钢制灌浆套筒连接性能试验研究

吴 涛，成 然，刘全威

(长安大学 建筑工程学院，陕西 西安 710061)

套筒灌浆连接是预制装配式混凝土结构纵向受力钢筋有效且可靠的钢筋连接方式，研究和改进套筒灌浆连接方式对预制装配式结构的发展有着重要意义，国内外学者对灌浆套筒的设计和应用已有了大量研究.20世纪60年代末，余占疏[1]首次提出了NMB套筒，后传入日本等地并得到了广泛的应用.Einea、Alias、Ling[2-4]等设计制作了不同内壁构造和不同型号尺寸的套筒灌浆连接件并通过试验对其可行性进行了研究.Henin[5]设计了一种采用无缝钢管制作，管壁内表面布有螺纹的灌浆套筒，并通过单向拉伸试验和数值模拟对套筒灌浆连接件的承载力进行了研究.Hosseini、Moosavi[6-7]等对内部设置剪力键的套筒灌浆连接件进行了研究并给出了最小剪力键设置间距.郑永峰[8]提出了一种采用低合金高强无缝钢管通过滚压工艺冷加工而成的新型变形灌浆套筒，并通过单向拉伸和反复拉压试验对其力学性能进行了研究.目前，国内的多家单位也致力于灌浆套筒的设计和研发工作，但所生产的钢制套筒尺寸普遍较大且笨重，造成套筒成本过高，施工不便等问题.

本文在前期试验研究和理论分析的基础上，设计制作了一组小型化灌浆套筒，完成了小型化套筒灌浆连接件的拉拔试验，研究了不同钢筋锚固长度试件的破坏过程、破坏形态、荷载-位移曲线等，并基于Mises屈服准则，对筒壁应力的实测值与计算值进行了对比分析.

1 套筒灌浆连接件受力机理

套筒灌浆连接件由钢制或铸铁套筒、灌浆料以及连接钢筋三部分组成.国内外已有很多种套筒灌浆接头，且形式多种多样，总体上可分为全灌浆套筒接头和半灌浆套筒接头两大类[9]，本文重点研究半灌浆套筒接头的力学性能，图1(a)为套筒灌浆连接件构造.

套筒灌浆连接件主要依靠材料之间的粘结作用来实现钢筋之间力的传递.钢筋与灌浆料之间的粘结作用由钢筋与灌浆料之间的化学胶结力f1、钢筋与灌浆料表面摩阻力f2和钢筋表面变形肋与灌浆料之间的机械咬合力f3三部分组成，灌浆料和套筒之间的粘结作用也主要由这三部分组成，其中机械咬合力主要由筒壁内侧的剪力键提供.

同时，在轴向力F作用下，由于钢筋的锥楔作用，钢筋会产生法向力q，对灌浆料产生径向压力，灌浆料中的压力通过接触界面传递给套筒，套筒和套筒外的混凝土为灌浆料提供有效的侧向约束力fn1和fn2，可以有效增强材料接触面的黏结锚固作用，确保接头的传力能力[2]，套筒灌浆连接件的受力机理如图1(b)所示.

图1 套筒灌浆连接件示意图Fig.1 Schematic diagram of grouted sleeve splice

2 小型化灌浆套筒设计

2.1 锚固长度

根据对套筒灌浆连接件受力机理分析，以钢筋受拉屈服为界限设计钢筋在套筒内的锚固长度，并参考文献[5]，给出套筒灌浆连接件中钢筋的锚固长度计算式：

(1)

式中：Fy为钢筋的屈服拉力；d为钢筋直径；fcu为灌浆料的抗压强度；设计时取为80 MPa.

根据式(1)可计算出不同直径钢筋在套筒灌浆连接件内的锚固长度.

