基于灌漿缺陷的半灌漿套筒力學(xué)性能研究*

任 剛，王 瓊,2，張宗軍，王長軍，唐云剛，盧樂樂

(1.安徽海龍建筑工業(yè)有限公司，安徽 合肥 230601； 2.中建海龍科技有限公司，廣東 深圳 518110；3.北京中建建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100084)

0 引言

實際施工過程中，影響灌漿套筒連接質(zhì)量的主要因素有灌漿缺陷、鋼筋上異物污染導(dǎo)致的缺陷、鋼筋錨固長度不足等，半灌漿套筒可用于預(yù)制梁連接，水平灌漿完畢后，套筒端部膠塞封堵處可能出現(xiàn)漏漿情況，導(dǎo)致套筒水平方向上形成了空隙，減小了鋼筋和灌漿料之間的摩擦力及錨固力，影響原有構(gòu)件強(qiáng)度[1-3]。

1 試驗概況

以丁少鵬[4]進(jìn)行的33個半灌漿套筒鋼筋連接件數(shù)據(jù)為參考，進(jìn)一步進(jìn)行參數(shù)化分析，分別建立6個帶有不同施工缺陷的半灌漿套筒連接件，鋼筋錨固長度為120mm，套筒模型如圖1所示，參數(shù)如表1所示。缺陷厚度為3mm，缺陷長度按1d，2d，3d選取，d為鋼筋直徑，為14mm，缺陷類型設(shè)置為錨固端鋼筋端部缺陷和中部缺陷。套筒編號為GT14，總長155mm，內(nèi)徑30mm，外徑34mm，壁厚2mm，螺紋段長20mm。試件編號如表1所示，試件缺陷分布如圖2所示。

表1 缺陷試件編號及說明

2 數(shù)值分析

2.1 材料參數(shù)

本文在丁少鵬[4]的研究基礎(chǔ)上建立有限元模型，材料包括灌漿料、半灌漿套筒、鋼筋。

2.1.1灌漿料

因灌漿料材料性能與高強(qiáng)度混凝土相似，故本文采用混凝土本構(gòu)模型取代灌漿料本構(gòu)模型[5]，如圖3所示，采用ABAQUS軟件中的混凝土塑性損傷模型模擬。灌漿料彈性模量為0.37×105MPa，泊松比為0.2，屈服強(qiáng)度為400MPa，極限強(qiáng)度為620MPa。

2.1.2鋼筋和套筒

鋼筋采用單軸抗拉本構(gòu)模型模擬[6-7]，骨架曲線采用Esmaeily-xiao模型，可充分考慮鋼筋彈性、屈服、強(qiáng)化階段，鋼筋彈性模量取2×105MPa，泊松比取0.3。在試驗過程中，套筒始終處于彈性階段，尚未破壞，所以套筒本構(gòu)模型采用理想彈塑性模型。套筒彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為600MPa。

2.2 有限元模型建立

2.2.1分析方法

本文采用ABAQUS有限元軟件靜態(tài)分析模擬半灌漿套筒拉伸。為確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇ABAQUS/Standard隱式求解作為分析模塊。

2.2.2單元和網(wǎng)格劃分

因半灌漿套筒連接件為軸對稱結(jié)構(gòu)，為提高運(yùn)算速度，建立1/2的對稱模型進(jìn)行有限元分析。本文建立的模型網(wǎng)格尺寸均為2mm，保證每個部件形成共結(jié)點(diǎn)，方便計算。為貼合實際，鋼筋設(shè)置橫肋，增加鋼筋和灌漿料的機(jī)械咬合力。將各部件切割成相對規(guī)則的形狀，選用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分部件，進(jìn)一步保證計算精度。考慮灌漿料和鋼筋之間的黏結(jié)變形，采用細(xì)網(wǎng)格劃分的線性減縮積分單元，部件單元均選用C3D8R三維實體單元，如圖4所示。

