为保证结构的承载力和刚度, 目前装配整体式钢筋混凝土结构预制构件之间的连接节点大多采用后浇整体式。其特点是预制构件纵筋伸入节点核心区内锚固, 现场浇筑核心区混凝土, 实现等同现浇连接。也有对预制构件之间的纵向钢筋采用机械连接或灌浆套筒连接, 从而减少节点核心区钢筋碰撞问题。

国内外学者对不同形式的装配式混凝土结构的连接节点进行了大量理论和试验研究。R.Park等^[1]对节点核心区现浇预制混凝土框架节点进行了试验研究, 结果表明该类型节点具有较高的承载力、较好的延性。蔡建国等^[2]对法国世构体系的梁柱节点进行了试验研究, 结果表明:为保证节点的刚度和承载力等同现浇, 需在节点两侧预留较大范围的U型槽后浇段, 并通过U型钢筋对叠合梁底部的预应力钢绞线进行间接搭接。试验中, 当加载至2倍梁端屈服位移时, U型钢筋出现滑移。黄远等^[3]对比了梁底纵筋采用直锚、90°弯折锚固、焊接连接等方式与梁底部纵筋贯通核心区试件的抗震性能, 试验结果表明, 装配整体式节点梁端弯曲破坏的承载力与现浇节点基本相同, 梁底部纵筋设置无粘结段可增大梁端塑性铰长度, 提高结构变形能力。文献[4,5,6,7,8,9]分别研究了梁纵筋采用套筒灌浆连接和螺栓锚头锚固连接, 结果表明, 采用上述连接方式的装配式混凝土梁柱节点的抗震性能与现浇节点接近, 对于螺栓锚头锚固节点需采取措施以防止锚头周围局部混凝土破坏。

上述连接方式虽然使得装配式混凝土结构的连接节点在变形和受力性能上基本等同现浇, 但部分连接节点的构造措施却给现场安装施工带来新的困难。例如, 梁纵筋采用90°弯折锚固于核心区会使得节点核心区钢筋密集、现场难以调整, 影响后浇混凝土浇捣密实, 有时甚至连构件都难以安装。而套筒连接方式虽然降低了钢筋锚固的要求, 但对工厂生产的预制构件 (钢筋定位) 精度要求极高, 同时现场需要对每根钢筋进行连接灌浆, 对施工效率有一定影响, 对现场工人的技能要求也较高。

本文在总结和吸收现有各类装配式混凝土节点连接技术的基础上, 提出了一种槽式灌浆连接构造, 将连接区域移至钢筋密集的核心区外, 利用C型钢卡槽内较大空间, 降低现场装配的精度要求;在受力机理上, 利用C型钢卡槽和锚固钢筋对灌浆料的三向围压大幅提高传力砂浆的承载力。通过对该连接的抗拉性能试验, 探讨了该新型节点的受力性能及其在工程应用中的可行性。

本文提出的装配式混凝土槽式灌浆连接是由1对预埋C型钢卡槽、带锚头的连接钢筋以及后灌注的高强砂浆组成。其中, 1对预埋C型钢卡槽分别埋设在2个欲连接的预制构件中, 此处以梁柱连接节点为例。C型钢卡槽分别埋设在预制柱和预制梁中, C型钢卡槽开口相对设置如图1所示。将带锚头的连接钢筋的两端分别卡入梁、柱的C型钢卡槽内, 之后在C型钢卡槽和钢筋锚头之间的空隙中灌入高强砂浆。

现场施工顺序为:先将预制梁、柱安放到预定位置, 然后将带锚头的连接钢筋的两端分别卡入梁、柱的C型钢卡槽内, 接着灌注高强砂浆;砂浆达到一定强度后进行箍筋绑扎, 后浇段支模, 浇筑连接区域的混凝土, 使得梁、柱形成一个整体。需要说明的是, 为了防止浆液外流, 在灌浆前需放置特定的挡板对C型钢卡槽侧面进行封堵, 如图1a所示。

本文提出的槽式灌浆连接利用C型钢卡槽和连接钢筋的锚头之间的高强砂浆作为传力介质传递钢卡槽和连接钢筋之间的内力。作为一个传力装置, 外荷载首先通过梁内纵筋和柱内锚固钢筋将力传递给C型钢卡槽, 钢卡槽通过其C形弯钩构造借助高强砂浆将内力传递给连接钢筋锚头, 钢筋锚头最终将力传给连接钢筋。在上述力流传递过程中, 高强砂浆作为C型钢卡槽和连接钢筋之间的传力介质, 其承载力直接影响整个装置的破坏限值。如果仅按受压材质来分析, 即便是高强砂浆, 其受压承载力 (约45MPa) 也远远低于钢筋的屈服承载力。但由于本节点构造中砂浆是被围合在C型钢卡槽之中, 尤其是C形弯钩和连接钢筋锚头之间直接传力的砂浆区段, 这部分砂浆既受到C型钢卡槽的围合又受到C形弯钩和连接钢筋锚头的压力, 其受力状态为三向受压, 承载力和延性得到大幅提高, 因此将灌注的砂浆作为C型钢卡槽和连接钢筋之间的传力介质在理论上可行, 后续的试验也将证明, 三向受压状态下的砂浆承载力提高幅度非常大, 完全可以保障节点不首先因砂浆被压坏而退出工作。传力砂浆的受力原理如图2所示。

