半灌浆套筒一端通过螺纹进行机械连接,另一端通过在套筒内填充高强水泥基灌浆料,利用套筒的约束作用实现钢筋在套筒内的有效连接。提高约束的方式有多种:一种是在套筒中间放置焊有钢筋的螺旋筋作为抗剪键,同时对钢筋进行约束,然后将两端钢筋插入螺旋筋内进行灌浆连接 ^[1,2,3]; 另一种是在钢管内壁两端焊接一定长度的钢筋作为抗剪键,并将螺旋筋与其焊接,通过在套筒内填充灌浆料将两端钢筋连接在一起 ^[4,5]。两种形式螺旋筋约束套筒都是通过在套筒内设置螺旋筋,提供螺旋约束,增强钢筋与灌浆料间的粘结性能 ^{[1,2,3,4,5,6]}。研究表明减小螺旋筋间距可提高钢筋与灌浆料间粘结性能 ^[1,5],减小螺旋直径可以提供更好的约束作用,增强钢筋与灌浆料间的握裹作用,提供较高的粘结强度 ^[1,2,3,4]。螺旋筋可有效抑制灌浆料裂缝发展,钢筋作为抗剪键可减小钢筋在灌浆料中的滑移,增强套筒对灌浆料和钢筋的环向约束,提高套筒灌浆连接强度。混凝土中钢筋连接位置使用螺旋筋提供约束,可提高连接部位强度 ^[7,8,9,10],有效抑制钢筋周围混凝土裂缝分裂扩展。在套筒内设置螺旋筋是常见的一种方式,还有多种设置约束的方式,如在嵌入钢筋周围区域设置矩形空心钢管、铝管、纤维增强聚合物等。

　　 虽然在套筒约束作用下可增强灌浆接头整体的连接性能,但其连接性能受多种因素影响,如灌浆缺陷、高温 ^[11,12]。在浇筑混凝土现场,连接钢筋表面常常会溅有混凝土、砂浆、水泥浆等,对钢筋表面形成涂层“污染”,若清理不干净则会影响钢筋与灌浆料间的粘结,可能导致接头连接强度降低,从而威胁结构整体安全。然而,对此尚未发现进行定量研究其影响程度的文献资料,为此,文中以水泥浆涂层比率、钢筋直径为试验参数,研究该施工缺陷对钢筋连接性能的影响。

　　 选取两种规格的钢制半灌浆套筒分别与直径12,20mm钢筋连接,两种试件钢筋嵌入长度均为8倍钢筋直径。图1所示钢筋表面水泥浆涂层比率为50%和100%,对应的钢筋表面水泥浆涂层长度分别为4倍和8倍钢筋直径。以钢筋表面没有水泥浆涂层的试件为参照,研究两种水泥浆涂层比率与钢筋直径对灌浆接头连接性能的影响。试验中共设计制作了18个试件,每种试件的构造及尺寸信息见图2和表1,其中试件编号共由3部分组成,第一部分表示水泥浆涂层比率,其中SPZ表示没有水泥浆涂层,SP50,SP100分别表示钢筋表面水泥浆涂层长度为其嵌入长度的50%和100%; D12和D20分别表示钢筋直径为12mm和20mm; 1,2,3表示每组三个试件中的顺序号。

　　 在试件进行拉伸试验前,进行与试件同条件养护试块的材性试验,试块规格为40mm×40mm×160mm,测得灌浆料的抗折与抗压强度分别为14.45MPa和98.98MPa。试验中钢筋强度等级均为HRB400,屈服强度标准值f_yk=400MPa,极限抗拉强度标准值f_stk=540MPa。钢筋和套筒的各项力学参数指标均列于表2。

　　 如图3所示,在500kN作动器上对试件进行拉伸试验,控制加载速率为5mm/min,加载制度为0→0.6f_yk→0(此时测量残余变形)→P_u(此时记录极限荷载)→破坏(此时测量最大力下试件的总伸长率)。试件拉伸至钢筋颈缩时停止加载。