2.2 筒壁厚度

基于之前已完成的12个套筒灌浆连接件拉拔试验，运用厚壁圆筒理论，建立了灌浆套筒筒壁的力学模型如图2所示，并给出钢制套筒筒壁应力的计算模型[10]：

(2)

图2 灌浆套筒筒壁力学模型Fig.2 Mechanical model of grouted sleeve wall

设计当钢筋达到极限强度fu=540 N/mm2时，确定不同直径套筒的内径、外径及筒壁壁厚，如表1所示，根据式(2)计算得筒壁的三向应力σz、σr、σθ.根据文献[11]和[12]的试验和经验，计算中取钢筋肋与灌浆料接触面的夹角β为30°，钢筋肋与灌浆料接触面的摩擦系数μ为0.4，泊松比v为0.3.

Mises屈服准则是在Tresca屈服准则的基础上发展演变而来，考虑了中间主应力的影响，在工程研究领域得到了广泛的应用.其表达式为

(3)

式中：σ1、σ2、σ3分别为第一、第二和第三主应力；σs为材料的单向拉伸屈服极限.

设σ1>σ2>σ3，当试件受轴向荷载时，筒壁的三向主应力满足σ1=σz，σ2=σr,σ3=σθ,将σ1、σ2、σ3带入式(3)可得出基于Mises屈服准则下的筒壁应力，并与Mises屈服准则下的允许应力400 MPa进行比较，如表1所示.

表1 套筒尺寸选取及基于Mises屈服准则的筒壁应力Tab.1 Selection of sleeve size and sleeve wall stress based on Mises yield criterion

2.3 剪力键数量

为了方便套筒生产，剪力键厚度ts均取为3 mm，剪力键沿套筒纵向的长度均取为5 mm.套筒内壁与灌浆料之间的粘结作用由灌浆料与套筒之间粘结力以及由剪力键产生的机械咬合力两部分组成，可建立剪力键数量的计算式：

(4)

(5)

套筒内剪力键数量n均取为3个，并根据式(4)和(5)验算套筒内剪力键的设置是否合理.例如选取插入钢筋直径为20 mm的套筒，计算出的剪力键处灌浆料的应力为79.55 MPa，小于灌浆料80 MPa的允许应力，其余型号套筒的验算也都符合要求.

2.4 套筒参数

根据以上灌浆套筒设计参数，每种型号套筒选择一组进行具体参数的设计，如图3所示为小型化套筒具体尺寸，表2所示为套筒详细参数.其中，锚固钢筋端部距螺纹端部距离预留15 mm，满足《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》(JGJ 355-2015)[14]对安装中钢筋外露长度误差+15 mm的要求.表3为新型设计小型化套筒尺寸参数与已有套筒尺寸参数对比.

考虑到出浆孔位于基本锚固长度la截面处，会造成该处套筒截面削弱，且当钢筋达到极限强度时该截面处筒壁应力最大，因此在设计时对该截面的筒壁壁厚适当增加.

图3 套筒尺寸详图Fig.3 Detailed size of grouted sleeve

表2 套筒详细参数Tab.2 Detailed parameters of grouted sleeve

注：D表示套筒外径，d1表示套筒端口内径，L表示套筒总长，l1、l2、l3表示剪力键之间净距，M表示螺纹型号，t表示套筒壁厚，ts表示剪力键厚度.

表3 新型设计小型化套筒与已有套筒尺寸对比Tab.3 Comparison of miniaturized grouted sleeve with existing grouted sleeve

3 试验概况

3.1 试件设计

委托湖南恒邦钢筋连接技术有限公司加工制作小型化套筒，选取钢筋直径为12、16、20和25 mm的小型化灌浆套筒，设计了9组套筒灌浆连接试件，其中6组试件的锚固长度为1.0la，包括一组套筒壁厚为1 mm的试件和一组无剪力键的试件，在编号时分别以字母T和N表示，另外3组试件的锚固长度为0.6la.

为了量测筒壁的纵、横向应变，在每个套筒上张贴一组纵向和横向应变片，图4(a)为套筒筒壁应变片示意图，图4(b)为套筒筒壁应变片布置实物图.

