張 言，劉澤帆， 葉 峰

(同濟大學土木工程學院，上海 200092)

·施工技術與測量技術·

新型FRP灌漿套筒預制拼裝技術研究

張 言，劉澤帆， 葉 峰

(同濟大學土木工程學院，上海 200092)

灌漿套筒連接是預制拼裝結構中一種關鍵技術，用于連接構件的鋼筋。當前使用的灌漿套筒以鋼為材料，有自重大、易銹蝕等缺點。為改進傳統(tǒng)灌漿套筒，文章介紹了采用FRP(纖維增強復合材料)制作灌漿套筒實驗，并對其進行優(yōu)化構造細節(jié)。通過制成的兩批新型FRP灌漿套筒進行拉拔試驗，破壞時鋼筋均達到強化階段。第一批破壞形式為套筒破壞，為不理想破壞形式。經(jīng)過改進后第二批為鋼筋拔出破壞，為理想破壞形式。證明了新型FRP灌漿套筒承載力滿足強度要求，并且還有自重輕、耐腐蝕等優(yōu)點。

鋼筋; 連接; 灌漿套筒; FRP(纖維增強復合材料); 拉拔試驗

1 新型FRP灌漿套筒簡介

預制拼裝技術的特征是設計標準化、構件部品化。在工廠將各種構件預制完成后，運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，組裝完成。這種方式不僅可以保證施工質量，還有施工速度快、綠色環(huán)保等優(yōu)點。

灌漿套筒連接技術是預制拼裝結構中的一種關鍵的連接技術，用于連接構件的鋼筋。灌漿套筒連接構造是透過鑄造的中空型套筒，鋼筋從兩端開口穿入套筒內部，不需要搭接或焊接，通過鋼筋與套筒間填充高強度微膨脹結構性砂漿，實現(xiàn)鋼筋續(xù)接功能。其連接的機理主要是借助高強砂漿受到套筒的圍束作用，加上本身具有微膨脹特性，藉此增強與鋼筋、套筒內側間的徑向約束作用力，鋼筋即藉由該徑向約束作用力與粗糙表面產(chǎn)生之摩擦力、砂漿與鋼筋表面的化學粘結力和鋼筋表面螺紋產(chǎn)生的咬合力來傳遞鋼筋應力。

美國DR·ALFRED A·YEE博士首次將此技術應用于夏威夷38層酒店的預制混凝土柱中。1972 年,一個日本公司購置了生產(chǎn)權利,并開始與日本的工程師和承包商一起工作,以便為當?shù)刈≌ㄔO的預制混凝土剪力墻提供結構可靠的連結。此后幾年內,北美和日本的技術人員對這種連接套筒做了大量改進,以提高其使用功效。例如,附加灌漿口、 對套筒進行過壓力法灌漿等。市場上開始將這種套筒用于各種類型的結構連結,包括水平連結,并且不僅被用于工廠制作,也用于現(xiàn)場澆注的混凝土。通過不斷改進,在1986年,X 型連接套筒的研發(fā)工作成功完成,并在日本和北美市場得到廣泛應用。1983年美國混凝土協(xié)會ACI在報告中將其列入鋼筋主要連接技術之一。近十年來，我國逐漸引入該連接，相關技術標準正在制定中。

但是當前灌漿套筒技術還存在一些不足：(1)當前工程上使用的灌漿連接套筒的制作材料為鋼材，有自重大的缺點，在施工上有極大的不便，還會增加運輸成本。鋼材還有易銹蝕的缺點，強度會隨著時間而降低。(2)我國對于灌漿套筒在不同荷載條件下的傳力機理，灌漿套筒的內部壁厚、螺紋間距、漿料特性和外部構造細節(jié)以及套筒材料等的自主研發(fā)上都有待進行深層次的研究與試驗驗證。

鑒于以上這些不足，本文開展新型FRP灌漿套筒的研究：(1)采用FRP(纖維增強復合材料)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼材制作灌漿套筒。FRP材料是纖維材料與基體材料按一定比例混合后形成的高性能材料，質輕而硬，機械強度高，耐腐蝕，有良好的可設計性。由于其優(yōu)越的力學性能被越來越廣泛的運用于橋梁工程、民用建筑等領域。(2)優(yōu)化一些構造細節(jié)，如壁厚，長度，內螺紋間距和形狀。增加其承載力(3)進行拉拔試驗，分析其承載力和受力機理。

