王長軍，趙志堅，龐 森，朱紅光

(1.北京中建建筑科學研究院有限公司，北京 100076； 2.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

裝配式建筑是未來土建行業(yè)發(fā)展的重中之重，有著工期短、耗能少、質(zhì)量可控等優(yōu)點，近些年在中國得到了很好的推廣與應用。裝配式建筑的節(jié)點連接質(zhì)量是整個建筑物安全與使用壽命的關(guān)鍵，目前使用較為廣泛的是灌漿套筒連接。但是工程中施工人員操作不當引起的套筒堵塞或者灌漿料回流現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，套筒內(nèi)部存在脫空缺陷，這些問題會極大地影響灌漿套筒的連接性能[1-2]。鄭清林[3]、高潤東[4-5]等進行了一系列缺陷灌漿套筒的單向拉伸試驗，分析缺陷尺寸、位置等對其抗拉性能、破壞形態(tài)的影響，得到了端部缺陷相對于水平缺陷、中部缺陷對試件受力性能影響較小，確定了套筒連接合格的鋼筋臨界錨固長度，但二者得到的結(jié)果并不一致。高潤東的研究亦表明鋼筋直徑有影響，其規(guī)律尚未明確，不同缺陷位置影響套筒連接性能的內(nèi)部機制也不清楚；除了抗拉強度之外，變形以及抗變形能力作為非常關(guān)鍵的物理指標對裝配式結(jié)構(gòu)的抗震性能和服役安全有重要的影響[6-7]，王天驕等[8]利用ABAQUS軟件對灌漿套筒連接鋼筋試件進行數(shù)值模擬，采用黏聚力單元對鋼筋與灌漿料之間的黏結(jié)滑移進行模擬，結(jié)果顯示數(shù)值模擬能夠清晰展示缺陷套筒的滑移過程和應力-應變場，有助于了解缺陷對套筒連接性能的影響機制，是對實驗研究的有益補充。針對上述存在的問題，本文在前人所做試驗的基礎上，通過制作不同直徑的灌漿缺陷套筒試件，研究了鋼筋直徑對灌漿缺陷套筒連接性能的影響規(guī)律，探討了半灌漿和全灌漿兩種套筒在鋼筋直徑影響下的連接性能差異。在此基礎上，通過建立灌漿缺陷套筒的數(shù)值模型并與試驗進行對照驗證，研究了不同缺陷尺寸和缺陷位置(端部、中部)對套筒抗變形能力的影響，并基于應力場探索了缺陷位置對連接性能和抗變形能力作用不同的內(nèi)部工作機制。本文的研究成果可為裝配式結(jié)構(gòu)的套筒缺陷檢測和連接性能分析提供參考。

1 灌漿缺陷套筒試件制備與單向拉伸試驗

設計了不同缺陷長度、不同鋼筋直徑和不同套筒形式的鋼筋套筒試件進行拉拔試驗。選取工程現(xiàn)場使用廣泛的主流品牌——北京建工研究院研發(fā)的套筒，鋼筋為HRB400，直徑d選取了3種：14 mm，20 mm，25 mm；每種直徑分別設計半灌漿套筒和全灌漿套筒2種套筒形式，同時采用在鋼筋上纏繞多層膠帶的方式來制造人工缺陷，每種套筒形式設計3種飽滿度試件，飽滿度為50%，60%，70%，對應的錨固長度分別為4d，4.8d，5.6d，并設置飽滿(錨固長度8d)套筒作為對照。所有試件灌漿料強度為92 MPa。

缺陷試件的制作及拉拔試驗得到的典型曲線如圖1所示，試件具體參數(shù)及拉拔實驗結(jié)果如表1所示。依據(jù)JGJ 355—2015鋼筋套筒灌漿連接應用技術(shù)規(guī)程第3.2.5條[9]，套筒灌漿連接接頭單向拉伸加載過程中，當接頭應力達到連接鋼筋抗拉荷載標準值的1.15倍而未發(fā)生破壞時，應判為抗拉強度合格，可停止試驗。HRB400鋼筋抗拉強度標準值記為fsk=540 MPa，表1中fe/fsk可視為無量綱的錨固應力。

從荷載位移曲線可以看出，灌漿套筒在單向拉伸作用下，隨著荷載不斷增大，位移線性增長；然后進入屈服、強化，荷載再度上升，達到極限荷載后迅速下降，最后有緩慢的水平段，荷載主要來自鋼筋與灌漿料之間的摩擦力。

表1 缺陷套筒試件參數(shù)及單拉試驗結(jié)果

試驗中，除直徑14 mm、錨固長度5.5d的半灌漿和全灌漿兩種套筒外，其余套筒均為鋼筋拔出破壞，因此直徑14 mm灌漿套筒合格的臨界錨固長度為5.5d，半灌漿或者全灌漿對臨界錨固長度沒有影響。而直徑20 mm,25 mm 的灌漿套筒在錨固長度為5.5d時為鋼筋拔出，可知其臨界錨固長度應在5.5d或以上。

