不同缺陷对装配式建筑钢筋灌浆套筒连接性能的影响_杨杨_.pdf

，.，.基金项目：浙江省自然科学基金（）；浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）（）（），（）（）：.不同缺陷对装配式建筑钢筋灌浆套筒连接性能的影响杨 杨，凌宏杰，刘金涛，卢旭峰 浙江工业大学土木工程学院，杭州 浙江省工程结构与防灾减灾技术研究重点实验室，杭州 对带缺陷的装配式建筑钢筋灌浆套筒连接性能展开研究，以缺陷位置、缺陷大小、缺陷分布形式和钢筋偏心为变量，分析了不同缺陷对灌浆套筒拉伸荷载下的破坏形态、滑移量、承载力的影响。试验结果表明：随着缺陷尺寸的增加，试件破坏形态由钢筋拉断破坏逐步转变为钢筋拔出，试件拉伸极限粘结强度、残余粘结强度、极限强度逐步降低；均布缺陷试件的缺陷尺寸大小对试件破坏形态的影响较大；同体积不同类型缺陷对试件承载力的影响程度为偏心锚固缺陷 水平缺陷 中部缺陷 均布缺陷 端部缺陷，对试件残余粘结承载力的影响程度为偏心锚固缺陷 水平缺陷 均布缺陷 端部缺陷 中部缺陷。关键词 装配式建筑 钢筋套筒 连接性能 灌浆缺陷中图分类号：；文献标识码：，：，引言我国传统施工方式对环境造成了大量污染，已无法满足现代建筑可持续发展要求，装配式建筑逐渐应用于我国建筑工业。尤其是装配式混凝土结构中结构节点之间和纵向钢筋的机械连接对结构的稳定性有重要的意义，其中套筒灌浆连接是主要连接的方式。而实际工程中不利因素可能会导致灌浆连接缺陷，进而影响结构的安全性。因此，分析各种缺陷对套筒连接试件的破坏形态、承载力和变形性能等影响具有重要意义。部分学者研究发现，中部、端部缺陷试件在单调拉伸和单向重复拉伸条件下，会发生刮犁式拔出和拉断这两种破坏形式，破坏形态主要取决于钢筋、灌浆料之间的粘结力与钢筋极限拉应力的相对大小，且中部缺陷比端部缺陷对承载力的影响更大。还有研究发现钢筋锚固长度的增加进一步提高了钢筋与灌浆料的机械咬合力，对钢筋灌浆套筒单向拉伸强度有明显的提高作用，钢筋锚固长度增大，接头粘结性能增大；锚固长度足够时，试件发生拉断破坏，延性较高，但随着锚固长度缩短，接头的破坏形态向粘结滑移破坏转变，脆性系数上升，粘结滑移试件的峰值位移小于钢筋拉断试件。但是，已有研究大多针对某一类缺陷开展研究，综合对比各类缺陷对钢筋灌浆套筒连接性能影响的试验还相对较少。本研究根据套筒内部浆料回流、气泡不能充分排出、落入细小杂物、端部漏浆、钢筋偏心、预留钢筋过短等问题，在套筒内部设置了端部缺陷、中部缺陷、均布缺陷、水平缺陷、偏心锚固缺陷，共计 个灌浆套筒试件。参考 钢筋机械连接技术规程和 钢筋套筒灌浆连接应用技术规程，研究在灌浆套筒单向拉伸情况下缺陷对试件破坏形态、滑移量、承载力等性能的影响。