高温后半灌浆套筒连接力学性能试验研究*

李明涛

(中铁第一勘察设计院集团有限公司, 西安 710043)

随着社会进步，人口密度越来越高，建筑密集程度越来越高，火灾造成的损失越来越严重，火灾对建筑结构力学性能的影响显得尤为重要。国内外学者对此做了相关研究，文献[1-3]研究了不同现浇楼板的耐火性，并评估了高温后试件的力学性能；郑永乾等[4]开展了高温后高性能混凝土墙力学性能的有限元分析；韩林海等[5]对钢管混凝土柱进行了火灾条件下力学性能研究。同时，随着近年来装配式建筑在国内的快速发展，装配式建筑高温后的力学性能逐渐成为研究热点。文献[6-7]对装配式组合楼板高温后受力性能进行了研究；刘激扬等[8]对高温后装配式钢桁架组合楼盖的力学性能进行了研究。

装配式建筑中高温后构件连接的力学性能是保证结构耐火性能的关键。目前，装配式建筑的连接方式主要有套筒灌浆连接、预应力连接、焊接连接等[9]，其中半灌浆套筒具有施工速度快、连接可靠等优势。国内部分学者[10-11]已经就常温下半灌浆套筒钢筋连接性能进行了相关研究，研究表明在常温下，半灌浆套筒能够有效传递钢筋的应力，达到JGJ 107—2016《钢筋机械连接技术规程》[12]中I级接头的强度性能要求，且具有良好的抗震性能。但是，目前国内外针对高温后半灌浆套筒连接的力学性能研究还较少。

为了研究高温对半灌浆套筒钢筋连接力学性能的影响，首先确定高温对灌浆料抗压强度的影响，然后以温度、锚固长度、保护层厚度作为变量，设计高温后半灌浆套筒连接的拉拔试验，探明高温后试件的破坏形态、承载力、极限位移，并基于试验结果推导高温后半灌浆套筒连接承载力计算式。

1 试验概况

1.1 试件设计

制作30个尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的灌浆料试件进行标准养护并测试，GB/T 50448—2015高温处理后参考《水泥基灌浆材料应用技术规范》[13]进行抗压强度试验。

半灌浆套筒试件拉拔试验中，套筒为铸铁半灌浆套筒，锚固钢筋直径为16 mm，半灌浆套筒试件几何尺寸见图1。试件的锚固长度设计了100，110，120 mm。试件的保护层厚度设计了无保护层和30 mm。保护层的混凝土强度等级为C30，为了方便后期拆除混凝土保护层，钢筋外围设有钢套管。试件参数如表1所示。试件制作过程中如图2所示。

表1 试件参数Table 1 Parameters of specimens

1.2 试验加载

1.2.1高温试验方案

高温试验设备采用台车式混凝土实验炉(型号JHRT-45-9)，设备的温度控制精度为±10 ℃，满足试验要求，如图3所示。灌浆料试块和半灌浆套筒试件的高温处理采用相同的高温试验方案，如图4所示。高温加载分为两个阶段，第一阶段，以每分钟8 ℃加载至100 ℃，并保持2 h，目的是充分蒸发混凝土和灌浆料中的水分；第二阶段，以相同的加载速率升温至试验设计温度，并保持2 h，目的是使试件均匀受热。试件在经过高温处理之后冷却至室温。

1.2.2高温后加载方案

高温处理后的灌浆料试块采用YAW-300B试验机进行抗压试验，设备量程为300 kN，满足试验要求。半灌浆套筒拉拔试验采用WAW-1000WE微机控制电液伺服万能试验机，设备量程为1 000 kN。试验之前除去半灌浆套筒的混凝土保护层，试验加载如图5所示。加载过程采用单向拉伸，加载制度参考相关规范[12]确定。加载过程分为两个阶段，第一阶段从0加载至0.6fyk，完全卸载之后测量试件的残余变形；第二阶段从0加载至试件破坏，记录试件的屈服荷载和极限荷载。