2 試驗結(jié)果分析

將錨固長度與錨固應力數(shù)據(jù)繪制成圖，如圖2,圖3所示，擬合得到關(guān)系如圖中直線。從圖2，圖3中可以看出，在本文的試驗錨固長度范圍內(nèi)，隨著錨固長度的增加，錨固應力整體上是同步增長的，大體呈線性規(guī)律；對比不同顏色的擬合線可以看出鋼筋直徑對這一規(guī)律有顯著影響，直徑越大，相同錨固長度下的錨固應力越低。將錨固應力-錨固長度的關(guān)系外延，可以發(fā)現(xiàn)隨著鋼筋直徑的增大，fe/fsk達到連接合格的1.15時所對應的臨界錨固長度增大，說明鋼筋直徑越大，需要的臨界錨固長度越長，直徑20 mm,25 mm的臨界錨固長度在5.5d～6d之間。同時對比圖2,圖3可以發(fā)現(xiàn)相同直徑下全灌漿套筒的臨界錨固長度要大于半灌漿套筒，說明全灌漿套筒的約束效果要略差于半灌漿套筒。

3 不同缺陷灌漿套筒連接性能的數(shù)值模擬

本文選擇半灌漿套筒進行了數(shù)值模擬，選取鋼筋直徑20 mm，按照1節(jié)中的套筒尺寸建立數(shù)值模型，灌漿缺陷用空腔代替。為了簡化分析，變形鋼筋用等效光圓鋼筋代替，灌漿套筒為光滑圓柱體。由于灌漿套筒為軸對稱結(jié)構(gòu)，建立的數(shù)值模型如圖4所示。

數(shù)值模擬中灌漿料本構(gòu)關(guān)系選用了混凝土塑性損傷模型，強度92 MPa，熱膨脹系數(shù)為0.000 6，泊松比0.2，膨脹角取30°,偏心率取0.1，fb0/fc0取1.16，K取0.666 67，黏性參數(shù)取0.005；鋼筋采用的是理想彈塑性三折線模型,其參數(shù)來自于1節(jié)試驗對照組，泊松比取0.3；單拉過程中套筒始終處于彈性狀態(tài)，因此套筒采用理想彈性模型，彈性模量取2×105MPa，泊松比0.3。本文先模擬了錨固長度為4d的缺陷灌漿套筒，并將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行了對比驗證，如圖5所示，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，峰值荷載誤差僅為4.7%，說明了本文數(shù)值模型的正確性。

在此基礎上，本文進行了不同錨固長度、不同位置缺陷的灌漿套筒的數(shù)值模擬，錨固長度從1d～7d變化，缺陷位置分為中部缺陷和端部缺陷。模擬了缺陷套筒的單向拉伸的過程。

4 數(shù)值模擬結(jié)果

模擬得到端部缺陷套筒和中部缺陷套筒的力-位移曲線如圖6,圖7所示。

整體上看，端部缺陷和中部缺陷的力-位移曲線相似，在錨固長度為1d～3d時為屈服點前拔出；端部缺陷4d～5d、中部缺陷為4d～5.5d為極限荷載前拔出；其余為鋼筋拉斷。將兩種缺陷套筒的峰值荷載提取，并將屈服前的曲線擬合斜率得到缺陷套筒的等效剛度，繪制兩種缺陷套筒的峰值荷載-錨固長度曲線和等效剛度-錨固長度曲線分別如圖8,圖9所示。

從圖8可以看出，1d～5d錨固長度下，端部缺陷套筒比中部缺陷套筒能承受更大的峰值荷載，在超過5d以后二者基本相似；說明中部缺陷對灌漿套筒連接鋼筋試件的承載性能影響更為不利。而圖9中則可以看出，在1d～8d錨固長度下，中部缺陷套筒的等效剛度整體上卻要大于端部缺陷套筒，說明缺陷不同位置對套筒連接的抗變形能力影響顯著。這可能會對套筒與周圍混凝土的共同工作產(chǎn)生不利影響，需要在工程實踐中加以注意。

由圖10中套筒壁應力云圖可知，端部缺陷位置所對應的套筒壁基本不受力，而中部缺陷位置對應灌漿套筒依然受力，因此受同等力時，含有中部缺陷試件的套筒壁受力更加分散和均勻，筒壁變形更小，對灌漿料的約束更連續(xù)、效果更好，其連接剛度要大于含有端部缺陷的試件。由灌漿料應力云圖可知，當缺陷大小一致，受同等力的情況下，將由灌漿料中部缺陷兩側(cè)的灌漿料來承擔，此時由于灌漿料不連貫，中部缺陷兩側(cè)的灌漿料受力較端部缺陷受力更為集中，因此使得位于中部缺陷兩側(cè)的灌漿料更早發(fā)生破壞，從而使得鋼筋與灌漿料整體的黏結(jié)強度減弱更為明顯。因此，中部缺陷對灌漿套筒承載性能的不利影響更大。

5 結(jié)論

1)鋼筋直徑對灌漿缺陷套筒的連接性能有顯著影響，直徑越大，相同錨固長度下的錨固應力越低，連接合格所要求的臨界錨固長度越長；同時，套筒類型對連接效果也有影響，相同直徑下全灌漿套筒的臨界錨固長度要大于半灌漿套筒。2)缺陷位置對套筒的連接性能和抗變形能力有顯著影響，1d～5d錨固長度下，端部缺陷套筒比中部缺陷套筒能承受更大的峰值荷載，在超過5d以后二者承載性能基本相似；但對抗變形能力影響則相反，在1d～8d錨固長度下，中部缺陷套筒的等效剛度整體上卻要大于端部缺陷套筒。3)中部缺陷會導致灌漿料的應力場不連續(xù)，而在缺陷處產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，從而導致中部缺陷套筒的連接性能差于端部缺陷套筒。