实验 原材料安徽铜陵海螺水泥有限公司生产的 硅酸盐水泥；艾肯国际贸易公司生产的 硅灰；江阴苏龙热电有限公司生产的级粉煤灰；骨料粒径为 的河砂，细度模数为 ；减水剂采用巴斯夫公司生产的 型号减水剂；膨胀剂采用阜阳城南建材公司生产的塑性膨胀剂；全灌浆套筒由上海利物宝建筑科技有限公司提供，抗拉强度 为 ，断后伸长率 为，构造尺寸如图 所示；钢筋采用 级的钢筋，直径为 ；试验用超高强钢筋套筒灌浆料的各性能参数见表，满足 钢筋连接用套筒灌浆料规范要求。表 钢筋套筒灌浆料性能参数 流动度 抗压强度 膨胀率 初始 膨胀率差值 规范 本工作 图 全灌浆套筒构造尺寸图 钢筋套筒灌浆缺陷设计及制备现将具有不同缺陷类型的试件编号，试件缺陷编号如表 所示。灌浆缺陷的设计如图 所示。单向拉伸试件制作主要包括缺陷设置、连接钢筋定位、灌浆料搅拌、灌浆等工序。在预定的缺陷位置固定 橡胶模拟工程灌浆产生的缺陷，布置钢筋处的缺陷时，为保证橡胶表面平整，应在钢筋两肋间放置橡皮泥。通过 搅拌机、灌浆机完成灌浆料搅拌与套筒灌浆工序。根据 钢筋连接用套筒灌浆料规范要求，灌浆完成的表 各类缺陷编号 类型试件编号灌浆缺陷设计说明饱满饱满无缺陷均布缺陷两个长度 的缺陷三个长度 的缺陷两个长度 的缺陷四个长度 的缺陷两个长度 的缺陷端部缺陷、钢筋端部分别设置长度 、的缺陷中部缺陷、钢筋中部分别设置长度 、的缺陷水平缺陷、灌浆口分别设置弦高为 、的水平缺陷偏心锚固缺陷、钢筋偏心 ，锚固长度分别为 、图 缺陷试件示意图 试件在标准养护室养护 后进行单向拉伸试验。灌浆套筒拉伸试验方法本工作根据 钢筋套筒灌浆连接应用技术规程进行单向拉伸试验，重点研究灌浆套筒的拉伸性能，分析缺陷对其的影响，测量指标为拉伸荷载、钢筋与套筒的相对滑移以及套筒表面应变。单向拉伸试验加载仪器采用电液伺服万能试验机，加载制度为：（钢筋屈服强度）最大拉力破坏。试件屈服前试验机拉伸速度不同缺陷对装配式建筑钢筋灌浆套筒连接性能的影响 杨 杨等 为 ，试件屈服后拉伸速度为 。钢筋滑移量采用钢筋两侧对称布置的位移计进行测量，具体测点布置方式如图 所示。试验中相同缺陷的试件每组设置三个。图 试件测试示意图 残余变形量的计算公式为：（）式中：为试件的残余变形量，需满足 钢筋套筒灌浆连接应用技术规程要求；为出浆侧钢筋、灌浆料的相对滑移量，取 和 位移计的平均值，；为灌浆侧钢筋、灌浆料的相对滑移量，取 和 位移计的平均值，；为套筒变形量，为应变平均值与套筒长度的乘积，。极限粘结强度（）、平均粘结强度（）和残余粘结强度（）计算公式为：（）（）（）式中：为套筒灌浆试件被破坏时的峰值荷载，；为钢筋拔出阶段的残余荷载；荷载到达峰值后迅速下降至平缓，滑移量继续增大，此时荷载为残余粘结荷载，；为锚固钢筋直径，；为拔出段钢筋埋入长度，；为缺陷侧钢筋埋入长度，。结果与分析 灌浆饱满试件荷载位移曲线分析灌浆饱满试件 的单向拉伸试验测量了套筒竖向应变（）、试件残余变形（）以及钢筋与灌浆料之间的滑移（）。灌浆饱满试件 的单向拉伸试验结果如图 所示。平行试件、残余竖向微应变分别为、和，残余变形分别为 、和 。由图 可知，加载初期 试件荷载 与位移 基本呈线弹性关系，荷载为 时，钢筋出现屈服平台，此时位移增大荷载基本保持不变。