图4 套筒灌浆连接件应变片布置图Fig.4 Strain gauge arrangement of the grouted sleeve splice

3.2 试件材性

灌浆料采用中德新亚生产的套筒专用高强无收缩灌浆料，在给试件灌浆时，留取一组共3个灌浆料试块(40 mm×40 mm×160 mm)与套筒试件一起养护，待28 d在材料实验室微机控制YA-300级全自动压力试验机上测其抗压强度，测得灌浆料的平均抗压强度为84.33 MPa.

钢筋强度等级均为HRB400，选取直径12 mm、16 mm、20 mm和25 mm的钢筋各3根，取长度为450 mm，在万能试验机上测量钢筋的屈服拉力和极限拉力，另外每组选择一根钢筋，在中部两面各贴一枚应变片测量屈服前钢筋表面的应变，钢筋力学性能如表4所示.

表4 钢筋力学性能Tab.4 Mechanical properties of steel bars

3.3 加载制度

套筒灌浆连接件加载试验在长安大学结构与抗震实验室100 t万能试验机上进行，采用由荷载控制的单向加载，加载速率为0.3 kN/s，直至套筒灌浆连接件的钢筋拉断或者滑移破坏.采用DH3820动态数据采集仪，实时采集套筒筒壁上纵向和横向应变片的数据.

4 试验结果及分析

表5为试验测得套筒灌浆连接件的屈服拉力、极限拉力、连接钢筋抗拉强度和试件的最终破坏形态，其中屈服拉力根据试验机所得数值确定，图5为部分套筒灌浆连接件破坏形态.9组共31个试件的灌浆套筒试验后均整体完好，未发生套筒断裂.其中，锚固长度为1.0la的19个试件除S16-1.0N-2钢筋滑丝外，其余试件均为接头外钢筋拉断破坏，抗拉强度均大于连接钢筋抗拉强度标准值540 MPa，满足《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》(JGJ 355-2015)[14]中关于套筒灌浆接头抗拉强度的要求；锚固长度为0.6la的12个试件除S16-0.6-3钢筋拉断外，其余试件均为钢筋拔出破坏，极限拉力接近钢筋的极限拉力.

图5 试件破坏形态Fig.5 Typical failure modes of specimens

表5 试验结果与破坏形态Tab.5 Experimental results and failure modes

续表5

试件编号屈服拉力/kN极限拉力/kN连接钢筋抗拉强度/MPa破坏形式S16-1.0N-385.26115.44574.45RS16-1.0N-482.67104.35564.18RS16-0.6-189.11116.26/PS16-0.6-285.79112.59/PS16-0.6-389.27120.43599.27 RS16-0.6-480.99104.58/PS20-0.6-1142.27173.20/PS20-0.6-2138.31176.17/PS20-0.6-3136.92179.28/PS20-0.6-4144.45168.35/PS25-0.6-1212.14284.65/PS25-0.6-2212.08283.44/PS25-0.6-3214.92279.99/PS25-0.6-4228.07251.83/P

注：S12-1.0-1中，12表示钢筋直径，1.0表示锚固长度为1.0la，1表示试件编号，R表示钢筋拉断破坏，P表示钢筋拔出破坏，S表示钢筋滑丝.

4.1 荷载-位移曲线

图6为典型试件的荷载-位移曲线，其中横坐标为万能试验机夹具之间的相对位移，纵坐标为万能试验机采集对应位移下的荷载.以S20-1.0试件为例，钢筋拉断破坏套筒灌浆连接件的荷载-位移曲线与钢筋材性试件的荷载-位移曲线相似，都经历了弹性、屈服、强化和颈缩四个阶段，但由于套筒内部灌浆料的影响，套筒灌浆连接件屈服阶段的荷载-位移曲线有比较明显的波动，屈服过程较钢筋材性试件要长.

