装配式混凝土结构节点半灌浆套筒连接性能试验与分析

夏 落，王金贵

（1.青建国际集团有限公司，山东 青岛 266000；2.青岛地铁海城置业有限公司，山东 青岛 266000）

在现代建筑领域，装配式建筑结构因其高效、可控的优势，成为当今建筑发展的重要方向之一。在预制结构件的现场连接中，半灌浆套筒作为常用的连接方式之一，其连接性能对整体结构的稳定性与安全性至关重要[1]。本研究针对装配式建筑结构中半灌浆套筒的连接问题，提出一种新型的半灌浆套筒结构设计，通过在传统半灌浆套筒结构基础上增加锚固板，并对灌浆料配比进行优化，提高钢筋与灌浆料之间的机械咬合力，进而提升连接性能。最后通过拉伸试验评价新型半灌浆套筒的力学性能。以期通过本研究相关研究和分析，为提升装配式建筑结构的连接质量提供有力支撑，并能进一步推动装配式建筑技术的发展与创新。

1 案例概况

某装配式商业综合体项目，占地面积为5万 m2，总建筑面积为15万 m2。该商业综合体集购物中心、写字楼和酒店等商业功能于一体。为响应节能减排、绿色施工理念，采用装配式建筑结构，注重现代感和独特性，为城市带来新的视觉亮点。项目计划实现80%的装配率，充分利用工厂预制和现场组装的方式，提升施工效率和质量。对于预制结构件的现场连接，设计采用半灌浆套筒的形式。半灌浆套筒是装配式建筑钢筋连接的常用方式，在墙、柱等竖向构件的安装过程中发挥着关键作用，可增强连接部位的整体性。

2 半灌浆套筒设计

半灌浆套筒是特殊加工的套筒，内部灌注特殊灌浆材料，灌浆材料通常快速凝固，收缩性能良好，通过材料之间的粘结和咬合将钢筋和套筒连接起来。在钢筋和灌浆材料的界面上，存在摩擦力、内聚力和机械咬合力，其中机械咬合力起主要作用[2]。半灌浆套筒的施工质量直接影响结构的稳定性。由于其施工位置的复杂性和隐蔽性，使得半灌浆套筒的施工质量较难控制，灌浆套筒被认为是混凝土预制结构中潜在的“薄弱环节”，特别是在对钢筋有高应力要求的区域，要求接头具有较高的强度[3]。

半灌浆套筒的一种失效形式是在钢筋未达到屈服荷载之前，钢筋被拔出。这种形式的破坏没有充分利用灌浆材料的抗压性能和钢筋的抗拉性能。因此，提出一种新的半灌浆套筒设计形式，在套筒内的钢筋段，增加一处锚固板。锚固板与钢筋可靠地焊接在一起，然后进行灌浆套筒的装配。灌浆之后，钢筋与灌浆材料之间的机械咬合力得到极大增强，从而提高半灌浆套筒的力学性能。新型半灌浆套筒的结构如图1所示。

图1 半灌浆套筒结构（d：直径，l：长度）

新型半灌浆套筒的结构中，套筒采用45#中碳结构钢，具有良好的韧性、硬度和抗扭强度，综合力学性能较好。连接的钢筋为工程项目中常用的带肋钢筋，主要规格直径为20 mm和25 mm两种。注浆口和出浆口的距离适当加长，使锚固板充分发挥作用。商业综合体项目中使用的半灌浆套筒共有2种规格，相关参数如表1所示。

表1 半灌浆套筒参数

3 灌浆料配合比

初始流动性，30 min时的流动性，1、3、28 d时的抗压强度是评价灌浆料性能的主要指标[4]。初始流动性和30 min时的流动性决定了施工作业的持续时间。1 d和3 d时的抗压强度反映了灌浆料的凝固特性，影响着施工进度。影响以上灌浆料性能指标的主要因素有胶砂比、硅粉用量百分比、减水剂用量百分比、HCSA膨胀剂用量百分比和粉煤灰用量百分比，并分别编号A、B、C、D、E，以流动性和抗压强度为主要参考指标，通过正交试验来确定灌浆料的最优配合比。A～E每个因素设计4个试验序列，如表2所示。通过分析确定每个因素的影响顺序和最佳序列组合，如表3所示。

表2 正交试验因素各因素序列

表3 灌浆料影响因素排序和最佳序列组合

对于影响因素A，除了1 d抗压强度所确定的最佳序列为A1外，其他性能指标所确定的最佳序列为A3。由影响因素排序可知，胶砂比A排序最靠后，影响最小，因此，对于影响因素A，即胶砂比确定为0.9。

关于影响因素B，所有指标的最佳序列确定为B1，所以，硅粉用量百分比，确定为6%。

影响因素C的最佳序列比较复杂。按照初始流动性、30 min时流动性和3 d时抗压强度3个指标，得出的最优序列为C4；按照1d抗压强度指标，得出的最佳序列为C1；按照28 d抗压强度指标，得出的最佳序列为C3。此外，减水剂用量百分比对初始流动性和3 min流动性的影响很大，其次是其对1d抗压强度的影响，而对3 d抗压强度和28 d抗压强度的影响较小。因此，对于影响因素C，减水剂用量百分比的最佳序列确定为C4，即0.6%。

