陳曉磊, 魏奇科, 劉赫凱, 王振強(qiáng), 寥小輝

(中冶建工集團(tuán)有限公司，重慶 400080)

0 引 言

鋼筋套筒灌漿技術(shù)通過在套筒灌漿口部位灌入高強(qiáng)漿料依靠漿料的高強(qiáng)性有效傳遞預(yù)制構(gòu)件間鋼筋軸力，提高裝配式建筑的整體性[1]。目前國(guó)內(nèi)外研究者已開展鋼筋套筒的研究工作，研究成果主要?dú)w納為以下幾點(diǎn)：(1)鋼筋軸線的相對(duì)偏差將對(duì)套筒受力造成影響，形成偏心力。影響鋼筋與套筒間的有效連接性，造成局部漿料壓潰失效[2]。(2)灌漿料質(zhì)量對(duì)套筒連接性能造成顯著影響，其填實(shí)度將影響套筒連接能力[3,4]。(3)套筒錨固性隨套筒直徑減少而增加，隨錨固長(zhǎng)度增加而增大[5]。(4)文獻(xiàn)[6,7]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用套筒與鋼筋間產(chǎn)生的握裹力提供滑移阻力將容易造成脆性滑移破壞。以往研究已對(duì)特定類型套筒的錨固強(qiáng)度、偏心受力及滑移等方面展開研究。然而，套筒構(gòu)造多樣，受力性能存在差異，對(duì)整體質(zhì)量造成不同影響。為此文中選取幾類典型構(gòu)造形式的套筒進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)給出受力特性較好的幾類套筒，為實(shí)際工程套筒的選擇提供依據(jù)。

1 數(shù)值模型的建立及驗(yàn)證

此次模擬計(jì)算以尺寸及外形為變量設(shè)計(jì)了四種類型共35個(gè)套筒以研究材料特性、套筒外形及約束作用等對(duì)受力特性的影響。

1.1 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)我國(guó)裝配式建筑套筒使用情況此次模擬的四類套筒(A類、B類、C類及D類)連接件，鋼筋等級(jí)為HRB400級(jí)，直徑為16mm，套筒屈服強(qiáng)度250MPa。幾何形式詳見圖1所示；圖中A類套筒外徑均為43mm，A-1，A-2壁厚分別2mm，4.5mm；B類套筒外徑65mm，壁厚4.5mm，以連接鋼筋設(shè)置螺帽、套筒內(nèi)壁布置鋼筋及套筒側(cè)壁設(shè)置灌漿孔為參數(shù)變量進(jìn)行分析；C類套筒，壁厚4.5mm，以連接鋼筋螺紋長(zhǎng)度，端頭螺帽，套筒寬度及長(zhǎng)度為變量進(jìn)行參數(shù)分析；D類套筒設(shè)計(jì)成為矩形截面，3mm厚扣環(huán)從距套筒上、下兩端20mm，50mm及100mm的位置插入套筒，與灌漿料形成咬合提供鋼筋的抗滑移力。

1.2 有限元模型建立

選用大型非線性有限元軟件ANSYS對(duì)上述試件進(jìn)行軸向拉力作用下的有限元模擬。灌漿套筒采用理想彈塑性二折線本構(gòu)，彈性模量2.00×105MPa，屈服強(qiáng)度為250MPa，泊松比取0.3；鋼筋本構(gòu)選用理想三折線模型，彈性模量2.00×105MPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度400MPa，硬化強(qiáng)度0.05；灌漿料采用各向同性材料模型，由于缺少相關(guān)本構(gòu)，參考單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變混凝土材料[8]，如式(1)、(2)。

(1)

ε0=2fg/Eg

(2)

式中fg為灌漿料抗壓強(qiáng)度，Eg為灌漿料彈性模量，σ為灌漿料壓應(yīng)力，ε為灌漿料壓應(yīng)變。

圖1 試件詳圖

選用William-Warnke準(zhǔn)則作為灌漿料破壞準(zhǔn)則。漿料選用solid65單元，套管及鋼筋采用適合延性材料的solid85單元建立。漿料、套筒及鋼筋之間的相互作用采用接觸單元進(jìn)行分析。各部件按實(shí)際尺寸建模，并賦予各材料相應(yīng)材性，最后網(wǎng)格劃分完成建模。

1.3 數(shù)值模型有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模型有效性分別選取文獻(xiàn)[9],[1]中的試件GB-D25-1，HRB400-16，HRB400-20及HR500-16進(jìn)行建模計(jì)算。力-位移曲線計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2中，在軸力作用下套筒連接件數(shù)值模型與試驗(yàn)的力-位移曲線存在一些偏差，但總體吻合良好。由于在建模過程中鋼筋及套筒采用未考慮下降段的本構(gòu)模型建立，因此模擬結(jié)果未出現(xiàn)下降段。達(dá)到峰值荷載時(shí)由于鋼筋與漿料之間產(chǎn)生相對(duì)滑移，滑移機(jī)理較為復(fù)雜，選用模型與實(shí)際情況存在一定偏差，因此峰值偏差最大達(dá)到5%，平均2.5%。但總體在可接受范圍內(nèi)。

