波纹管成孔钢筋约束浆锚搭接连接力学性能*

孙志刚 郑永峰 唐书峰 张珊珊

(1.山东兖州建设总公司,山东济宁 272100;2.建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室(山东建筑大学),济南 250101)

0 引 言

装配式混凝土结构中预制构件纵向钢筋的连接主要有钢筋套筒灌浆连接和钢筋浆锚搭接连接两种方式。前者属于对接连接,钢筋锚固长度较小,力学性能可靠,但灌浆套筒的价格较高[1-2]。后者属于搭接连接,搭接长度较大,连接成本较低,多用于剪力墙结构中小直径钢筋的连接。对于浆锚搭接连接,根据其预留孔道的成型方式不同可分为：预埋金属波纹管成孔和钢管抽芯成孔两大类,如图1所示。为提高钢筋连接的结构性能,减小钢筋搭接长度,抽芯成孔搭接连接在搭接段设置螺旋箍筋,从而形成约束浆锚搭接连接。

a—预埋波纹管成孔;b—抽芯成孔。图1 钢筋浆锚搭接连接Fig.1 Rebars lapped in grout-filled hole

为验证浆锚搭接连接的可靠性,国内众多学者开展了浆锚搭接连接装配式剪力墙的抗震性能研究[3-5],结果均表明：在具有足够搭接长度及合理螺旋箍筋构造的情况下,装配式剪力墙具有与现浇墙体相当的抗震性能。但目前国内对于钢筋浆锚搭接连接最小搭接长度的计算方法尚没有统一的认识[6]。

为确定合理的搭接长度,姜洪斌等考虑钢筋直径、混凝土强度、锚固长度等参数,对抽芯成孔钢筋约束浆锚搭接连接的工作机理进行了试验研究[7]。马军卫等对144个抽芯成孔钢筋约束浆锚搭接连接接头试件进行单向拉伸试验和高应力反复拉压试验[8],结果表明：提高螺旋箍筋体积配箍率可明显提高连接钢筋的锚固性能。毛小勇等对抽芯成孔约束浆锚搭接连接进行了高温下的单向拉伸试验[9],结果表明：随着温度升高,材料性能不断劣化,极限承载力逐渐下降,在600 ℃时,试件的极限承载力降为常温下的40%～50%。徐文杰等对钢筋浆锚搭接连接中的主要缺陷进行了归纳、分析及试验模拟[10],结果表明：连接缺陷形成的原因主要包括漏浆、硬化后二次补浆、灌出浆孔堵塞、钢筋及预留孔洞位置偏移、施工扰动、灌浆料流动性降低等。上述研究成果多基于抽芯成孔的钢筋约束浆锚搭接连接,对于预埋波纹管成孔钢筋浆锚搭接连接力学性能的研究成果相对较少,且由于两者间存在明显的构造差异,因此对于波纹管成孔钢筋浆锚搭接连接的力学性能尚需要进一步研究。

另一方面,由于钢筋浆锚搭接连接中的钢筋为偏心受力,搭接的两根钢筋需通过灌浆料、混凝土等黏结材料完成力的传递,搭接传力会导致连接区域混凝土和灌浆料径向劈裂,影响接头裂缝控制、变形及恢复力。为提升波纹管成孔钢筋浆锚搭接连接的力学性能,参考抽芯成孔约束浆锚搭接连接,在搭接连接区段增设了螺旋箍筋,并通过单向拉伸试验研究螺旋箍筋配箍率、钢筋搭接长度等参数对接头力学性能的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

设计制作了60组、共180个试件(为减小试验结果离散性的影响,每组制作3个同规格试件)。试件尺寸及构造如图2所示。试件截面尺寸为120 mm×150 mm,波纹管内径为40 mm。为减小混凝土块体末端应力集中的影响,钢筋两端各设置20 mm长的无黏结段。试件参数包括混凝土强度等级(C30、C40)、连接钢筋直径db(10 mm、12 mm和14 mm)、钢筋搭接长度试验值ll,exp、螺旋箍筋直径dsb(4 mm、6 mm)和螺旋箍筋螺距sv(50 mm、75 mm、100 mm)。以试件C30-d14-31d-450为例说明试件编号的含义：“C30”表示混凝土强度等级,“d14”表示连接钢筋公称直径为14 mm,“31d”表示钢筋搭接长度为31db,“450”表示螺旋箍筋直径为4 mm,螺距为50 mm,以下用d4@50表示。

1.2 材料性能

连接钢筋采用HRB400E钢筋,材料特性见表1。试件采用C30和C40商品混凝土制作,同条件养护立方体试块(150 mm×150 mm×150 mm)的抗压强度分别为32.5 MPa和40.3 MPa。试件金属波纹管内灌注高强无收缩水泥基灌浆料,同条件养护灌浆料试块(40 mm×40 mm×160 mm)的抗压强度为80.5 MPa。