　　 根据《钢筋机械连接技术规程》(JGJ 107—2016) ^[13](简称钢筋机械连接规程)中接头型式检验的仪表布置要求,在套筒两侧对称布置位移计,如图4所示,试件测量标距为L+4d_b,对于钢筋直径为12mm的试件,测量标距为188mm; 对于钢筋直径为20mm的试件,测量标距为291mm。

　　 两种直径钢筋连接试件测点布置如图5所示。除环向测点C-3和C-6外,其余测点在套筒环向和纵向均为对称布置,且同一截面位置纵向测点与环向测点间隔90°布置。纵向测点编号含义以L-3(4)为例说明,L-3(4)表示当前位置测点编号为L-3,对称的另一侧测点编号为L-4。

　　 两种直径钢筋连接试件的破坏形态类似,以钢筋直径为12mm的试件破坏形态为例,见图6,试验中观察到钢筋断裂和钢筋颈缩破坏,没有观察到钢筋粘结滑移破坏,表明钢筋与灌浆料间的粘结强度大于钢筋极限抗拉强度,灌浆接头强度满足要求。由于打磨钢筋对其造成了削弱使钢筋颈缩和断裂位置多发生在套筒两端2倍钢筋直径长度范围内。初始加载套筒端部灌浆料没有观察到明显的裂纹,加载至钢筋屈服后,裂缝发展较快,并逐渐向套筒内部延伸,同时受“泊松效应”影响钢筋直径逐渐减小,降低了其与灌浆料间的握裹作用,随着钢筋的变形与灌浆料裂缝的发展,端部灌浆料呈锥形破坏,见图6(c)。

　　 如图7所示,所有试件的力-位移曲线均表现出相同的特征,即在达到极限强度点前,每组三个试件的力-位移曲线几乎重合,表明接头连接质量的稳定性; 达到极限强度点以后,曲线在下降阶段开始出现差异,主要是由于在该阶段,钢筋变形与灌浆料裂缝发展程度不同,导致灌浆料与钢筋间的粘结强度不同。钢筋直径为12mm的9个试件屈服荷载均值约为46.23kN,极限荷载均值约为65.37kN; 钢筋直径为20mm的9个试件屈服荷载均值约为134.17kN,极限荷载均值约为185.97kN。首次卸载后接头的残余变形均小于0.1mm,满足钢筋机械连接规程中Ι级接头的变形要求。

　　 表3中列出了试件在钢筋屈服时和极限强度时的荷载和变形。由表3可以看出,试件的极限强度与钢筋接近,且多数试件极限强度略高于钢筋。

　　 如图8所示,以连接钢筋表面没有水泥浆涂层试件的屈服位移与极限位移为参照,除个别试件外,钢筋表面具有水泥浆涂层试件的屈服位移和极限位移整体呈增大趋势,主要是由于连接钢筋表面的水泥浆涂层降低了其与灌浆料间的握裹作用,从而导致二者间的粘结强度降低,但试件仍具有较高的粘结强度使其在两端钢筋发生颈缩或断裂破坏。

　　 根据套筒表面测点位置,图9中列出了套筒每个截面位置的纵向与环向应变曲线(图9(a)～(c)中测点C-4因应变采集仪通道出现故障,数据丢失)。对于对称布置的应变片,取其均值代表该截面位置应变,如L-5,6代表L-5和L-6的应变均值,应变数值正值代表受拉,负值代表受压。试件纵向均受拉,拉应变由测点L-1(2)位置向灌浆端逐渐减小; 环向主要受压,在加载后期,钢筋直径为12mm的试件的应变曲线C-2,5随着水泥浆涂层比率的增大,逐渐跨越零线由压应变转变为拉应变; 在加载后期,钢筋直径为20mm的试件随着水泥浆涂层比率的增大,纵向和环向应变均逐渐接近零线,并出现跨越零线的现象。受钢筋直径影响,钢筋直径为20mm的试件整体应变数值绝对值大于钢筋直径为12mm的试件应变数值。钢制套筒的屈服应变为1 886×10^-6。两种直径钢筋连接试件的最大应变数值绝对值均由测点L-1(2)得到。钢筋直径为12mm的试件中,L-1,2介于800×10^-6～1 200×10^-6之间,小于套筒的屈服应变,表明在拉伸全过程中,套筒处于弹性阶段; 钢筋直径为20mm的试件中,L-1,2介于4 000×10^-6～5 000×10^-6之间,大于套筒的屈服应变,其余测点应变绝对值均小于1 500×10^-6,表明套筒在测点L-1(2)屈服,在其余位置处于弹性阶段。两种直径钢筋连接试件的纵向最大应变位于测点L-1(2),环向最大应变除试件SPZ-D20-3外均位于测点C-3,纵向与环向峰值应变均集中于出浆口所在截面,表明该位置为套筒最危险位置。