当锚固长度为0.6la时，以S20-0.6试件为例，钢筋拔出破坏套筒灌浆连接件的荷载-位移曲线与钢筋材性试件的荷载-位移曲线的弹性和屈服阶段相似，进入强化阶段后，由于钢筋与灌浆料间的黏结强度小于其抗拉强度，随着钢筋与灌浆料之间的咬合齿被剪断[15]，钢筋被缓慢拔出.由于套筒的约束作用，钢筋拔出破坏仍表现出一定的延性，钢筋在拔出过程中荷载-位移曲线比较平稳，3组试件的残余承载力基本保持在极限承载力的1/2左右.

图6 试件荷载-位移曲线Fig.6 Load-displacement curves of specimens

4.2 筒壁应力实测值与计算值对比

在每组试件中随机选取一个试件，分析筒壁在弹性阶段的应力，并与实测值进行对比.筒壁应力计算值可由式(2)求得，套筒的弹性模量取为2.05×105MPa.筒壁应力实测值通过筒壁的应变片测得，在试验过程中无法测量套筒的径向应力σr，根据弹性力学知识，在筒壁外表面径向应力可近似取为零.将筒壁三向应力的实测值和计算值分别带入式(3)，得出基于Mises屈服条件下的筒壁应力，如表6所示，其中S16-1.0-3试件未得到实测值.

表6 Mises筒壁应力实测值与计算值对比Tab.6 Comparison between measured and calculated values of Mises sleeve wall stress

4.2.1 锚固长度为1.0la的试件

图7(a)～(e)分别为锚固长度1.0la的试件在轴向荷载F作用下，基于Mises屈服准则的套筒筒壁应力实测值与计算值的对比图.S12-1.0-3试件在加载初期实测值与计算值基本吻合，随着荷载增加，实测值与计算值差值变大，但整体吻合较好.S20-1.0-1和S25-1.0-3试件在钢筋屈服前实测值与计算值吻合较好，钢筋屈服后，筒壁应力出现较大波动.S16-1.0T-1试件的实测值与计算值整体吻合较好，随着荷载增加，实测值与计算值差值逐渐变大.S16-1.0N-1试件在钢筋屈服前，实测值与计算值基本吻合，钢筋屈服后，实测值与计算值差值逐渐变大.由于此组试件套筒内没有设置剪力键，与计算模型最为相近，因此此组试件的实测值与计算值较其他试件最为吻合.

4.2.2 锚固长度为0.6la的试件

图7(f)～(h)分别为锚固长度为0.6la的试件在轴向荷载F作用下，基于Mises屈服准则套筒筒壁应力实测值与计算值之间的对比图.筒壁的应力状态与锚固长度为1.0la的试件有所差异，加载中后期由于钢筋与灌浆料之间产生较大滑移，导致筒壁应力不再随轴向荷载线性增长，最后甚至出现缩小趋势.

图7 Mises筒壁应力实测值与计算值对比图Fig.7 Comparison between measured and calculated values of Mises sleeve wall stress

4.2.3 误差分析

通过以上8组试件的对比发现，实测值与计算值以及当钢筋达到极限荷载时实测值与原始设计值之间存在一定的偏差，造成偏差的主要原因有：

(1)在筒壁应力计算时，没有考虑套筒剪力键对筒壁应力的影响.

(2)钢筋锚固长度较短的试件，在加载中后期钢筋与灌浆料之间产生较大滑移.

(3)套筒制作时在基本锚固长度la处考虑到出浆孔对截面的削弱，适当增加了筒壁壁厚，导致设计值与最后实测值存在偏差.

5 结论

(1) 锚固长度为1.0la的套筒灌浆连接件除一个试件滑丝外，其余18个试件均为接头外钢筋拉断破坏，且抗拉强度均大于连接钢筋的抗拉强度标准值，满足《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》(JGJ355-2015)关于套筒灌浆接头抗拉强度的要求.

(2) 锚固长度为0.6la的套筒灌浆连接件除一个试件拉断外，其余11个试件均为钢筋拔出破坏，且试件的残余承载力基本保持在极限承载力的1/2左右.

(3) 基于Mises屈服准则的套筒筒壁应力的计算值与实测值吻合较好，所建立的筒壁应力计算式可以为灌浆套筒设计提供参考.