不同缺陷灌浆套筒的变形性能与影响机制研究★

王长军，赵志坚，庞 森，朱红光

(1.北京中建建筑科学研究院有限公司，北京 100076； 2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

装配式建筑是未来土建行业发展的重中之重，有着工期短、耗能少、质量可控等优点，近些年在中国得到了很好的推广与应用。装配式建筑的节点连接质量是整个建筑物安全与使用寿命的关键，目前使用较为广泛的是灌浆套筒连接。但是工程中施工人员操作不当引起的套筒堵塞或者灌浆料回流现象经常出现，套筒内部存在脱空缺陷，这些问题会极大地影响灌浆套筒的连接性能[1-2]。郑清林[3]、高润东[4-5]等进行了一系列缺陷灌浆套筒的单向拉伸试验，分析缺陷尺寸、位置等对其抗拉性能、破坏形态的影响，得到了端部缺陷相对于水平缺陷、中部缺陷对试件受力性能影响较小，确定了套筒连接合格的钢筋临界锚固长度，但二者得到的结果并不一致。高润东的研究亦表明钢筋直径有影响，其规律尚未明确，不同缺陷位置影响套筒连接性能的内部机制也不清楚；除了抗拉强度之外，变形以及抗变形能力作为非常关键的物理指标对装配式结构的抗震性能和服役安全有重要的影响[6-7]，王天骄等[8]利用ABAQUS软件对灌浆套筒连接钢筋试件进行数值模拟，采用黏聚力单元对钢筋与灌浆料之间的黏结滑移进行模拟，结果显示数值模拟能够清晰展示缺陷套筒的滑移过程和应力-应变场，有助于了解缺陷对套筒连接性能的影响机制，是对实验研究的有益补充。针对上述存在的问题，本文在前人所做试验的基础上，通过制作不同直径的灌浆缺陷套筒试件，研究了钢筋直径对灌浆缺陷套筒连接性能的影响规律，探讨了半灌浆和全灌浆两种套筒在钢筋直径影响下的连接性能差异。在此基础上，通过建立灌浆缺陷套筒的数值模型并与试验进行对照验证，研究了不同缺陷尺寸和缺陷位置(端部、中部)对套筒抗变形能力的影响，并基于应力场探索了缺陷位置对连接性能和抗变形能力作用不同的内部工作机制。本文的研究成果可为装配式结构的套筒缺陷检测和连接性能分析提供参考。

1 灌浆缺陷套筒试件制备与单向拉伸试验

设计了不同缺陷长度、不同钢筋直径和不同套筒形式的钢筋套筒试件进行拉拔试验。选取工程现场使用广泛的主流品牌——北京建工研究院研发的套筒，钢筋为HRB400，直径d选取了3种：14 mm，20 mm，25 mm；每种直径分别设计半灌浆套筒和全灌浆套筒2种套筒形式，同时采用在钢筋上缠绕多层胶带的方式来制造人工缺陷，每种套筒形式设计3种饱满度试件，饱满度为50%，60%，70%，对应的锚固长度分别为4d，4.8d，5.6d，并设置饱满(锚固长度8d)套筒作为对照。所有试件灌浆料强度为92 MPa。

缺陷试件的制作及拉拔试验得到的典型曲线如图1所示，试件具体参数及拉拔实验结果如表1所示。依据JGJ 355—2015钢筋套筒灌浆连接应用技术规程第3.2.5条[9]，套筒灌浆连接接头单向拉伸加载过程中，当接头应力达到连接钢筋抗拉荷载标准值的1.15倍而未发生破坏时，应判为抗拉强度合格，可停止试验。HRB400钢筋抗拉强度标准值记为fsk=540 MPa，表1中fe/fsk可视为无量纲的锚固应力。

从荷载位移曲线可以看出，灌浆套筒在单向拉伸作用下，随着荷载不断增大，位移线性增长；然后进入屈服、强化，荷载再度上升，达到极限荷载后迅速下降，最后有缓慢的水平段，荷载主要来自钢筋与灌浆料之间的摩擦力。

表1 缺陷套筒试件参数及单拉试验结果

试验中，除直径14 mm、锚固长度5.5d的半灌浆和全灌浆两种套筒外，其余套筒均为钢筋拔出破坏，因此直径14 mm灌浆套筒合格的临界锚固长度为5.5d，半灌浆或者全灌浆对临界锚固长度没有影响。而直径20 mm,25 mm 的灌浆套筒在锚固长度为5.5d时为钢筋拔出，可知其临界锚固长度应在5.5d或以上。

