套筒灌浆连接是装配式混凝土结构中应用较为广泛的钢筋连接形式,钢筋在套筒内的有效锚固长度是影响接头受力性能的一个重要因素,《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》(JGJ 355—2015) ^[1]要求钢筋锚固深度不宜小于插入钢筋公称直径d的8倍。在实际工程中,因灌浆通道不畅、漏浆等原因造成套筒灌浆不饱满,钢筋有效锚固长度达不到设计要求 ^[2],为了解灌浆不饱满对接头连接性能的影响,需要对灌浆不饱满的接头力学性能进行研究。

　　 郑永峰等 ^[3]采用低合金无缝钢管通过冷滚压工艺制作了一种新型灌浆套筒,对接头试件进行拉伸试验及有限元分析,发现锚固长度为6.9～7.5倍钢筋直径时,接头满足《钢筋机械连接技术规程》(JGJ 107—2016) ^[4](简称JGJ 107—2016)的强度要求。郑清林等 ^[5]通过工程调研和模拟试验对影响套筒灌浆接头力学性能的主要因素进行了分类,并分析了其产生的原因:漏浆、钢筋偏心、灌浆料流动性下降、后续施工的扰动和劣质灌浆料等是套筒灌浆缺陷形成的主要原因。陈海彬等 ^[6]试验研究了钢管混凝土柱灌浆套筒试件的轴向抗拉性能,证明了灌浆料强度和锚固长度对极限承载力的影响,并利用回归分析给出了粘接强度与连接长度的近似估算公式。李向民等 ^[7]对不同灌浆饱满度、不同直径钢筋的全灌浆套筒接头进行了单向拉伸试验,结果表明,钢筋与浆料的脱粘长度不超过30%设计埋深(8d)时接头对中单向拉伸强度仍能满足要求。

　　 现有的研究主要针对全灌浆套筒钢筋接头的抗拉强度与灌浆饱满度的关系 ^[7,8,9],本文采用HRB400E和HRB500E两种强度等级钢筋,考虑不同灌浆饱满度和钢筋偏置与否等因素对半灌浆套筒钢筋接头开展试验研究,分析灌浆饱满度对半灌浆套筒钢筋接头的抗拉强度和变形性能的影响,研究结果为灌浆不饱满的钢筋接头力学性能的检测与验收提供参考依据。

　　 考虑不同灌浆饱满度、钢筋偏置与否、不同钢筋级别这3个因素,研究灌浆饱满度对半灌浆套筒钢筋接头的单向拉伸强度和变形性能的影响,试件设计见表1,2,每种类型各制作3个试件。按照GTxYY-zd的形式对各组试件进行命名,其中x表示连接钢筋强度等级,4表示连接HRB400E钢筋,5表示连接HRB500E钢筋;YY表示筋偏置与否,DZ表示钢筋对中,PZ表示钢筋偏置;zd表示钢筋有效锚固长度,如5d表示有效锚固长度为5倍钢筋公称直径。其中,HRB400E钢筋对中试件主要用于研究灌浆饱满度对接头抗拉强度和变形性能的影响;HRB400E钢筋偏置试件主要用于研究灌浆饱满度对钢筋偏置试件力学性能的影响;HRB500E钢筋对中试件主要用于研究接头抗拉强度与灌浆饱满度的关系。

　　 钢筋采用HRB400E和HRB500E两种强度等级钢筋,公称直径均为20mm,钢筋材性试验结果见表3。套筒采用剥肋滚轧直螺纹半灌浆套筒,规格型号为GTJB4 20/20,套筒外形尺寸与内部构造见图1。

　　 采用与套筒相匹配并通过接头型式检验的灌浆料,规格型号为CGMJM-VI,设计强度为85MPa。试验当天进行同批次灌浆料同条件养护标准试块的抗压强度试验,试验结果见表4。