　　 根据钢筋机械连接规程中规定,对接头的强度及变形性能进行分析。接头共分为3个等级,对于钢筋断裂或颈缩试件,若接头极限强度大于钢筋极限抗拉强度标准值,则满足Ι级接头要求。试验中试件均在两端钢筋发生颈缩和断裂,由于表3中f_u/f_stk>1,表明所有试件均满足Ι级接头要求。对于单向拉伸加载,根据钢筋机械连接规程对接头变形性能的要求,主要考虑接头的残余变形和最大力下总伸长率。

　　 如图10所示,1为钢筋夹持区,2为钢筋变形测量区。在套筒两端钢筋表面各有两个标记点,分别为A,B,C,D,标记点B和C与套筒端部距离均为2d_b。在拉伸试验前,标记点A,B间距与标记点C,D间距L₀₁=100mm。L₀₂为钢筋拉断后标记点A,B和标记点C,D的间距。根据钢筋机械连接规程的要求,当一侧钢筋颈缩时应取另一侧的L₀₁和L₀₂值。针对本文的18个试件,L₀₁和L₀₂根据没有发生断裂和颈缩的钢筋确定。最大力下试件的总伸长率按公式(1)计算,式中E为钢筋弹性模量,对于HRB400钢筋,E=2.0×10⁵N/mm²。如图11所示,所有试件在最大力下总伸长率A_sgt>6%,满足钢筋机械连接规程中Ι级接头变形要求。表明钢筋直径和水泥浆涂层比率对试件强度和变形性能影响较小。

　　 $A{}_{\text{s}\text{g}\text{t}}=\left(\frac{L{}_{02}-L{}_{01}}{L{}_{01}}+\frac{f{}_{\text{u}}}{E}\right)\times 100\%(1)$

　　 文中以钢制半灌浆套筒连接试件为研究对象,考察待连接钢筋表面的水泥浆涂层对接头连接性能的影响,通过试验和理论研究,得到如下结论:

　　 (1)钢筋表面水泥浆涂层比率和钢筋直径对试件破坏形式影响较小,所有试件均发生钢筋断裂和钢筋颈缩破坏,端部灌浆料呈锥形破坏。

　　 (2)多数试件极限强度略高于钢筋实测极限强度。除水泥浆涂层比率为100%的直径20mm钢筋连接试件外,随着水泥浆涂层比率的增大,灌浆料与钢筋间的握裹作用降低,灌浆接头的屈服位移和极限位移整体呈增大趋势。

　　 (3)试件纵向均受拉,受拉应变由出浆口所在截面位置向灌浆端逐渐减小; 试件环向主要受压。纵向与环向峰值应变主要集中在出浆口附近,出浆口所在位置为套筒最危险位置。随着钢筋直径的增大,套筒表面应变数值整体增大,与直径12mm钢筋连接试件相比,直径20mm钢筋连接的套筒整体变形较大。随着水泥浆涂层比率的增大,纵向与环向应变数值逐渐接近应变零线,个别应变出现拉应变与压应变的转换现象。

　　 (4)所有试件残余变形均小于0.1mm,最大力下总伸长率均大于6%,接头极限抗拉强度与钢筋极限抗拉强度标准值的比值均大于1,满足钢筋机械连接规程中Ι级接头的强度和变形性能。