2 试验现象

高温处理后半灌浆套筒试件冷却至室温，除去试件外围的混凝土保护层，之后采用万能试验机进行拉拔试验。构件的破坏形态主要有两种[14]，一种是锚固钢筋屈服后发生断裂，见图6a；另一种是灌浆料发生劈裂破坏，钢筋被拔出，见图6b。试件的极限荷载和破坏形态见表2。由表2可以看出，试件的破坏模式随着温度的升高而变化，变化规律为钢筋屈服后断裂(锚固连接可靠，延性破坏)→钢筋屈服后拔出(锚固连接失效，延性破坏)→钢筋屈服前拔出(锚固连接失效，脆性破坏)。

表2 半灌浆套筒试件的极限荷载和破坏模式Table 2 Ultimate loads and failure modes of semi-grouting sleeve specimens

保护层为30 mm的试件，锚固长度为100，110，120 mm时对应的锚固连接失效温度分别为300，400，600 ℃，说明随着锚固长度的增加，锚固连接失效的临界温度逐渐提高。锚固长度为110 mm的试件，保护层0，30 mm时对应的锚固连接失效温度分别为200，400 ℃，说明保护层的存在可以有效提高锚固连接失效的临界温度。

3 试验结果及分析

3.1 高温后灌浆料抗压强度

对经过标准养护的灌浆料试块进行高温处理，并进行抗压强度测试，试验结果如表3所示。随着温度的增高，灌浆料的抗压强度逐渐减小。

表3 高温后灌浆料的抗压强度Table 3 Compressive strength of grout after being subjected to high temperature

以常温下灌浆料的抗压强度为基准，计算高温后灌浆料抗压强度的折减系数，并与文献[15]中高强混凝土的结果进行对比，如图7所示。灌浆料的抗压强度损失在200 ℃后超过80%，而高强混凝土的抗压强度损失在400 ℃后超过80%。同时，在相同温度下灌浆料的抗压强度损失也明显大于高强混凝土的抗压强度损失，说明高温对灌浆料抗压强度的影响更大。

(1)

式中：fc为常温下灌浆料抗压强度；T为温度。

3.2 锚固长度对试件力学性能的影响

保护层厚度为30 mm，高温后不同锚固长度试件的力-位移曲线如图9所示。随着温度的增加，极限荷载逐渐减小，延性逐渐减弱。当温度达到600 ℃时，锚固长度小于等于110 mm的试件发生脆性破坏。

保护层厚度为30 mm，高温后不同锚固长度试件的极限荷载和极限位移如图10所示。当温度小于等于300 ℃时，不同锚固长度试件的极限荷载和极限位移变化规律基本一致，同时极限荷载和极限位移损失都较小，这是因为此时试件破坏多表现为钢筋断裂，锚固长度对极限荷载和极限位移的影响较小。当温度大于300 ℃后，锚固长度为120 mm的试件的极限荷载和极限位移逐渐减小，基本呈线性变化；但是锚固长度小于120 mm的试件的极限荷载和极限位移急剧减小，这是因为锚固长度不足导致钢筋被拔出。同时，600 ℃时锚固长度120 mm的半灌浆套筒试件的极限荷载与常温相比只损失了6%，极限位移损失了46%，而锚固长度100 mm的试件的极限荷载损失了29%，极限位移损失了71%。这说明锚固长度的适当增加可以提高高温后半灌浆套筒连接的力学性能。

3.3 保护层厚度对试件力学性能的影响

锚固长度为110 mm，高温后不同保护层厚度试件的力-位移曲线如图11所示。随着温度的增加，极限荷载逐渐减小，延性逐渐减弱，其中无保护层试件的延性对高温更加敏感。

锚固长度为110 mm，高温后不同保护层厚度试件的极限荷载和极限位移如图12所示。由图12a可知，当温度小于等于300 ℃时，保护层厚度为30 mm的试件的极限荷载基本不变，而无保护层试件的极限荷载呈现下降的趋势，这是因为高温后无保护层试件的灌浆料强度下降较快，试件发生钢筋拔出破坏。当温度大于300 ℃后，保护层厚度为30 mm和无保护层的试件的极限荷载均急剧下降，但是保护层厚度为30 mm的试件的极限荷载仍远大于无保护层试件的极限荷载。由图12b可知，保护层厚度为30 mm的试件的极限位移在300 ℃后开始急剧下降，而无保护层试件的极限位移在200 ℃时已经开始急剧下降；保护层30 mm的试件在600 ℃时的极限位移与无保护层试件在300 ℃时的极限位移基本一致。这说明保护层可以极大地提高高温后半灌浆套筒连接的力学性能。