为验证上述节点连接的受拉承载力, 设计并制作了4组连接试件。试件由C型空腔及其上、下2根钢棒组成, 空腔由10mm厚45号钢板围合而成。上部钢棒为φ25钢筋, 露出空腔外长度为200mm, 作为本次拉拔试验的上夹头;下部钢棒为φ20钢筋, 露出空腔外长度为300mm, 作为本次拉拔试验拉力的下夹头。下部钢筋穿入空腔, 其空腔内长度为20mm, 端部用直径50mm螺栓作为锚固端, 如图3所示。下部钢筋及空腔内的灌浆体为本次试验的考察对象。

灌浆料按照JC/T986—2005《水泥基灌浆材料》、JG/T408—2013《钢筋连接用套筒灌浆料》选用, 要求高强灌浆料具有流动度大、早强、快硬、强度高、微膨胀、易配比、能与钢筋形成可靠连接的特点。

灌浆料试块与试件同期自然养护, 试块按GB/T50448—2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》要求, 根据GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》的规定进行制作, 共4组, 每组3个试块。每个试块为尺寸40mm×40mm×160mm棱柱体, 分别养护1d, 3d, 7d, 28d时进行1组抗压、抗折试验。

3组试块的平均抗压强度为45MPa, 平均抗折强度为8MPa。理论上, 当不考虑三向受压效应时试验荷载达到20k N时该连接节点可能会发生破坏。

钢筋试样材质型号和规格同试件下部钢筋, 为HRB400, 直径20mm。试验采取单调加载的方式在拉力试验机上进行。按照GB/T228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》确定加载速率, 对试件上、下两段钢棒同时施加拉力, 直至试件破坏。钢筋试样的拉伸试验采用WEW-600数显万能试验机。钢筋试样经拉伸破断后如图4所示。

钢筋实测的屈服荷载为160k N, 破坏荷载为190k N, 对应屈服强度为509MPa, 抗拉强度为611MPa, 强屈比为1.20, 屈服强度与其强度标准值比为1.27。钢筋的伸长值为60~120mm, 伸长率为28.5%~57%。

试件上部钢棒直径25mm, 材质为45号钢, 锚固的螺栓厚10mm, 钢棒剪切强度为178MPa, 则剪切破坏力为140k N。试验测得其破坏力为120k N。因此, 该试验装置设计的控制荷载为120k N。

本次试验为静载试验。试验在拉力试验机上进行, 采取单调加载方式。按照《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》确定加载速率, 对试件上、下2根钢棒同时施加拉力, 直至试件破坏。从拉力试验机上可实时获取试件的试验数据, 包括试件随时的拉伸长度、拉力。

试件的最终破坏形态如图5所示。可以发现, 4个试件的裂缝分布形态及钢筋破断情况基本一致。试件受拉后, C型钢卡槽底部 (腹板位置) 与砂浆层出现脱离。钢筋锚头与C形弯钩之间的砂浆在z向 (纵向) 受压, 由于横向变形受到限制, 这一区域的砂浆处于三向受压状态, 直至钢筋被拉断, 此时的砂浆仍未出现压溃, 始终保持良好的受力性能。3个试件均为本连接节点区外部连接钢筋被拉断, 极限抗拉承载力120k N, 远大于C型钢卡槽和连接钢筋锚头之间所填灌砂浆的抗压设计值66k N, 验证了本节点利用三向围压构造提高砂浆抗压承载力, 有效保证钢筋拉力传递设想。

试件张拉力与伸长值关系如图6所示。由图可知: (1) 试件的加载曲线在初始段与钢筋拉伸试验重合, 在线刚度上基本一致, 表明所设计的连接构造未出现刚度削弱现象。 (2) 4个试件均为C型钢卡槽外部钢筋受拉断裂, 破坏区域为钢棒与螺栓间剪切破坏导致锚固失效, 而这时C型钢卡槽内的传力砂浆所承受的纵向压力已远远超过砂浆本身的抗压强度45MPa, 达到81MPa高压。 (3) 4个试件的荷载-位移曲线及破坏荷载比较接近, 表明试件具有相当的承载力, 其结构承载能力稳健。

1) 新型连接节点利用C型钢卡槽对灌浆料形成的三向围压大幅提高了砂浆的抗压承载力, 其所承受的纵向压力已远超过砂浆本身的抗压强度45MPa, 达到81MPa高压, 保证了钢筋拉力的传递。

2) 试验中得到的节点极限破坏发生在节点连接区域之外的连接钢筋剪切屈服破坏, 承载力为120k N, 破坏形态符合设计期望。

3) 本文提出的新型连接位于梁柱核心区外的梁端位置, 可有效避免核心区钢筋密集、混凝土浇筑困难等问题。该新型连接不但可应用于框架结构的梁柱节点, 也可应用于框筒结构的梁墙连接节点, 还可将工字钢替代带锚头的钢筋而应用于预制柱或预制墙的竖向连接中。