-鋼拉伸抗剪強(qiáng)度。套筒內(nèi)鋼筋的縱向變形約束應(yīng)力與鋼筋直徑成反比，因此，在鋼筋應(yīng)力相同的情況下，鋼筋直徑越大，約束應(yīng)力越小，連接件的應(yīng)變越大。

2.2.3 膠層厚度的影響

由圖10可知，在鋼筋直徑相同時(shí)，膠層厚度為2 mm的連接件比膠層厚度為3 mm的連接件的彈性模量更大。

膠層厚度對接頭承載力的作用分歧較多，較多學(xué)者認(rèn)可：在超過一定厚度時(shí)，膠層越厚，接頭承載力越小[13-14]。膠層厚度為2 mm時(shí)，套筒和結(jié)構(gòu)膠對鋼筋縱向變形的約束作用比膠層厚度為3 mm時(shí)要大，因此鋼筋在彈性階段的彈性模量更大。

2.3 鋼筋應(yīng)力-套筒應(yīng)變曲線分析

圖11，圖12中，正應(yīng)變表示套筒沿徑向外擴(kuò)和沿縱向伸長，負(fù)應(yīng)變表示套筒沿徑向收縮和沿縱向縮短。由圖11，圖12可知:1)套筒中部的縱向應(yīng)變和徑向應(yīng)變均比套筒端部大；套筒中部縱向應(yīng)變和徑向應(yīng)變與鋼筋應(yīng)力呈正相關(guān)的線性關(guān)系；2)套筒端部縱向應(yīng)變與鋼筋應(yīng)力首先呈正相關(guān)的線性關(guān)系，隨后呈非線性關(guān)系，且隨著鋼筋應(yīng)力的增大，應(yīng)變有先增大后減小的趨勢；3)套筒端部徑向應(yīng)變隨著鋼筋應(yīng)力的增大首先基本保持為零應(yīng)變(圖12中SG6顯示為負(fù)應(yīng)變)，隨著鋼筋應(yīng)力繼續(xù)增大，徑向應(yīng)變變?yōu)檎龖?yīng)變，且為增大后減小的趨勢。

分析原因如下：1)對于縱向應(yīng)變，隨著鋼筋應(yīng)力增大，通過結(jié)構(gòu)膠傳遞給套筒壁的正向應(yīng)力隨之增大，且中部應(yīng)力大于端部應(yīng)力，此時(shí)，中部與端部的應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系；隨著鋼筋應(yīng)力繼續(xù)增大，套筒內(nèi)結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)生塑性變形甚至從套筒端部有少量拔出，此時(shí)，套筒端部與結(jié)構(gòu)膠之間產(chǎn)生的微小相對滑移使得端部縱向應(yīng)力有部分釋放，因此套筒端部縱向應(yīng)變又開始變小。2)對于徑向應(yīng)變，隨著鋼筋應(yīng)力的增大，套筒縱向應(yīng)變增大，由于泊松效應(yīng)，套筒產(chǎn)生徑向收縮；但在套筒端部，套筒與結(jié)構(gòu)膠之間存在剝離應(yīng)力，與泊松效應(yīng)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力相抵消，因此套筒端部徑向應(yīng)變接近零(圖12中SG6顯示為負(fù)應(yīng)變可能是由于該處套筒與結(jié)構(gòu)膠發(fā)生了微小的相對滑移，釋放了剝離應(yīng)力)；隨著鋼筋應(yīng)力繼續(xù)增大，套筒內(nèi)結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)生塑性變形甚至與套筒內(nèi)壁有少量相對滑移，結(jié)構(gòu)膠在套筒端部的螺紋處堆積，產(chǎn)生徑向向外的擠壓作用，因此套筒端部產(chǎn)生徑向正應(yīng)變，但隨著結(jié)構(gòu)膠的少量滑出，擠壓作用減小，端部徑向正應(yīng)變又開始變小。

另外，套筒屈服時(shí)的理論最小縱向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

ε=fyt/E≥335/(2.0×105)=1 657×10-6。

其中，fyt為套筒屈服強(qiáng)度；E為套筒彈性模量。理論最小縱向屈服應(yīng)變大于套筒中部最大縱向應(yīng)變1 610×10-6，說明鋼套筒未屈服。

3 結(jié)論

1)通過12個(gè)新型鋼筋套筒灌膠連接件的單軸拉伸試驗(yàn)，表明本文提出的鋼筋連接方式是可行的。鋼筋錨固長度不小于7d時(shí)，連接件的破壞形式基本為鋼筋斷裂，破壞過程與鋼筋破壞過程相似，屈服強(qiáng)度和抗拉極限強(qiáng)度與連接鋼筋一致，且斷后伸長率滿足規(guī)范中Ⅰ級接頭的變形性能要求。

2)本文中臨界錨固長度在5d～7d之間，在實(shí)際使用中，需要對結(jié)構(gòu)膠的實(shí)際黏結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行鑒定，考慮安全性，建議可將錨固長度取為9d。

3)在膠層厚度為2 mm和3 mm時(shí)，均能滿足連接件的強(qiáng)度和變形性能要求。但膠層厚度2 mm時(shí)，經(jīng)濟(jì)性較好；膠層厚度為3 mm時(shí)，更有利于避免套筒中灌膠缺陷的產(chǎn)生，因此實(shí)際工程中需要綜合考慮，選擇合適的膠層厚度。

4)作用在鋼筋上的軸向應(yīng)力通過結(jié)構(gòu)膠傳遞到套筒上，且套筒中部的縱向應(yīng)變與徑向應(yīng)變均大于套筒端部，并與鋼筋應(yīng)力呈正相關(guān)的線性關(guān)系；套筒端部縱向應(yīng)變與鋼筋應(yīng)力首先呈正相關(guān)的線性關(guān)系，隨后呈非線性關(guān)系，且隨著鋼筋應(yīng)力的增大，有減小的趨勢；套筒端部徑向應(yīng)變隨著鋼筋應(yīng)力的增大先是基本保持為零應(yīng)變，隨著鋼筋應(yīng)力繼續(xù)增大，徑向應(yīng)變變?yōu)檎龖?yīng)變，且為增大后減小的趨勢。