2 實驗研究

2.1 試件設計與準備

根據(jù)《鋼筋機械連接通用技術規(guī)程》(JGJ 107-2003)設計制作了兩批灌漿套筒，每批分為a、b兩類，尺寸見表1和圖1。

表1 灌漿套筒尺寸 mm

注：B為壁厚，D為外直徑，d1為寬口內直徑，d2為窄口內直徑，hj為螺紋高度，bj為螺紋寬度，L為套筒長度。鋼筋是Q345螺紋鋼，直徑為20 mm。

圖1 試件尺寸

將FRP套筒插入鋼筋并進行灌漿(砂漿采用高強膨脹型砂漿，鋼筋采用直徑20 mm的帶肋鋼筋)，在灌漿及鋼筋連接完成后，將試件放置28 d進行養(yǎng)護。

砂漿性能說明：(1)流動度需要≥300 mm；(2)膨脹率需0%～0.5%；(3)可工作時間應大于30 min，為穩(wěn)妥起見宜大于40 min；(4)1 d、3 d、7 d和28 d齡期試塊抗壓強度測試，在環(huán)境溫度為25℃測試強度應滿足1 d大于或等于35 MPa，3 d大于或等于60 MPa，7 d大于或等于85 MPa，28 d大于或等于100 Mpa。

2.2 第一批套筒制作說明

(1)準備模具。制作玻璃鋼母模，根據(jù)產(chǎn)品實樣加工石膏長方體容器模具。

(2)選用環(huán)氧樹脂作為基體材料，采用層合板生產(chǎn)方式，實際應用手糊法生產(chǎn)加工出FRP套筒的粗加工板。手糊成型工藝過程：先在模具上涂刷含有固化劑的樹脂混合物，再在其上鋪貼一層按要求剪裁好的纖維織物，用刷子、壓輥或刮刀壓擠織物，使其均勻浸漬并排除氣泡后，再涂刷樹脂混合物和鋪貼第二層纖維織物，反復上述過程直至達到所需厚度為止。然后，在一定壓力作用下加熱固化成形(熱壓成形)，或者利用樹脂體系固化時放出的熱量固化成形(冷壓成形)，最后脫模得到復合材料制品(圖2)。

圖2 片材制品成型用設備

(3)雕刻加工內槽。根據(jù)設計要求，為增大與水泥摩擦力，將板狀材料表面加工為凹凸狀。

(4)將板狀FRP材料卷成圓筒形狀，粘接成型(圖3)。

圖3 卷成圓筒形狀

(5)鉆孔，拋光。

第一批套筒實物見圖4。

圖4 第一批套筒實物

2.3 第二批套筒改進說明

(1)芯模。按套管內部構造先制作芯模(圖5)。芯模材料具有一定的干燥強度但可水分散(不耐水)，樹脂纖維符合固化后，可將芯模退出成型套管。

圖5 芯模

(2)纖維材料。采用碳纖維，它除有玻纖性能外還有其它特殊性能，如輕質、導電等。

(3)制作。通過逐層涂覆、輥壓、固化，直至達到要求的尺寸和構造形狀(圖6)。

圖6 套筒制作

(4)結構。原先的套管內部構造呈“T形”齒狀，構造采用車床加工而成，這種構造和加工方法存在一些不便及不利于受力狀態(tài)。主要為：

(1)切削加工的齒狀，將齒狀部分與機體部分的纖維切斷，齒狀部分僅靠連接部分與機體相連，受力狀態(tài)不好。

(2)如果是連續(xù)纖維復合，芯模齒狀的溝槽部分纖維難以均勻布置，加工有難度，且易造成空鼓、粘結不良等由于構造引起的瑕疵，如圖7(a)所示。

套管內部構造做弧狀改動，這種弧狀構造一是便于加工時纖維的均勻復合，便于樹脂的涂覆和浸潤纖維，沒有死角；二是其構造并不影響粘結材料在套管內壁上的機械摩擦阻力和粘結力，也便于施工中的灌漿操作。如圖7(b)所示。

圖7 套筒構造改動前后對比

第二批套筒實物見圖8。

圖8 第二批套筒實物

2.4 加載裝置與加載制度

采用上海應用技術大學力學實驗室的電液伺服萬能試驗機進行單調拉伸試驗。加載制度：0→最大拉力→0。試件屈服之前為荷載控制，加荷速率為0.5～1 MPa/s。試件屈服后改為位移控制，夾頭分離速率不超過20～30 mm/min。

2.5 測量方法

在加工完成的套筒和鋼筋對應點位貼上應變片，以方便試驗時測定各點的應力大小及變形量(圖9)。

(大寫為套筒上應變片，小寫為鋼筋上應變片)圖9 應變片位置及編號

3 實驗結果及分析

實驗結果匯總見表2。

表2 實驗結果匯總

3.1 破壞形態(tài)

第一批套筒均發(fā)生套筒徑向開裂破壞，是非理想的破壞形式(圖10)。在詳細分析了套筒的制作過程后，發(fā)現(xiàn)套筒的制作過程存在缺陷，這種套筒是通過鋼模將一張平板的FRP材料卷成圓柱筒的形式，中間有一條由膠粘和的縫隙。而進行拉拔實驗時，套筒中砂漿因為受壓力導致向四周膨脹，使套筒環(huán)向變形很大導致那條人工膠合的縫隙因環(huán)向張力而漲裂。

