锻压式半套筒单向拉伸性能影响因素分析

宋 柳，白 蓉，马海彬*，郑志涛

(1.安徽理工大学土木建筑学院，淮南 232001；2.中国建筑第四工程局有限公司，广州 510610；3.合肥建工集团有限公司博士后工作站，合肥 230088)

钢筋套筒灌浆连接主要应用在各预制混凝土构件接头处，按照连接方式可分为全套筒灌浆连接和半套筒灌浆连接[1]。其中，相较于全套筒灌浆连接，半灌浆套筒有现场施工作业量小、施工效率高的优点，在装配式建筑中应用更为广泛。

近年来，不少中外学者对灌浆套筒连接进行卓有成效的研究[2-5]。Sayadi等[6]研究了套筒长度和锚固长度等对试件的极限承载力的影响。Henin等[7]设计了内表面带螺纹的新型套筒，并通过试验与模拟结合进行研究，得到套筒长度为16倍钢筋直径时，试件极限承载力大于钢筋极限承载力。王玲等[8]研究了灌浆套筒用于连接角纵筋的T形柱边框架梁柱节点试件在水平地震作用下的破坏过程、承载力等。颜华等[9]将灌浆率作为影响因素对试件进行研究,并提出了复灌的解决方法。在半套筒灌浆连接中，学者们对于套筒试件连接性能的影响因素进行了大量研究，包括钢筋直径、钢筋偏位、锚固长度等[10-11]。文献[12-15]通过试验研究了钢筋偏位不同参数对于接头力学性能的影响，并将有限元模拟结果与试验结果相对比，结果表明套筒性能良好，符合规范要求。陈建伟等[16]分析了不同偏心类型对于半灌浆套筒偏心连接试件的受拉性能的影响，并进行了数值模拟和参数分析。刘洋等[17]通过试验得出半灌浆套筒在相同条件下更优于全套筒的结论。文献[18-19]在试验的基础上，提出了半套筒连接单向拉伸下的本构关系，并进行了模拟与验证。

目前半灌浆套筒品类繁多，结构形式各异，针对性的理论研究成果较少且缺乏深入。基于此，现设计出一种通过热处理及冷锻压技术制作成的新型半灌浆套筒，该套筒外表面分布有环状锻压槽，压入部位呈八棱状，相应的内表面有环状凸起肋，可以增加套筒与内部灌浆料和外部混凝土间的机械咬合力。通过试验研究和有限元分析相结合的方法全面分析锻压式新型套筒的连接性能，以判定新型套筒是否满足规范要求，并为其在装配式建筑中的使用提供理论依据。

1 试验概况

1.1 试件设计

半灌浆套筒连接接头试件采用锻压式半套筒、HRB400钢筋及常温型套筒灌浆料制作而成，钢筋直径分别为16 mm、20 mm。接头试件中标准锚固长度为8倍钢筋直径，每组均设置3个平行试件。此外，考虑到钢筋偏心以及锚固长度对于半灌浆接头试件的性能影响，选取直径为20 mm的钢筋及配套半套筒制作极限偏心接头试件以及不同钢筋锚固长度的接头试件，进行单向拉伸试验。试件参数如表1所示。

1.2 材料性能

根据《钢筋连接用套筒灌浆料》(JG/T 408—2019)[20]中对于灌浆料的流动度和抗压强度试验的规定进行相关试验。试验所采用的灌浆料是由廊坊预则立建筑材料科技有限公司出品的常温型套筒灌浆料，其初始流动度为345 mm，30 min后的流动度为298 mm。制作40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体试块进行抗压试验得到其1、3、28 d抗压强度分别为51.3、69.9、92.5 MPa。实测流动度和抗压强度均满足规范要求。试验中使用的钢筋为强度等级HRB400的带肋钢筋，实际测得直径16 mm的钢筋屈服强度和抗拉强度分别为442.1、648.3 MPa，直径20 mm的钢筋屈服强度和抗拉强度分别为459.4、653.3 MPa，均满足要求。