钢筋屈服后进入强化阶段，试件内部灌浆料与钢筋粘结性能良好。继续增大荷载后，出浆侧钢筋出现拉断破坏现象，此时试件峰值荷载为 。试件的出浆侧钢筋滑移量 与灌浆侧钢筋滑移量 分别为 和 。试件的荷载位移曲线有明显的弹性、屈服、强化和拉断破坏阶段，与钢筋受拉时的曲线相似，符合规范 钢筋套筒灌浆连接应用技术规程的要求。图 试件单向拉伸的（）荷载应变曲线和（）荷载位移曲线（电子版为彩图）（）（）灌浆端部缺陷试件荷载位移曲线分析图 为端部缺陷试件 的单向拉伸试验图，、和的套筒残余竖向微应变分别为、和，图 试件的（）荷载应变曲线和（）荷载缺陷侧滑移曲线（电子版为彩图）（）（）材料导报，（）：残余变形量分别为 、和 。随着缺陷长度增加，灌浆料与钢筋的粘结逐渐削弱，相对滑移增大，灌浆套筒竖向残余变形增加。三种缺陷试件的荷载（）与位移（）在加载初期基本成线弹性关系，荷载为 时，位移增大荷载基本保持不变，钢筋屈服后进入强化阶段。继续增大荷载后，钢筋出现拉断破坏现象，此时、试件峰值荷载分别为 、，试件内部缺陷极大削弱了灌浆料对钢筋的约束作用，导致钢筋与灌浆料之间发生粘结破坏。相比于 和，试件峰值荷载分别下降 和 。从荷载位移曲线看，试件有明显的残余荷载，钢筋在强化阶段未到极限拉伸强度时已被拔出。当缺陷长度为 时，其缺陷侧的滑移量仅为缺陷长度为 时的 和 时的 。这表明试件破坏形态从钢筋拉断破坏转变为钢筋拔出破坏时，其峰值荷载、变形能力下降较为严重。灌浆中部缺陷试件荷载位移曲线分析图 为中部缺陷试件 的单向拉伸试验图，、和 的套筒残余竖向微应变分别为、和，试件残余变形量分别为 、和 。灌浆料与钢筋的粘结随着缺陷长度增加逐渐削弱，相对滑移增大也导致竖向残余变形增大。图 试件的（）荷载应变曲线和（）荷载缺陷侧滑移曲线（电子版为彩图）（）（）拉伸荷载缺陷侧滑移曲线初期，三种缺陷试件的荷载 与位移 基本呈线弹性关系，说明 试件灌浆料与钢筋粘结强度大于钢筋的屈服强度，钢筋屈服后进入强化阶段，试件内部灌浆料与钢筋粘结性能良好，钢筋出现拉断破坏；和 试件内部灌浆料对钢筋的约束作用和粘结强度减小，导致钢筋被拔出。相比于，和 的峰值荷载分别下降 和 。同样大小缺陷的情况下，缺陷试件的滑移量、峰值荷载均小于 缺陷试件，表明 缺陷对试件破坏形态的影响程度大于 缺陷。不同于，、试件荷载到达峰值后迅速下降至平缓，滑移持续增加，最终钢筋被拔出。的荷载缺陷侧滑移曲线甚至出现先下降后上升趋势，主要原因是试件进入强化阶段，荷载继续增加，但未到钢筋极限拉伸荷载就因缺陷发生粘结滑移，钢筋肋间的灌浆料被剪切破坏、带肋钢筋被缓慢拔出，钢筋在拔出过程中和破碎的灌浆料再次挤压咬合。此外，钢筋在缓慢拔出时，钢筋肋与灌浆料形成的粘结咬合齿依次发生局部破坏，达到峰值荷载后，咬合齿从局部破坏变为整体破坏，钢筋与灌浆料的粘结应力降低，粘结应力不均匀，应力变均匀的重分布需要时间，导致拉拔荷载下降变快；荷载下降后，粘结应力重新分配并沿钢筋埋长分布变均匀。