2 试验结果分析

将锚固长度与锚固应力数据绘制成图，如图2,图3所示，拟合得到关系如图中直线。从图2，图3中可以看出，在本文的试验锚固长度范围内，随着锚固长度的增加，锚固应力整体上是同步增长的，大体呈线性规律；对比不同颜色的拟合线可以看出钢筋直径对这一规律有显著影响，直径越大，相同锚固长度下的锚固应力越低。将锚固应力-锚固长度的关系外延，可以发现随着钢筋直径的增大，fe/fsk达到连接合格的1.15时所对应的临界锚固长度增大，说明钢筋直径越大，需要的临界锚固长度越长，直径20 mm,25 mm的临界锚固长度在5.5d～6d之间。同时对比图2,图3可以发现相同直径下全灌浆套筒的临界锚固长度要大于半灌浆套筒，说明全灌浆套筒的约束效果要略差于半灌浆套筒。

3 不同缺陷灌浆套筒连接性能的数值模拟

本文选择半灌浆套筒进行了数值模拟，选取钢筋直径20 mm，按照1节中的套筒尺寸建立数值模型，灌浆缺陷用空腔代替。为了简化分析，变形钢筋用等效光圆钢筋代替，灌浆套筒为光滑圆柱体。由于灌浆套筒为轴对称结构，建立的数值模型如图4所示。

数值模拟中灌浆料本构关系选用了混凝土塑性损伤模型，强度92 MPa，热膨胀系数为0.000 6，泊松比0.2，膨胀角取30°,偏心率取0.1，fb0/fc0取1.16，K取0.666 67，黏性参数取0.005；钢筋采用的是理想弹塑性三折线模型,其参数来自于1节试验对照组，泊松比取0.3；单拉过程中套筒始终处于弹性状态，因此套筒采用理想弹性模型，弹性模量取2×105MPa，泊松比0.3。本文先模拟了锚固长度为4d的缺陷灌浆套筒，并将数值模拟结果与试验结果进行了对比验证，如图5所示，数值模拟结果与试验结果吻合较好，峰值荷载误差仅为4.7%，说明了本文数值模型的正确性。

在此基础上，本文进行了不同锚固长度、不同位置缺陷的灌浆套筒的数值模拟，锚固长度从1d～7d变化，缺陷位置分为中部缺陷和端部缺陷。模拟了缺陷套筒的单向拉伸的过程。

4 数值模拟结果

模拟得到端部缺陷套筒和中部缺陷套筒的力-位移曲线如图6,图7所示。

整体上看，端部缺陷和中部缺陷的力-位移曲线相似，在锚固长度为1d～3d时为屈服点前拔出；端部缺陷4d～5d、中部缺陷为4d～5.5d为极限荷载前拔出；其余为钢筋拉断。将两种缺陷套筒的峰值荷载提取，并将屈服前的曲线拟合斜率得到缺陷套筒的等效刚度，绘制两种缺陷套筒的峰值荷载-锚固长度曲线和等效刚度-锚固长度曲线分别如图8,图9所示。

从图8可以看出，1d～5d锚固长度下，端部缺陷套筒比中部缺陷套筒能承受更大的峰值荷载，在超过5d以后二者基本相似；说明中部缺陷对灌浆套筒连接钢筋试件的承载性能影响更为不利。而图9中则可以看出，在1d～8d锚固长度下，中部缺陷套筒的等效刚度整体上却要大于端部缺陷套筒，说明缺陷不同位置对套筒连接的抗变形能力影响显著。这可能会对套筒与周围混凝土的共同工作产生不利影响，需要在工程实践中加以注意。

由图10中套筒壁应力云图可知，端部缺陷位置所对应的套筒壁基本不受力，而中部缺陷位置对应灌浆套筒依然受力，因此受同等力时，含有中部缺陷试件的套筒壁受力更加分散和均匀，筒壁变形更小，对灌浆料的约束更连续、效果更好，其连接刚度要大于含有端部缺陷的试件。由灌浆料应力云图可知，当缺陷大小一致，受同等力的情况下，将由灌浆料中部缺陷两侧的灌浆料来承担，此时由于灌浆料不连贯，中部缺陷两侧的灌浆料受力较端部缺陷受力更为集中，因此使得位于中部缺陷两侧的灌浆料更早发生破坏，从而使得钢筋与灌浆料整体的黏结强度减弱更为明显。因此，中部缺陷对灌浆套筒承载性能的不利影响更大。

5 结论

1)钢筋直径对灌浆缺陷套筒的连接性能有显著影响，直径越大，相同锚固长度下的锚固应力越低，连接合格所要求的临界锚固长度越长；同时，套筒类型对连接效果也有影响，相同直径下全灌浆套筒的临界锚固长度要大于半灌浆套筒。2)缺陷位置对套筒的连接性能和抗变形能力有显著影响，1d～5d锚固长度下，端部缺陷套筒比中部缺陷套筒能承受更大的峰值荷载，在超过5d以后二者承载性能基本相似；但对抗变形能力影响则相反，在1d～8d锚固长度下，中部缺陷套筒的等效刚度整体上却要大于端部缺陷套筒。3)中部缺陷会导致灌浆料的应力场不连续，而在缺陷处产生应力集中现象，从而导致中部缺陷套筒的连接性能差于端部缺陷套筒。