1.3 试验装置

由于搭接接头试件为偏心试件,传统的力学试验机会使试件偏心受力,进而影响试验精度,为此专门设计了反力架及试验装置(图3)。反力架为由4根直径45 mm的螺杆和三面16 mm厚钢板组成的槽形结构(图3a),用于放置试验构件。反力架两端各有一块开有偏心孔洞的40 mm厚钢板,为张拉千斤顶提供反力支撑。其中,一侧钢板与槽型结构焊接固定,另一侧钢板可在精轧螺纹钢筋上滑动并采用螺母固定。为减小反力架钢板与试件之间的摩擦力,在反力架内壁和底面放置四氟乙烯板。

a—反力架;b—试验总装。图3 加载装置Fig.3 Testing setup

拉拔试验采用两台穿心式液压千斤顶进行加载,最大张拉力均为300 kN,如图3b所示。试验前在万能试验机上对千斤顶和力传感器进行标定,通过油泵压力表的压力值和力传感器测定试验拉力。钢筋屈服前采用手压泵千斤顶加载,钢筋屈服后采用电动泵千斤顶加载。

2 主要试验结果及分析

2.1 破坏形态

文中共出现了2种破坏形态,分别为钢筋拉断破坏(BF)和钢筋拔出破坏(BP),主要试验结果见表2。由表2可见,各组试件的平均抗拉强度与钢筋屈服强度标准值(fbyk)的比值均大于1.50,与钢筋抗拉强度标准值(fbuk)的比值均大于1.10,表现出较好的力学性能。

表2 主要试验结果Table 2 Summary of test results

钢筋直径为10 mm和12 mm的接头试件均为钢筋拉断破坏,最小锚固长度为31db。钢筋屈服前,混凝土块体表面未开裂或仅存在细微裂缝,钢筋拉断时混凝土块体角部及中部存在2～3道较明显裂缝,个别箍筋螺距较大的试件角部混凝土局部脱落,但混凝土块整体基本完好,如图4所示。

图4 试件C30-d10-31d-475Fig.4 Specimen C30-d10-31d-475

对于钢筋直径为14 mm的试件,除C40-d14-25d-6100和C40-d14-25d-475组中各有1个试件出现钢筋拔出破坏外,其余试件均为钢筋拉断破坏。C40-d14-25d-6100组3个试件的抗拉强度分别为609.0 MPa(BF)、606.7 MPa(BF)和588.3 MPa(BP),C40-d14-25d-475组3个试件的抗拉强度分别为629.5 MPa(BF)、632.7 MPa(BF)和639.1 MPa(BP)。上述结果表明：1)同规格接头试件的抗拉强度存在差异性,主要是由钢筋和混凝土材料性能的离散性以及构件制作误差等原因造成;2)配置d4@75螺旋箍筋的试件抗拉强度大于配置d6@100螺旋箍筋试件;3)25db接近于钢筋的临界锚固长度,即钢筋发生拉断破坏的同时,也即将达到钢筋的黏结强度。

另一方面,钢筋拔出破坏试件均为预埋钢筋被拔出,表明接头的抗拉强度取决于预埋筋与混凝土间的黏结性能。原因为：填充灌浆料强度远高于混凝土,且有金属波纹管的约束,造成浆锚钢筋的黏结强度远大于预埋钢筋的黏结强度。

加载过程中,14 mm钢筋接头试件的混凝土块体在钢筋屈服前即已开裂,钢筋被拉断或被拔出时,裂缝已充分开展,部分螺旋箍筋配筋率较小,螺距较大的试件混凝土成块剥落,如图5所示。

a—试件C40-d14-31d-6100;b—试件C40-d14-31d-675; c—试件C40-d14-31d-650;d—试件C40-d14-31d-475;e—试件C40-d14-31d-450。图5 混凝土块体开裂形态Fig.5 Cracking forms of concrete blocks

众多学者的研究表明[11-14],横向约束可延迟和限制劈裂裂缝的开展,避免劈裂破坏,从而提高钢筋的黏结性能。锚固钢筋的横向约束主要源自周围包裹的混凝土和横向钢筋。

对于直径为10 mm和12 mm的接头试件,由于钢筋保护层厚度(c)相对较大,即c/db较大,因钢筋锥楔作用产生的劈裂裂缝尚未充分开展时,钢筋即已被拉断,构件混凝土表面损伤较小。而对于钢筋直径为14 mm的接头试件,钢筋拉断或被拔出时,混凝土已充分开裂、膨胀变形,螺旋箍筋的约束作用更加明显。在混凝土强度、钢筋直径、钢筋搭接长度相同的前提下,不同螺旋箍筋构造的试件,其混凝土块体的破坏程度可见明显差异,设置d4@75和d6@100螺旋箍筋试件的混凝土开裂更为严重。总体而言,体积配箍率ρsv越大,混凝土块体裂缝数量越少、宽度越小。ρsv计算式如下：

(1)