　　 考虑到套筒底部或坐浆层发生漏浆时套筒内脱粘区域分布是自上而下,为了能精确控制灌浆高度,在套筒灌浆孔与出浆孔之间根据试验设计的预设位置钻取直径10mm的圆孔,将搅拌好的灌浆料用手持灌浆枪从灌浆孔注入,当圆孔有灌浆料流出时停止灌浆并封堵灌浆孔,多余灌浆料可从圆孔中流出,最终使浆面保持在设计高度。根据设计的不同有效锚固长度来确定钻孔高度,制作不同灌浆饱满度的接头试件,分两批制作共计51个试件,试件制作情况见图2。

　　 采用微机控制电液伺服万能试验机进行加载,GT4DZ系列试件按照JGJ 107—2016中单向拉伸的加载制度,首先加载至0.6倍钢筋屈服强度标准值,再卸载至零荷载并测量残余变形,再加载至最大拉力,记录最大力和最大力下总伸长量,最终加载至试件破坏;GT4PZ和GT5DZ系列试件采用从零至破坏的一次加载制度。

　　 接头试件拉伸试验测试结果见表5～7。由表5～7可见,随着灌浆饱满度减小,试件破坏形式由钢筋拉断转变为灌浆端钢筋拔出。典型试件的荷载-位移曲线见图3。由图3可见,在弹性阶段和屈服阶段,钢筋拉断和灌浆端钢筋拔出两种破坏形式的荷载-位移曲线基本重合;在强化阶段,灌浆端钢筋拔出破坏试件的最大力及其对应的位移均小于钢筋拉断破坏试件,且发生灌浆端钢筋拔出破坏试件在达到最大力后会有二次锚固平台,其中,GT4DZ-5d-1,GT5DZ-4.5d-2和GT4PZ-5d-3试件二次锚固拉力值分别约为其最大力的70%,65%和78%。各组试件破坏形式见图4。

　　 各接头试件抗拉强度与灌浆饱满度的关系见图5。

　　 由图5可见,随着灌浆饱满度的降低,试件破坏形式由钢筋拉断向灌浆端钢筋拔出转变,当发生钢筋拔出破坏时,接头抗拉强度明显低于钢筋极限抗拉强度。钢筋开始出现灌浆端拔出破坏时的灌浆饱满度是影响接头抗拉强度的临界灌浆饱满度,高于临界饱满度时钢筋强度均能充分发挥。对于GT4DZ系列试件和GT4PZ系列试件,灌浆饱满度减小至62.5%时开始出现灌浆端钢筋拔出破坏;对于GT5DZ系列试件,灌浆饱满度减小至68.75%时开始出现灌浆端钢筋拔出破坏。试验结果与文献[7]的结论基本一致,灌浆饱满度不低于70%时,接头对中单向拉伸强度仍能满足要求。

　　 本次试验采用HRB500E钢筋的目的是为了研究接头抗拉强度与灌浆饱满度的关系。GT5DZ系列试件中发生灌浆端钢筋拔出破坏的试件抗拉强度与灌浆饱满度关系见图6。由图6可见,灌浆端钢筋拔出破坏试件的抗拉强度随灌浆饱满度的减小而降低,具有密切的相关性。对于发生钢筋拉断破坏的灌浆不饱满试件,尽管未出现钢筋拔出破坏,但连接钢筋锚固的富余量随着灌浆饱满度减小而降低,当与其他施工不利因素叠加时,可造成接头性能达不到设计要求。

　　 单向拉伸试验的残余变形是用来表征套筒灌浆连接两端钢筋在卸载后的相对滑移,对于半灌浆套筒钢筋接头包含了螺纹端和灌浆端的残余变形总和。GT4DZ系列试件的变形性能与灌浆饱满度的关系见图7。从试验结果可以看出,当灌浆饱满度不小于87.5%时,GT4DZ系列试件的残余变形基本保持平稳;当灌浆饱满度减小至85%时,试件残余变形迅速增大,并随着灌浆饱满度减小,残余变形进一步增大。

