随着我国建筑工业化进程的推进, 越来越多的混凝土结构采用预制装配式建造方式, 预制装配式建筑具有工业化程度高、低消耗、低排放等优点。在装配式混凝土结构中, 通常采用钢筋套筒灌浆接头连接相邻预制构件的钢筋^[1]。钢筋套筒灌浆接头总体上可分为全灌浆接头和半灌浆接头, 全灌浆接头两端均采用灌浆方式连接钢筋;半灌浆接头在预制端采用直螺纹方式连接钢筋, 在现场装配端采用灌浆方式连接钢筋。目前, 装配式混凝土结构特别是装配式混凝土桥梁工程主要采用钢筋套筒灌浆接头连接预制承台与预制墩柱、相邻预制墩柱节段、预制墩柱与预制盖梁的钢筋^[2], 且通常采用全灌浆接头。目前国内既有36, 40钢筋套筒灌浆接头仅适用于400MPa级及以下等级钢筋, 且主要采用铸造工艺生产, 不仅尺寸庞大、生产成本高、不利于运输及安装, 且不利于环保。

综上所述, 研发500MPa级36, 40钢筋套筒全灌浆接头, 以弥补钢筋套筒灌浆连接领域技术缺口, 推动500MPa级大直径钢筋在装配式混凝土结构工程中的应用, 同时优化灌浆套筒生产工艺及尺寸构造, 以降低生产成本、提高生产效率及接头性能。

钢筋套筒灌浆接头试件受拉破坏形式主要包括灌浆套筒断裂、灌浆料拔出、灌浆料劈裂破坏、钢筋拔出及接头外钢筋拉断^[3]。JGJ 355—2015《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》^[4]中3.2.2条规定:“钢筋套筒灌浆连接接头的抗拉强度不应小于连接钢筋抗拉强度标准值, 且破坏时应断于接头外钢筋”。因此, 合格的钢筋套筒灌浆接头应保证断于接头外钢筋, 并防止发生其他形式的破坏。为防止灌浆套筒发生断裂, 可设计足够的灌浆套筒截面尺寸;为防止灌浆料拔出, 可在灌浆套筒内壁设置合理的剪力槽构造, 并提高灌浆料强度;为防止灌浆料劈裂破坏, 可提高灌浆料强度。但由于500MPa级36, 40钢筋抗拉强度及受拉极限荷载较高, 且钢筋表面纵、横肋相对于钢筋内径尺寸小, 钢筋与灌浆料咬合程度较低, 钢筋套筒灌浆接头极易出现钢筋拔出的情况。因此, 如何采取适当的技术措施防止钢筋套筒灌浆接头出现钢筋拔出破坏是研发工作的关键。

为防止钢筋发生拔出破坏, 可从灌浆套筒、灌浆料及钢筋3方面采取措施。考虑施工现场对钢筋进行额外加工将导致施工工序的增加, 降低施工效率, 所以不对钢筋进行额外加工, 仅从灌浆套筒及灌浆料2方面进行研发。

采用CABR高强灌浆料^[5], 性能参数如表1所示。该灌浆料具有流动性好、强度高、强度增长快、与钢筋黏结紧密等特点, 可有效防止钢筋套筒灌浆接头发生钢筋拔出或灌浆料劈裂破坏现象。

全灌浆套筒产品设计主要对套筒原材料、套筒截面尺寸、钢筋锚固长度、剪力槽数量及形式、预制端钢筋定位构造、套筒加工工艺6方面进行设计与优化, 总体上遵循有利于提高接头性能、便于现场施工、提高生产效率、降低生产成本、节能环保的原则, 同时确保灌浆套筒各项参数满足JG/T 398—2012《钢筋连接用灌浆套筒》^[6]的相关要求。

本设计中灌浆套筒采用45号钢精轧无缝钢管, 该材料属于优质碳素结构钢, 具有较高的强度和较好的加工性, 经适当热处理后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性, 且材料来源方便, 是加工灌浆套筒的理想原材料。

套筒截面尺寸设计时应保证套筒最不利截面的抗拉承载力大于该截面所受的最大拉力, 并留有一定安全储备。本设计中灌浆套筒截面面积沿套筒轴向保持不变, 套筒中央区域受拉力最大。因此, 套筒中央区域截面为最不利截面, 该截面所受最大拉力为套筒内钢筋抗拉承载力。此外, 灌浆套筒内壁和套筒内钢筋间应留有足够的间隙, 以保证灌浆套筒与钢筋间填充足够的灌浆料, 同时可吸收灌浆套筒与钢筋间的装配位置偏差。500MPa级大直径全灌浆套筒结构如图1所示。灌浆套筒与套筒内钢筋承载力、尺寸如表2所示。

