近年来我国装配式混凝土结构得到了较好的推广和发展, 国家以及企业制定了装配式混凝土结构的技术导则和标准, 确定了套筒灌浆连接关键技术的施工方法和连接性能检测方法, 不少学者也进行了相应研究, 但大多是对套筒灌浆连接试件的静力研究^[1,2,3,4], 而规范JGJ355—2015《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》^[5]和JGJ107—2016《钢筋机械连接技术规程》^[6]仅建议了静态加载速率范围;目前尚未发现有研究涉及钢筋套筒灌浆连接构件的动态性能, 而结构在整个生命周期内可能会承受动态荷载如地震、强风、爆炸、冲击等, 而动态荷载对结构的影响不同于静态荷载^[7], 装配式混凝土结构中连接接头的动态性能值得研究, 因此本文设计2种直径钢筋、3种加载速率的半灌浆套筒试件进行接头动态性能试验研究。

依据文献[5,6]设计制作试件。试件及应变片布置如图1所示。

实测灌浆料抗压强度为85MPa, 采用HRB400钢筋, 直径为14, 16mm钢筋实测屈服荷载平均值分别为83.8, 106.4kN, 极限荷载平均值分别为112.2, 142.5kN。试件套筒采用型钢套筒, 对应钢筋直径为14, 16mm的套筒实测长度分别为158, 176mm。

试验在1 000kN MTS试验机上进行 (见图2) , 采用DH5920动态信号采集和分析系统测量应变和位移, 通过计算机记录及保存数据。

选择常用直径14, 16mm钢筋, 共进行18个全套筒灌浆连接试件的动态拉伸试验, 获取加载速率分别为0.6, 6, 60mm/s时试件最大承载力、总伸长率及钢筋和套筒表面应变。

依据文献[6]确定最大力下加载速率为0.6mm/s, 测定残余变形阶段加载速率为1kN/s。为研究加载速率对试验结果的影响, 先按力控制以1kN/s的速率加载至0.6f_ykA_s后卸载至0, 随后分别按位移控制以0.6, 6, 60mm/s的速率加载至破坏。

考虑灌浆料、钢筋、灌浆连接形式不同及环境因素的影响, 套筒灌浆连接接头有6种可能的破坏形式^[1,4,8]:①接头外一端钢筋被拉断, 为正常破坏形式;②接头内钢筋被拉断, 该破坏形态允许发生但要尽量避免;③机械连接处钢筋被拉断, 这是由于机械连接处钢筋被削弱并且机械连接质量不好;④钢筋从灌浆端拔出破坏, 这是由于灌浆料不符合要求、灌浆量不足或钢筋伸入套筒内长度过短;⑤套筒滑丝破坏, 这是由于半灌浆套筒中机械连接端不符合要求;⑥套筒断裂破坏, 这是由于套筒材料或尺寸不符合要求。综上所述, ③～⑥都是在工程中不应发生的破坏。

本试验中仅1个试件发生了套筒滑丝破坏, 3个试件的钢筋在机械连接处断裂, 其余试件均为钢筋在测量段中部拉断。

大部分试件在钢筋屈服和颈缩阶段出现砂浆碎裂现象, 并且由于钢筋被拉断的瞬间振动造成锥形砂浆块剥落。当钢筋极限强度对应承载力最低时发生图3a所示破坏, 当套筒螺纹对应的强度最低时发生图3b所示破坏, 由于螺纹处钢筋截面被削弱, 钢筋破坏有可能发生在螺纹处。

试验结果如表1所示。表1中, 编号B表示半灌浆, 其后数字代表钢筋直径。对于B14-DⅡ组, 有1个试件发生套筒滑丝破坏, 取另外2个试件结果进行计算。

由表1可知, 最大力下总伸长率A_sgt均>6%, 符合文献[6]中钢筋直径d≤32mm时A_sgt≥6%的规定。

不同加载速率下的试件位移与承载力关系曲线如图4所示。由图4可知, 不同钢筋直径在不同加载速率下的曲线图无论数值大小还是形状都类似, 整个加载至破坏过程经历4个阶段, 即加载初期的线性阶段、屈服阶段、颈缩阶段、破坏阶段, 这与钢筋的破坏过程相似。从图4可以看出, 随着钢筋直径的增大, 试件最大承载力显著提高, 试件在破坏前钢筋均已达到屈服, 满足规范JGJ107—2016 Ⅰ级接头的要求。

由表1可知, B14-DⅠ, B14-DⅡ, B14-DⅢ的屈服荷载平均值分别为85.2, 79.7, 90.2kN, 最大荷载为107.2, 100.9, 106.9kN。在速率为0.6, 6, 60mm/s时, 随着加载速率的提高, 屈服荷载和最大荷载变化在10%以内, 没有明显的上升或下降。直径为14mm的钢筋极限荷载平均值为112.2kN, 该值高于3种加载速率下的半灌浆套筒试件承载力。

B16-DⅠ, B16-DⅡ, B16-DⅢ的屈服荷载平均值分别为109.6, 107.6, 115.4kN, 最大荷载为144.7, 143.0, 145.7kN;几种加载速率下的屈服荷载和最大荷载差别非常小。直径为16mm的钢筋最大荷载平均值为142.5kN, 该值略低于3种加载速率下的半灌浆套筒试件承载力。由此可见:①加载速率对不同钢筋直径的半灌浆套筒试件承载力的影响不同;②加载速率对半灌浆套筒试件的承载力影响有限, 这可能是由于机械连接端螺纹与钢筋之间的咬合作用在承载力较大时变弱, 这一部分力消耗了部分动态荷载产生的能量。

为得到加载过程中试件应变变化规律, 在套筒环向、径向以及钢筋上分别布置应变片, 通过动态应变仪DH5920测得应变, 2种直径中各选取1个试件为代表绘出不同钢筋直径的半灌浆套筒试件荷载-应变关系曲线如图5所示。

由图5可知:①2种直径试件的荷载-应变关系曲线类似, 在加载初期钢筋的荷载-应变曲线呈线性变化, 钢筋屈服后随着荷载的增加钢筋应变快速增大, 大直至极限应变, 随之钢筋断裂。②试件破坏时钢筋均达到屈服状态, 套筒未屈服, 套筒应变随荷载增加呈线性变化, 套筒环向应变低于径向应变, 且与钢筋应变相比非常小, 说明试件破坏时的荷载远小于试验所用型钢套筒的承载力, 满足规范JG/T398—2012《钢筋连接用灌浆套筒》^[9]的套筒质量要求。

通过18个半灌浆套筒试件动态拉伸试验可以得到以下结论。

1) 个别试件发生套筒滑丝破坏, 施工中可以通过增加螺纹段长度来避免。

2) 半灌浆套筒试件在钢筋屈服和颈缩阶段出现砂浆碎裂现象, 并且钢筋被拉断的瞬间振动造成锥形砂浆块剥落。

3) 由于机械连接端螺纹与钢筋之间的咬合作用消耗了部分动态荷载产生的能量, 因此加载速率对半灌浆套筒试件的承载力影响有限。进行装配式结构设计时, 可不考虑动态荷载对钢筋连接接头性能的影响。

4) 试件破坏时钢筋均达到屈服状态, 套筒未屈服, 满足规范规定的强度要求。