　　 为了研究灌浆端变形性能,在套筒和灌浆端钢筋表面架设引伸计,测量卸载后二者的相对滑移,从表5的试验结果可以看出,套筒与灌浆端钢筋的相对滑移与残余变形具有相似的规律。套筒与灌浆端钢筋的相对滑移占总残余变形的比例见图8。由图8可见,随着灌浆饱满度减小,套筒与灌浆端钢筋的相对滑移占残余变形的比例会有所增大。当螺纹端连接质量保持稳定时,由于灌浆饱满度减小,灌浆料对钢筋的锚固作用减弱,导致了试件残余变形增大,从而降低了半灌浆套筒连接的变形性能。

　　 最大力下总伸长率是指试件在最大力下的伸长量与原长的比值,用来表征试件在极限状态下整体变形能力,试件最大力下总伸长率随灌浆饱满度的变化趋势见图9。当试件发生钢筋拉断破坏时,最大力下总伸长率基本保持在10%以上;当试件开始发生灌浆端钢筋拔出破坏时,最大力下总伸长率大幅降低,且随着灌浆饱满度减小进一步降低。可见,灌浆不饱满将对套筒灌浆连接接头的变形能力造成不利影响。

　　 不同灌浆饱满度下,GT4DZ系列试件与GT4PZ系列试件的抗拉强度和最大力下总伸长率的试验结果见图10,11。对比结果可见,GT4DZ系列试件和GT4PZ系列试件的抗拉强度差异不明显;当灌浆饱满度相同时,GT4PZ试件的最大力下总伸长率平均值小于GT4DZ试件。由此可见,当灌浆饱满度相同时,由于钢筋位置偏移会使试件的变形能力有所下降。

　　 本文对不同灌浆饱满度、钢筋位置以及钢筋强度等级的半灌浆套筒钢筋接头试件进行单向拉伸试验,研究灌浆饱满度对接头抗拉强度和变形性能的影响。对于本次试验所采用的灌浆料及灌浆套筒,试验结论如下:

　　 (1)随着灌浆饱满度的降低,接头破坏形式将由钢筋拉断最终转变为灌浆端钢筋拔出;灌浆饱满度为62.5%时,接头试件开始出现灌浆端钢筋拔出破坏;随着饱满度进一步降低,接头抗拉强度继续呈下降趋势,灌浆端钢筋拔出破坏试件的抗拉强度与灌浆饱满度密切相关。

　　 (2)随着灌浆饱满度的降低,灌浆接头的变形性能先于抗拉强度出现降低,当试件发生钢筋拔出破坏时,接头变形性能开始出现大幅降低。

　　 (3)在弹性阶段和屈服阶段,钢筋拉断和灌浆端钢筋拔出两种破坏形式的荷载-位移曲线基本重合;在强化阶段,灌浆端钢筋拔出破坏试件的最大力及其对应位移均小于钢筋拉断破坏试件,且发生灌浆端钢筋拔出破坏的试件在达到最大力后会有二次锚固现象。

　　 (4)当灌浆饱满度不小于87.5%时,接头的残余变形基本保持平稳;当灌浆饱满度减小至75%时,接头残余变形迅速增大,并随着灌浆饱满度的降低,残余变形进一步增大;套筒与灌浆端钢筋的相对滑移占接头残余变形的比例随着灌浆饱满度的降低有所增大。

　　 (5)当发生钢筋拉断破坏时,接头最大力下总伸长率基本保持在10%以上;当发生灌浆端钢筋拔出破坏时,接头最大力下总伸长率大幅降低,并随着灌浆饱满度的降低,总伸长率进一步降低。

　　 (6)相同灌浆饱满度下,钢筋偏置与否对接头试件抗拉强度的影响不明显;钢筋偏置试件的最大力下总伸长率总体上要小于钢筋对中试件,且偏置试件的变形性能对灌浆饱满度更敏感。