当缺陷长度为 和 时，试件的残余粘结荷载分别为 和 。随着缺陷长度的增加，灌浆料对钢筋的约束面积逐渐降低，导致残余粘结荷载 下降。当试件从拉断破坏转变为钢筋拔出时滑移量大幅减小，且缺陷侧滑移量随缺陷尺寸的增大而减小。灌浆均布缺陷试件荷载位移曲线分析图 为均布缺陷试件 的单向拉伸试验图，、的残余竖向微应变分别为、和，试件的残余变形量分别为 、和 。对比单缺陷尺寸相同、缺陷数量不同的试件的残余变形，发现随着 试件总缺陷尺寸增大，灌浆料与钢筋的粘结逐渐减弱，相对滑移增大导致竖向残余变形增大。图 试件的（）荷载应变曲线和（）荷载缺陷侧滑移曲线（电子版为彩图）（）（）不同缺陷对装配式建筑钢筋灌浆套筒连接性能的影响 杨 杨等 对比 五种缺陷，滑移量、峰值荷载对单缺陷尺寸不变、缺陷数量增加的情况不敏感，却随着单缺陷尺寸增加而显著下降。缺陷增加到 时，为钢筋拉断破坏，已发生钢筋拔出，说明相比于缺陷数量，单缺陷尺寸对试件破坏形态的影响程度更大。缺陷大小一样时，缺陷试件的滑移量、峰值荷载小于 缺陷试件，表明 缺陷对试件破坏形态的影响程度大于 缺陷。由图 可知，在拉伸荷载缺陷侧滑移初期，五种缺陷试件的荷载 与位移 基本呈线弹性关系，钢筋屈服后进入强化阶段直至试件破坏。由各组荷载位移曲线可知，、试件有明显的残余荷载，、出现荷载先下降后上升的趋势，其原因与 相同。在缺陷数量一致的情况下，当缺陷长度为 和 时，试件的残余粘结荷载分别为 和，表明缺陷长度越大灌浆料对钢筋的约束面积越小，残余粘结荷载 越低。在缺陷总长一致的情况下，和 的残余粘结荷载 分别为 和 ，表明缺陷数量对灌浆料与钢筋的粘结荷载影响更大。灌浆水平缺陷试件荷载位移曲线分析图 为水平缺陷试件 的单向拉伸试验图，、的套筒残余竖向微应变分别为、和。试件残余变形量分别为 、和 。随着缺陷长度增加，灌浆料与钢筋的粘结逐渐削弱，相对滑移增大导致竖向残余变形增大。图 试件的（）荷载应变曲线和（）荷载缺陷侧滑移曲线（电子版为彩图）（）（）由图 可知，在拉伸荷载缺陷侧滑移曲线加载初期，缺陷试件的荷载 与位移 基本呈线弹性关系，钢筋屈服后进入强化阶段，试件内部灌浆料与钢筋粘结性能良好，钢筋出现拉断破坏；、试件内部灌浆料对钢筋的约束作用减小，灌浆料与钢筋发生粘结破坏，钢筋被拔出。相比于，和 的峰值荷载分别下降 和。缺陷大小一样时，缺陷试件的峰值荷载小于、和 缺陷试件，表明 缺陷对试件破坏形态的影响程度更大。从荷载位移曲线可以看到，、有明显的残余荷载，其残余粘结荷载 分别为 和 ，表明缺陷长度越长，灌浆料对钢筋的约束面积越小，残余粘结荷载 越低。相比于、试件，试件的残余粘结荷载最低，也进一步说明 缺陷对试件的影响更大。、相比于，缺陷侧的滑移量分别下降 和 ，试件的滑移量随着缺陷的增大而显著减小，试件从拉断破坏转变为钢筋拔出时，其滑移量有较大幅度的减小，该规律与其他缺陷规律一致。灌浆偏心锚固缺陷试件荷载位移曲线分析图 为偏心锚固缺陷试件 的单向拉伸试验图，、的套筒残余竖向微应变分