式中：Ds为螺旋箍筋外径,10 mm和12 mm的接头试件为55 mm,14 mm的接头试件为60 mm。

同时,通过对比d4@50类试件和d6@100类试件的混凝土块体破坏形态可以发现,尽管d4@50类试件的体积配箍率略小,但其块体破坏更加轻微。这是由于试件破坏时,螺旋箍筋通常难以屈服,而较小的螺距由于可对搭接区段的混凝土提供更加均匀的约束[11-13],因而减轻了混凝土块体的开裂。这也是为何在相同的钢筋直径、混凝土强度、搭接长度的情况下,C40-d14-25d-6100类试件存在钢筋拔出破坏,且抗拉强度均值小于C40-d14-25d-450类试件的原因。因此在体积配箍率相差不大的情况下,采用较小的箍筋直径和螺距可取得更好的约束效果,进而提高钢筋连接接头的结构性能。

2.2 螺旋箍筋约束机理

波纹管预留孔洞钢筋浆锚搭接连接螺旋箍筋的约束力学模型可用图6表示。根据试验结果,试件破坏时浆锚钢筋与波纹管填充灌浆料之间黏结良好,未出现浆锚钢筋拔出破坏。因此,模型中忽略了浆锚钢筋、灌浆料和波纹管三者间的相互变形。在荷载作用下,预埋钢筋与混凝土的相互作用在轴向产生切应力τ1(黏结应力),在径向产生法向应力σ1(劈裂应力)。同理,波纹管与混凝土的相互作用产生切应力τ2和法向应力σ2。在法向应力σ1和σ2的作用下,混凝土出现劈裂膨胀变形,进而使箍筋产生拉应力。根据搭接接头的轴向及径向力学平衡,可得到式(2a)～式(2e)：

a—轴向应力;b—环向应力。图6 力学模型Fig.6 Mechanical model

(2a)

(2b)

τ1db=τ2dc

(2c)

τ1=σ1tanα1

(2d)

τ2=σ2tanα2

(2e)

式中：ll为连接钢筋搭接长度;ftk为混凝土抗拉强度标准值;c为螺旋箍筋的保护层厚度;db为连接钢筋公称直径;sv为螺旋箍筋螺距;dsb为螺旋箍筋公称直径;σs为螺旋箍筋应力。

随着荷载的增大,由于钢筋和波纹管的锥楔作用,混凝土逐渐被挤压成粉末,并密实地嵌固在钢筋和波纹管变形肋的根部,不断地调整斜向挤压力的作用方向,可近似取α1=α2=45°[15]。综合上述算式,可推出钢筋的黏结强度计算式：

(3)

根据式(3)及接头抗拉强度,可计算得到试件破坏时的箍筋应力,详见表3。表中可见,直径10 mm和12 mm的接头试件,螺旋箍筋应力均小于零,表明连接钢筋外围混凝土的抗劈裂能力或约束能力较强,螺旋箍筋并没有充分发挥作用,这一结果与试验现象基本吻合,试件破坏时混凝土块体仅有轻微损伤。

表3 螺旋箍筋应力Table 3 Stresses of spiral stirrups

对于直径14 mm的接头试件,箍筋应力均为拉应力,并且随着体积配箍率的提高,应力逐渐减小。所有试件的箍筋应力值均远小于其屈服强度,因此过大的体积配箍率并不能有效提高钢筋接头的力学性能。同时,对比表中C30和C40试件可见,由于混凝土强度提高,C40试件的钢筋搭接长度较小,但箍筋应力平均提高了54.6%,表明随着钢筋搭接长度的增大,连接钢筋平均黏结强度减小,螺旋箍筋的作用逐渐降低。

2.3 钢筋搭接长度

文献[7]基于试验结果和理论分析,考虑1.25倍的可靠度安全系数,建议约束浆锚搭接连接钢筋的极限搭接长度ll取钢筋的基本锚固长度la[16],即：

ll=la

(4)

根据文中试验结果,对于直径不大于14 mm的钢筋接头试件,当螺旋箍筋采用d4@50,钢筋搭接长度取基本锚固长度时,可确保搭接接头发生钢筋拉断破坏,并具有一定的安全储备,安全系数大于1.1,详见表4。

表4 钢筋搭接长度Table 4 Lap lengths of spliced rebars

3 结束语

1)公称直径14 mm及以下的波纹管成孔约束浆锚搭接连接,螺旋箍筋采用d4@50,钢筋搭接长度不小于基本锚固长度时,可确保接头发生钢筋拉断破坏,安全系数大于1.1。

2)对于波纹管成孔约束浆锚搭接连接,钢筋拔出破坏均为预埋筋被拔出,接头的抗拉强度取决于预埋筋和混凝土间的黏结强度。

3)搭接钢筋直径为10 mm和12 mm时,螺旋箍筋的约束作用不明显。而对于直径14 mm的钢筋搭接接头,螺旋箍筋的体积配箍率越大,螺距越小,螺旋箍筋的约束效果越好,搭接区段混凝土块体的裂缝越少。

4)对于更大直径的钢筋约束浆锚搭接连接的力学性能尚需进一步试验验证。