4 高温后半灌浆套筒承载力计算式

4.1 高温后保护层厚度30 mm试件承载力计算式

半灌浆套筒承载力与黏结强度之间的关系参考钢筋与混凝土之间的黏结应力公式[17]，如式(2)所示：

(2)

式中：P为承载力；la为锚固长度；d为钢筋直径。

以保护层厚度为30 mm，锚固长度为110 mm的试件为例，根据式(2)计算高温后试件中钢筋与灌浆料之间的平均黏结强度，如表4所示。

表4 高温后保护层厚度30 mm试件的平均黏结强度Table 4 Average bond strength of specimens with 30 mm thick protective layer after being subjected to high temperature

(3)

结合式(1)和(3)，推导得到高温后保护层厚度30 mm半灌浆套筒承载力计算式：

P=πdlaτ=

(4)

式中：la为锚固长度；d为钢筋直径；fc为常温下灌浆料抗压强度；T为温度。

由式(4)计算得到高温后不同锚固长度试件的承载力，并和试验结果进行对比分析，如图14所示。由图14可知，预测值随温度的变化趋势与试验值的基本一致，预测值和计算值之间的误差较小，在10%以内，说明式(4)可以较好地预测高温后保护层30 mm半灌浆套筒的承载力。

4.2 高温后无保护层试件承载力计算式

根据式(2)计算高温后无保护层试件中钢筋与灌浆料之间的平均黏结强度，如表5所示。

表5 高温后无保护层试件的平均黏结强度Table 5 Average bond strength of specimens without protective layer after being subjected to high temperature

基于表3、5对高温后无保护层试件的黏结强度进行数据拟合，得到的计算式如式(5)所示：

(5)

结合式(1)和(5)，推导得到高温后无保护层半灌浆套筒承载力计算式为：

P=πdlaτ=

(6)

式中：la为锚固长度；d为钢筋直径；fc为常温下灌浆料抗压强度；T为温度。

由式(6)计算得到高温后无保护层试件的承载力，并与试验结果进行对比分析，结果如图16所示。由图可知，预测值随温度的变化趋势与试验值的基本一致，预测值和计算值之间的误差在8%以内，说明式(6)可以较好地预测高温后无保护层半灌浆套筒的承载力。

5 结束语

通过开展高温后灌浆料抗压强度的研究，同时以温度、锚固长度、保护层厚度为变量，研究了高温对半灌浆套筒力学性能的影响，得到如下结论：

1)高温后灌浆料抗压试验结果显示：随着温度的增高，灌浆料的抗压强度逐渐减小；当温度小于等于200 ℃时损失较小，当温度大于200 ℃后损失开始加剧。通过对试验数据拟合，得到了高温后灌浆料抗压强度的计算式。

2)半灌浆套筒试件的破坏模式随着温度的升高而变化，变化规律为：钢筋屈服后断裂→钢筋屈服后拔出→钢筋屈服前拔出。锚固长度的增加和保护层的存在可以有效提高锚固连接失效的临界温度。

3)在600 ℃时，锚固长度为120 mm的半灌浆套筒试件极限荷载与常温下比较只损失了6%，极限位移损失了46%，而锚固长度为100 mm的试件极限荷载损失了29%，极限位移损失了71%。这说明增加锚固长度可以有效提高半灌浆套筒连接的力学性能。

4)温度在300～600 ℃时，保护层厚度为30 mm的试件的极限荷载和极限位移的损失远小于无保护层试件。这说明保护层有利于提高半灌浆套筒连接的极限荷载和极限位移。

5)推导得到了高温后保护层厚度30 mm和无保护层的半灌浆套筒承载力计算式，该式能够较好地预测高温后半灌浆套筒的承载力。