圖2 力-位移曲線計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖3 力-位移計(jì)算曲線

2 參數(shù)化計(jì)算分析

通過參數(shù)分析，應(yīng)用力-位移曲線及力分布情況對(duì)比各類連接件的總體受力性能。

2.1 力-位移曲線

圖3展示了文中A、B、C、D三類套筒幾組典型試件連接件在軸力作用下的力-位移變化曲線。圖中除C類套筒連接件外，其余連接件均表現(xiàn)出良好的變形能力。這是因?yàn)镃類套筒連接件內(nèi)部構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，相比其他3類套筒灌入的漿料相對(duì)較少，導(dǎo)致受拉過程中漿料應(yīng)力更為集中，加速灌漿料的破壞。其余3類套筒力-位移曲線與普通受拉鋼筋類似，加載初期階段拉力快速增加，變形相對(duì)較少，隨著荷載的不斷增加，出現(xiàn)明顯的屈服拐點(diǎn)，隨后連接件進(jìn)入屈服狀態(tài)，拉力進(jìn)入緩慢增長(zhǎng)階段，變形不斷增加。下節(jié)將對(duì)A，B，D三類套筒連接件發(fā)生屈服后各構(gòu)件受力性能做總體評(píng)價(jià)。

2.2 受拉特性對(duì)比

依據(jù)圖4計(jì)算結(jié)果，提取A，B，D三類連接件屈服時(shí)刻及塑性階段關(guān)鍵數(shù)據(jù)均值進(jìn)行對(duì)比分析(見表1)。表中C類連接件屈服強(qiáng)度平均值大于A類、B類連接件，對(duì)應(yīng)屈服位移也較大。表明C類套筒彈性范圍較大，在地震往復(fù)作用下進(jìn)入塑性階段相比A、B類較晚，塑性程度較淺。A類套筒峰值承載力均值較B類、C類連接件均值承載力略高3.3%及6.4%，抵御大震作用力相對(duì)較好；此外A、B、C三類連接件強(qiáng)屈比分別為1.26、1.21及1.14，A類套筒強(qiáng)屈比最高且大于普通抗震鋼筋強(qiáng)屈比要求(1.25)，表明A類套筒在地震作用下進(jìn)入塑性狀態(tài)時(shí)具有更多的余量耗散地震能量。此外A、B、C類套筒均表現(xiàn)出良好的變形能力，不易發(fā)生脆性破壞。由失效部位得知，除D類套筒連接件個(gè)別在套筒連接部位發(fā)生破壞失效，其余均在鋼筋部位發(fā)生失效，破壞模式固定，利于設(shè)計(jì)人員的分析，把控。

表1 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖4 各判定指標(biāo)頻數(shù)分布圖

3 可行性對(duì)比分析

根據(jù)《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[10]，ACI318[11]從軸向拉伸要求及結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)變形能力需求方面對(duì)上述A、B、D三類套筒的受拉性能進(jìn)行分析。JGJ355-2015要求Pp/Pstk>1.15。Pp為灌漿套筒連接接頭拉力；Pstk連接鋼筋抗拉荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

Pstk=fstk×Ab

(4)

式(4)中極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fstk按《混規(guī)》[8]取值540N/mm2；

從變形角度評(píng)判，JGJ355-2015規(guī)定對(duì)中單向拉伸最大伸長(zhǎng)率Asgk≥6%

此外根據(jù)ACI-318規(guī)定，套筒連接件峰值承載力對(duì)應(yīng)強(qiáng)度fp與鋼筋屈服強(qiáng)度fy之比≥1.25，fp按連接件峰值承載力與鋼筋界面面積之比進(jìn)行確定。

各類指標(biāo)評(píng)判分析統(tǒng)計(jì)圖如圖4所示，圖4(a)可知Pp/Pstk≥1.15保證率達(dá)到61.58%其中A類連接件完全符合要求，B類連接件合格率達(dá)到61%，D類構(gòu)件達(dá)到54.5%，對(duì)首次判定未合格連接件做進(jìn)一步分析，三類試件合格率達(dá)88.4%，以峰值承載力為判定標(biāo)準(zhǔn)A，B，D類連接件合格率分別達(dá)100%，100%及72.7%。ACI-318為判定標(biāo)準(zhǔn)，總合格率100%；從Asgk看，除B-2，B-4外，所有連接件在峰值承載力所對(duì)應(yīng)伸長(zhǎng)率均滿足6%的要求，合格率達(dá)92.3%，而B類構(gòu)件合格率為84.6%。由上述三項(xiàng)指標(biāo)分析可知，A類連接件受拉性能最優(yōu)、其次B類、C類連接件由于為矩形截面在受拉過程中容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，發(fā)生局部破壞影響受拉性能。此外，根據(jù)文獻(xiàn)[12]，在中低震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位移延性系數(shù)δu/δy不得低于4.0，從圖5(d)得知各連接件延性系數(shù)大于4.0的標(biāo)準(zhǔn)，滿足結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形需求。A、B類套筒連接件更加符合結(jié)構(gòu)受力性能的相關(guān)要求，利于質(zhì)量控制。

4 結(jié) 語(yǔ)

文中對(duì)四中類型共35個(gè)鋼筋套筒連接件進(jìn)行了軸力作用下的數(shù)值計(jì)算，依據(jù)計(jì)算結(jié)果結(jié)合相關(guān)規(guī)范對(duì)各類套筒的受力性能進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)四類套筒中C類套筒由于內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，螺紋突出，螺栓體積較大，套筒內(nèi)部灌漿料體積相對(duì)較少，相同荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力水平更高，更易發(fā)生局部破壞，連接件的峰值承載力及變形性能相對(duì)較弱。

(2)A、B、D三類套筒連接件在軸向拉力作用下的力-位移曲線與單根受拉鋼筋材性特征相似，具有明顯的屈服點(diǎn)、平臺(tái)段以及強(qiáng)化段，表明在裝配式建筑中采用該種連接方式進(jìn)行軸力傳遞，其效果近似等同于單根鋼筋的受拉特性。

(3)結(jié)合《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，ACI-318相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，A類套筒無論從承載力、變形能力等方面均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；B類套筒合格率達(dá)84.6%而D類套筒僅為72.7%且存在連接部位失效的破壞模式，穩(wěn)定性相對(duì)較差。