对于影响因素D，HCSA膨胀剂用量百分比，对各种指标的影响相对较小。根据表3数据，选择序列D3，各个指标得以均衡，灌浆料总体性能较优，因此，HCSA膨胀剂用量百分比最终确定为D3，即8%。

影响因素E的最佳序列也比较复杂。从影响因素的重要性而言，粉煤灰用量百分比，对初始流动性和30 min流动性的影响重要程度排第2位，对3个抗压强度的影响重要程度排第3位。相应的最佳序列分别是E1和E4。与E4相比，选择E1将导致初始流动性和30 min流动性略有降低，但1、3和28 d抗压强度改善明显。因此，最终确定粉煤灰用量百分比的最佳序列为E1，即5%。

4 连接性能试验

4.1 拉伸试验性能

单向拉伸试验可得出半灌浆套筒试样的屈服荷载、极限荷载，并且可以观察出破坏的具体形式。性能良好的半灌浆套筒的单向拉伸试验性能，应该接近钢筋单向拉伸性能[5]。单向拉伸试验设备型号为EW-2000D液压式试验机，最大试验力为2 000 kN。试验过程从零开始施加荷载，控制试验设备的夹头，按照5 N/(mm2·s)的速率逐渐施加荷载，直至试件破坏。试验过程中，当荷载施加达到一定数值时，发出“啪”的声响，钢筋断裂，单向拉伸试验数据如表4所示，得到试件T25-G2-12的时间-荷载曲线如图2所示，试件的破坏形式与钢筋拉伸断裂相似。

表4 单向拉伸试验数据

图2 单向拉伸时间-荷载曲线

由表4数据可知，直径为20 mm钢筋的半灌浆套筒试件，极限抗拉荷载为163.2 kN，极限抗拉强度为519.2 MPa。直径为20 mm的HRB400级钢筋，其抗拉强度标准值为113 kN，试件的极限抗拉荷载是钢筋抗拉强度标准值的1.44倍。根据JGJ107《钢筋机械连接技术规程》，半灌浆套筒试件达到了Ⅰ级接头的标准。同理，直径为25 mm钢筋的半灌浆套筒试件，极限抗拉荷载为227.4 kN，极限抗拉强度为567.5 MPa。试件的极限抗拉荷载是钢筋抗拉强度标准值的1.60倍，同样达到了Ⅰ级接头的标准。

图2所示的半灌浆套筒试件的单向拉伸时间-荷载曲线，与单独拉伸相同直径的钢筋试验类似，曲线分为4个阶段。第1阶段，荷载随时间近似呈指数上升趋势。该阶段为弹性阶段，钢筋有弹性，主要承受拉力，而灌浆料则受挤压，二者共同作用。第2阶段，荷载上升缓慢，内部开始出现细小的裂纹，试件达到屈服强度。第3阶段，荷载变化较小，试件内部的裂纹持续发展，试件处于强化阶段。第4阶段，钢筋从某处颈缩，最终断裂，荷载快速下降。

4.2 半灌浆套筒表面应变

在半灌浆套筒表面贴上了电阻应变片，通过应变片观测荷载与应变的关系。应变片的粘贴位置如图3所示，A1、B1沿着半灌浆套筒试件的轴向粘贴，A2、B2则与轴线垂直粘贴，粘贴位置在半灌浆套筒试件长度的三等分处。

图3 应变片的粘贴位置

以半灌浆套筒试件T22-G2-7为例，得到荷载-应变曲线，如图4所示。

图4 半灌浆套筒试件荷载-应变曲线

由图4可以看出，随着荷载持续增大，半灌浆套筒试件的应变呈现出近似线性增大的趋势。同等情况下，纵向应变明显大于横向应变，符合材料拉伸应变的胡克定律。相同荷载下纵向应变B1比A1大，横向应变A2比B2大。因为在B1、B2应变片的粘贴处，是锚固板的位置，附近区域会产生应力集中。在较小荷载作用下，纵向应变或者横向应变的差异不大。随着荷载逐渐增大，差异逐渐扩大，应力集中现象越明显，表明锚固在提高半灌浆套筒连接性能的同时，带来了应力集中问题，薄弱点就在应力集中点附近。

5 结语

结合某商业综合体项目，研究装配式建筑结构的半灌浆套筒连接性能，得到以下结论：

（1）提出一种带锚固板的新型半灌浆套筒结构，锚固板与钢筋可靠地焊接在一起，然后进行灌浆套筒的装配、灌浆。钢筋与灌浆料间的机械咬合力得到增强，提高半灌浆套筒的连接性能。

（2）通过正交试验确定影响灌浆料性能的关键因素和最优配比，以流动性和抗压强度为参考指标，确定了灌浆料最优配比。

（3）拉伸试验分析表明，半灌浆套筒具有良好的连接性能，达到了Ⅰ级接头标准。半灌浆套筒表面应变测试，展示了荷载增大与应变线性增长的相关性，并通过应力集中现象找到了锚固板附件的薄弱点。