表1 试件参数Table 1 Parameters of specimens

1.3 测量内容及方法

试件的单向拉伸试验在安徽理工大学采动国家重点实验室WAW-1000电液伺服万能试验机上进行，荷载及位移曲线由试验机连接的电脑直接得到，试验加载装置如图1所示。在套筒表面粘贴轴向和环向应变片以测得套筒表面的应变，所得数据采用YE2539高速静态应变仪采集。

图1 加载装置Fig.1 Loading setup

2 试验结果分析

2.1 接头破坏结果

各半灌浆套筒接头试件经过单向拉伸均受到破坏，形式表现为钢筋拉断破坏，一般断于加载端钢筋。具体试验结果如表2所示。从表2中可以看出，所有接头试件的抗拉强度与连接钢筋极限屈服强度标准值的比值fu/fstk均大于1.16，残余变形u0均小于0.10，满足JGJ 107—2015《钢筋机械连接技术规程》[21]中的Ⅰ级接头的相关规定。

试件破坏情况如图2所示，其中B16和B20型号的套筒试件均破坏于钢筋断裂，如图2(a)～图2(c)所示。在试验过程中，初始阶段灌浆料表现良好，随着荷载不断增大，灌浆料端部会不断出现径向和轴向的劈裂裂缝，直到端面的灌浆料被压碎剥落，如图2(d)所示。

表2 试件破坏结果Table 2 Test results of specimens

图2 试件破坏形态Fig.2 Failure mode of specimens

2.2 荷载-位移曲线

试件的荷载-位移曲线如图3所示，其中横坐标为万能试验机夹具间的相对位移，纵坐标为拉力。由于接头试件的破坏均断于钢筋，所以试件的荷载-位移曲线与单根钢筋试件的曲线相类似，均经历弹性阶段、屈服阶段、强化阶段以及破坏阶段这4个阶段。

在弹性阶段，荷载与位移间的关系基本呈线性相关，之后试件进入屈服阶段。在这期间，钢筋横肋与灌浆料之间会相互挤压，不断产生微观裂缝直到产生明显的劈裂裂缝。钢筋经过屈服阶段后进入强化阶段，此时钢筋与灌浆料充分挤压，直到端面的灌浆料被压碎剥落。曲线下降段为钢筋颈缩破坏阶段。

如图3(a)所示，钢筋直径为20 mm的试件与钢筋直径为16 mm的试件相比，接头试件的最大承载力显著提高。对于同一组试件来说，屈服强度及抗拉强度相差不大，曲线的变化特性也基本相同。不同钢筋锚固长度的B20组接头试件的曲线如图3(b)所示，3组试件均满足规范中对于接头试件的承载力要求，锚固长度对于试件抗拉强度变化的影响不明显，但是锚固长度越大时，强化阶段越长，说明试件抵抗破坏的能力更强。B20组的钢筋对中试件和钢筋极限偏心试件的曲线对比如图3(c)所示，曲线的前三阶段基本重合，只是偏心曲线的强化阶段较对中试件更短，可以看出钢筋偏心对于屈服荷载以及承载力的影响都较小。

图3 荷载-位移曲线Fig.3 Load-displacement curves

2.3 套筒表面荷载-应变曲线

对于钢筋直径为20 mm的试件，选择平行试件中的一个典型试件，做出3种锚固长度的钢筋对中试件以及偏心试件的荷载-应变曲线，如图4所示。其中应变为正值代表的是拉应变，应变为负值代表的是压应变。可以看出对中试件的轴向应变和环向应变均为压应变，且曲线基本呈线性增长，而偏心试件的轴向应变为拉应变，环向应变为压应变。产生这种现象的原因是：钢筋变形导致灌浆料碎裂膨胀，挤压套筒，而套筒在钢筋与灌浆料间黏结应力和泊松效应的叠加影响下产生的环向压缩作用会约束灌浆料膨胀，当灌浆料膨胀挤压作用大于环向收缩作用时则产生拉应变，反之为压应变。