2.2.3相互作用設(shè)置

在試驗過程中，連接的破壞模式主要為鋼筋拉斷破壞和鋼筋拔出破壞。由破壞現(xiàn)象可知，所有的連接件均未發(fā)生灌漿料拔出破壞。根據(jù)試驗現(xiàn)象，進(jìn)行有限元分析時，灌漿料和套筒設(shè)置綁定約束，鋼筋和灌漿料設(shè)置通用接觸[8]，法向接觸設(shè)定為硬接觸，切向接觸設(shè)定為罰接觸，庫侖摩擦系數(shù)為0.6。在錨固端和螺紋端鋼筋端部各耦合參考點(diǎn)RP-1，RP-2及錨固端鋼筋端部參考點(diǎn)RP-1上采用位移加載方式，加載位移為20mm，螺紋端鋼筋端部參考點(diǎn)RP-2設(shè)置邊界條件為完全固定，如圖5所示。在模型剖面?zhèn)仍O(shè)置對稱條件，如圖6所示。在后處理中提取RP-1點(diǎn)位移和RP-2點(diǎn)反力進(jìn)行整合，生成荷載-位移曲線。

2.3 有限元模型驗證

以灌漿飽滿的半灌漿套筒進(jìn)行模擬驗證[9]，模擬結(jié)果顯示鋼筋拉斷破壞發(fā)生在鋼筋錨固端側(cè)，半灌漿套筒連接件應(yīng)力分布如圖7所示。試件荷載-位移曲線對比如圖8所示。由圖8可知，模擬得到的荷載-位移曲線與試驗曲線變化趨勢大致相同，彈性階段基本吻合，且存在明顯的屈服平臺，進(jìn)入強(qiáng)化階段后，荷載達(dá)極限荷載后開始下降。試驗得到的試件極限荷載為99.28kN，對應(yīng)的位移為55.21mm。模擬得到的試件極限荷載為101.1kN，對應(yīng)的位移為53.2mm。模擬值與試驗值存在差異的原因可能是數(shù)值模擬時灌漿料本構(gòu)模型選擇理想化，與實際情況存在一定差異。

2.4 半灌漿套筒性能分析

2.4.1端部缺陷連接件

端部缺陷連接件荷載-位移曲線如圖9所示，可將其分為彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段及下降階段。由圖9可知，彈性階段連接件荷載-位移曲線均表現(xiàn)為線性增長；進(jìn)入強(qiáng)化階段后，當(dāng)端部缺陷長度為1d時，對連接件性能的影響較小，鋼筋頸縮后發(fā)生拉斷破壞，由于存在灌漿缺陷，鋼筋與灌漿料之間存在微小的滑移，使連接件極限強(qiáng)度有所降低，但與灌漿飽滿的半灌漿套筒試件力學(xué)性能相似；缺陷長度越大，連接件延性越低，承載力越低，這可能是由于缺陷處的鋼筋與灌漿料未接觸，導(dǎo)致缺陷區(qū)域鋼筋與灌漿料力的傳遞不連續(xù)，又因端部缺陷使鋼筋錨固長度減小，部分灌漿料與鋼筋橫肋接觸處發(fā)生破壞，造成鋼筋滑移。

2.4.2中部缺陷連接件

中部缺陷連接件荷載-位移曲線如圖10所示。由圖10可知，隨著中部缺陷長度的增加，對試件的影響越來越顯著。彈性階段連接件荷載-位移曲線均表現(xiàn)為線性增長，曲線基本重合，荷載造成的連接件滑移較小；缺陷長度越大，連接件延性越低，承載力越低，這可能是由于中部缺陷將灌漿料分割為兩端受力段。

2.4.3缺陷參數(shù)分析

當(dāng)缺陷長度相同時，中部缺陷連接件位移和荷載較端部缺陷連接件減小幅度大，且對連接件受拉性能的影響較大。

當(dāng)缺陷類型相同時，缺陷長度越大，連接件承載力下降速度越快，對連接件受拉性能的影響越明顯。

3 結(jié)語

1)數(shù)值模擬得到的灌漿飽滿半灌漿套筒試件單向受拉極限荷載略大于試驗值。

2)當(dāng)缺陷長度相同時，中部缺陷連接件位移和荷載較端部缺陷連接件減小幅度大，且對連接件受拉性能的影響較大。

3)當(dāng)缺陷類型相同時，缺陷長度越大，中部缺陷和端部缺陷連接件延性越低，承載力越早開始顯著下降，對連接件受拉性能的影響越明顯。