圖10 第一批套筒破壞形式

第二批套筒均發(fā)生鋼筋刮犁式拔出，是理想的破壞形式(圖11)。水泥砂漿對鋼筋的粘結力小于拉力而被拔出，套筒未受到破壞，說明新型FRP灌漿套筒強度達到要求。

圖11 第二批套筒破壞形式

3.2 受力數(shù)據(jù)分析

第一組套筒拉伸試驗的力-位移曲線見圖12～圖14。

圖12 第一組a套筒的力-位移曲線

圖13 第一組b套筒的力-位移曲線

圖14 典型D20鋼筋拉伸曲線

第一批a套筒的鋼筋達到強化階段，b套筒的鋼筋達到屈服階段。a套筒的承載力比b套筒大5 %左右，主要是因為增加套筒長度可以增加套筒受力面積，減小套筒FRP纖維之間所受拉應力。

套筒鋼筋的極限承載力約為直接拉伸鋼筋的極限承載力的80%左右，其極限承載力取決于套筒的強度。第一批套筒雖然達到了強度需求，但是最終破壞形式不理想。

第二組套筒拉伸試驗的力-位移曲線見圖15、圖16。

圖15 第二組a套筒的力-位移曲線

圖16 第二組b套筒的力-位移曲線

第二批套筒鋼筋均達到強化階段，a、b兩組極限承載力基本相同，約為直接拉伸鋼筋的極限承載力的80 %左右。發(fā)生刮犁式破壞時增加套筒長度對極限承載力提高作用不大，其極限承載力主要取決于水泥砂漿對鋼筋的粘接力。

最終破壞時，套筒完好，鋼筋達到強化階段被拉出水泥砂漿。極限承載力滿足要求，破壞形式理想。第二批新型FRP鋼筋套筒可以替代傳統(tǒng)鋼制套筒。如果改進砂漿對鋼筋的粘結力和施工工藝，此種套筒的極限承載力預計會更加提高。

4 結論與展望

4.1 結論

(1)新型FRP灌漿套筒滿足強度要求，并且有自重輕、耐腐蝕的優(yōu)點、有望取代傳統(tǒng)鋼制套筒。

(2)兩次實驗分別發(fā)生套筒開裂破壞以及鋼筋刮犁式破壞。破壞形態(tài)主要取決于套筒的材料性能以及內部摩阻的傳遞效果。

(3)第二次實驗中，荷載位移曲線表現(xiàn)出鋼筋套筒出現(xiàn)明顯的彈性階段、屈服階段和強化階段，對實際使用效應連接套筒已達到預計使用效果的連接強度。

(4)兩次實驗均未出現(xiàn)FRP材料剪切破壞，說明構件設計時避免抗剪部位出現(xiàn)措施起到了一定的效果。

(5)通過兩次實驗探索出面對FRP新型連接套筒材料選擇問題時，使用碳纖維較玻璃纖維強度更高。

(6)在FRP套筒的生產(chǎn)加工工藝探索中，采用卷材法套筒因粘結縫存在降低了套筒強度，采用模具法套筒具有較好的整體性。

4.2 展望

本次實驗仍存在一定的不足和考慮欠周的地方，目前我們在這一命題上需要研究的內容還包括：

(1)套筒內部摩阻形式仍可以優(yōu)化，增大混凝土和套筒間摩擦，避免混凝土局部受剪，從而減少混凝土與套筒發(fā)生相對滑移的可能性，進一步提高套筒的荷載極限。

(2)FRP套筒加工過程仍比較復雜，進一步優(yōu)化構件生產(chǎn)方式從而幫助實現(xiàn)量產(chǎn)目標。

(3)FRP連接套筒中灌漿料在扭轉、彎曲等復雜應力下的應力應變情況及最不利位置仍需要進一步研究。

(4)使用有限元軟件分析套筒應力分布情況。

(5)FRP連接套筒的耐久性及灌漿料的徐變效應對連接構建的影響。

(6)本次研究未涉及大于0.6倍屈服強度幅值的單調重復作用下的連接性能，以及《鋼筋機械連接通用技術規(guī)程》JGJ107—2003中規(guī)定的高應力反復拉壓試驗和大變形反復拉壓試驗的內容。

[1] JGJ 107-2003 鋼筋機械連接通用技術規(guī)程[S].

[2] 吳小寶，林峰，王濤.齡期和鋼筋種類對鋼筋套筒灌漿連接受力性能影響的試驗研究[J].建筑結構，2013，43(14)：78-82.

[3] 韓瑞龍，施衛(wèi)星，周洋.灌漿套筒連接技術及其應用[J].結構工程師，2011,27(3):150-153.

TU755.3+2

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[定稿日期]2015-07-17