从图4中可以得知，在B20组试件的受拉过程中，套筒的环向应变均大于轴向应变。套筒表面应变在试件到达屈服强度之前，基本都是随着荷载的增加而线性增大。在对中试件中，测点Z1的应变随着荷载增加而增长的速度比Z2快，测点H2的应变随着荷载增加而增长的速度比H1快，说明靠近套筒灌浆端表面的轴向变形比螺纹端大，环向变形比螺纹端小。在偏心试件中，环向应变的规律与对中试件相似，而轴向测点Z2的应变比Z1增加得更快，说明靠近套筒灌浆端表面的轴向变形和环向变形都比螺纹端小。

图4 荷载-套筒表面应变曲线Fig.4 Load-strain of sleeve surface curves

3 有限元分析

3.1 模型的建立

在模型中钢筋和套筒均采用双线性随动强化模型BKIN，服从Mises屈服准则，钢筋和套筒的屈服强度及抗拉强度由钢筋实际的材料性能试验确定。而灌浆料采用了多线性等向强化模型MISO，服从William-Warnke五参数破坏准则。材料参数如表3所示。灌浆料使用SOLID65单元件进行建模，套筒和钢筋均采用SOLID185单元进行建模。灌浆料和套筒之间以及灌浆料和钢筋之间的界面，都使用接触元件进行建模。

表3 材料参数Table 3 Properties of materials

3.2 结果分析

针对B20试件进行建模以及有限元分析，得到在轴向拉伸下的接头试件整体以及套筒和灌浆料的von Mises应力云图以及等效塑性应变的结果，根据应力应变分布情况来分析试件破坏情况。

图5 Von Mises应力云图Fig.5 Von Mises stress nephogram

图5所示为B20试件的接头整体、套筒及灌浆料的Mises应力云图。试件接头所受最大应力位置处于螺纹连接端钢筋上，应力最大的位置即接头试件钢筋断裂的位置。从套筒单元的等效应力图[图5(b)]可以看出，应力最大处位于钢筋与套筒螺纹连接的位置，其次是凹槽处的应力较其他位置更大。对于套筒和灌浆料来说，在试件加载过程中，灌浆料与钢筋产生滑移，使灌浆料碎裂膨胀，此时锻压槽间的灌浆料凸起位置会对左右的锻压凹槽产生挤压，从而在套筒锻压槽处产生较大的应力。

图6所示为试件接头整体与套筒的等效塑性应变云图。从试件接头整体的等效塑性应变云图可以看出，最大塑性应变出现在钢筋上，然后向左右递减，相对于钢筋的应变来说，套筒表面的等效塑性应变很小，在试件破坏时仍然还有很大的承载力，有着足够的变形空间。从模拟试件的塑性应变分布情况可以看出，破坏形态与试验一致，都是断于钢筋。

图6 等效应变云图Fig.6 Equivalent strain nephogram

4 结论

(1)试件单向拉伸试验的破坏过程与钢材类似，其中钢筋直径对于接头试件的承载力有着一定影响；锚固长度大，对于强化阶段有一定巩固作用；钢筋偏心对承载力影响不大。

(2)试验中的半灌浆套筒连接接头试件满足相关规程中的Ⅰ级接头的规定，抗拉强度与连接钢筋极限屈服强度标准值的比值和残余变形均满足要求。

(3)随着荷载增加，套筒表面应变基本呈线性增长的趋势。由于灌浆料膨胀挤压作用小于套筒环向收缩作用，对中试件的环向应变及轴向应变均为压应变，而钢筋偏心使两者作用发生了变化，使得轴向产生拉应变。

(4)试件模拟分析的破坏形式与试验情况基本一致，均是破坏于钢筋断裂。

(5)从有限元仿真分析中可以看出，接头整体中钢筋表面应力应变最大；套筒锻压槽处的应力较其余部位更大，而套筒表面整体应变较小。