《钢筋连接用灌浆套筒》中5.1条规定灌浆套筒灌浆连接端长度不宜小于8倍钢筋直径, 且36, 40mm灌浆套筒剪力槽数量≥5。考虑500MPa级钢筋抗拉承载力较高, 取钢筋锚固长度约为10倍钢筋直径, 并设置5个剪力槽。此外, 为方便加工、减小挤压区的应力集中, 灌浆套筒挤压凸台由连续环状优化为间断式一字形, 每个挤压横截面均匀分布4个一字形凸台。

对于全灌浆套筒预制端钢筋定位构造, 拟在套筒预制端口某一截面及第2个剪力槽范围内某一截面分别设置3, 4个定位螺杆, 通过2个截面定位螺杆对钢筋两点的固定实现钢筋在灌浆套筒内居中定位, 并使钢筋轴线与灌浆套筒轴线重合, 该定位构造不仅安装方便, 钢筋定位牢固、居中性好, 且加工简便、节约产品生产成本。

本设计中全灌浆套筒采用挤压加工工艺, 即采用精轧无缝钢管为原料, 通过对钢管外壁向内进行径向挤压使钢管内壁形成若干凸台, 从而在轴向相邻凸台间形成剪力槽。由于灌浆套筒内壁凸台是通过挤压工艺形成的, 其轮廓较为平滑。在套筒纵剖面形成若干锥状斜坡, 该锥状斜坡在灌浆接头受拉时对灌浆料产生挤压力, 可增大灌浆料与钢筋间机械咬合力及摩擦力, 从而有效防止钢筋从灌浆料中拔出。因此, 采用挤压加工工艺的灌浆套筒不仅生产效率高、成本低, 且受力更合理, 可有效提高钢筋套筒灌浆接头力学性能。

由于全灌浆套筒在套筒中央及套筒预制端若干位置设有用于安装螺杆的螺纹孔, 在灌浆接头受拉时, 螺纹孔区域将出现较大的应力集中, 导致螺纹孔处套筒横截面承载力有所下降。此外, 挤压加工后灌浆套筒挤压区应力分布有所改变。因此, 为保证套筒各横截面承载力均满足要求, 利用ANSYS软件建立500MPa级40全灌浆套筒有限元模型, 模拟灌浆套筒实际受力状态, 分析灌浆套筒在荷载作用下的应力分布。

由应力云图可知, 灌浆套筒在极限荷载作用下的最大拉应力为350MPa, 小于灌浆套筒材料抗拉强度标准值 (600MPa) 。由于螺纹孔尺寸较小, 应力集中仅分布于螺纹孔附近的较小区域, 螺纹孔设置尚未对整个横截面应力分布造成实质性的影响。灌浆套筒挤压区应力集中范围及应力值均较小, 挤压加工对灌浆套筒整体应力分布未造成实质性的影响。综上所述, 灌浆套筒各横截面承载力均满足受力要求。

为检验钢筋套筒灌浆接头力学性能, 制作500MPa级40全灌浆接头试件进行单向拉伸试验。采用500MPa级40热轧带肋钢筋、全灌浆套筒及CABR高强灌浆料制作3组接头试件, 并同步制作1组3块40mm×40mm×160mm灌浆料试件, 其中灌浆料拌合物水胶比取0.12, 钢筋及灌浆接头尺寸如表3所示, 试件制作完成后在标准条件下进行养护。

全灌浆接头试件及灌浆料试件在标准养护28d后分别进行接头单向拉伸试验及灌浆料抗压强度试验, 试验设备采用压力试验机。3块灌浆料试件抗压强度实测值平均值为133.32MPa, 灌浆接头试件试验结果如表4所示。

由表4可知, 3组全灌浆接头试件抗拉强度实测值均大于被连接钢筋抗拉强度标准值, 且接头破坏形式均为套筒外钢筋颈缩。因此, 本设计中500MPa级40钢筋套筒灌浆接头单向拉伸性能符合《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》的规定。

基于钢筋套筒灌浆连接技术相关原理, 结合实际工程经验, 研发500MPa级36, 40钢筋套筒灌浆接头, 并进行灌浆接头试件单向拉伸试验, 得出以下结论。

1) 本设计中钢筋套筒全灌浆接头包括500MPa级热轧带肋钢筋、全灌浆套筒及CABR高强灌浆料, 其中500MPa级40钢筋套筒灌浆接头单向拉伸性能经验证符合《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》的规定, 填补了500MPa级大直径钢筋套筒灌浆接头的技术缺口, 可应用于装配式混凝土结构工程中。

2) 本设计中全灌浆套筒以热轧无缝钢管为原材料, 采用挤压工艺加工而成, 套筒受力更合理、生产效率更高、生产成本更低, 且节能环保。

3) 首次提出在全灌浆套筒预制端采用定位螺杆定位钢筋, 不仅加工简便、钢筋居中性好, 且受扰动不易发生移位。