余印根

(福建省永正工程質(zhì)量檢測有限公司 福建福州 350108)

0 引言

裝配式建筑具有生產(chǎn)效率高、構(gòu)件質(zhì)量高、施工耗能低等優(yōu)點(diǎn)，符合綠色建筑要求。近年來，混凝土結(jié)構(gòu)裝配式建筑在工程實(shí)際中大面積應(yīng)用，其預(yù)制構(gòu)件之間的可靠連接，是裝配式建筑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。目前，工程中常用套筒灌漿，對(duì)預(yù)制構(gòu)件主筋進(jìn)行連接[1-3]。

鋼筋灌漿套筒連接的工作原理，是在套筒的兩端將受力鋼筋插入，而后采用注漿工具灌注高強(qiáng)灌漿料，依靠受力鋼筋和套筒內(nèi)壁同灌漿料之間的粘結(jié)力傳遞兩根鋼筋的力，達(dá)到連接兩根鋼筋傳力的力學(xué)效果。裝配式建筑預(yù)制件采用套筒灌漿連接時(shí)，需從注漿孔注入灌漿料，當(dāng)灌漿料從出漿孔溢出時(shí)，通常判斷為灌漿結(jié)束。工程實(shí)際應(yīng)用中，存在著套筒內(nèi)有堵塞物、套筒內(nèi)部空氣未完全排出、套筒局部漏漿等諸多因素，很難確保套筒內(nèi)部灌漿的密實(shí)度，影響著連接節(jié)點(diǎn)的承載力[4-5]。

如何確保套筒灌漿密實(shí)度，是裝配式建筑施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵，對(duì)節(jié)點(diǎn)的安全連接有不可忽視的重要性。為直觀的闡明套筒灌漿密實(shí)度對(duì)于鋼筋套筒灌漿連接性能的影響，基于文獻(xiàn)[6]的試驗(yàn)研究基礎(chǔ)，建立鋼筋套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)數(shù)值模型，針對(duì)不同密實(shí)度進(jìn)行力學(xué)性能研究，并根據(jù)研究的結(jié)果，提供了工程上常用的鋼筋套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)密實(shí)度檢測方法，以期為工程實(shí)際檢測提供參考。

1 有限元建模

1.1 有限元模型建立

鋼筋套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)的有限元模型、受力方向和邊界條件如圖1所示。限制鋼筋套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)右端鋼筋的X、Y、Z三個(gè)方向的自由度，使其成為固定約束，另一端約束X、Y的自由度，在Z軸方向施加力或者位移。

圖1 有限元模型

套筒、鋼筋和灌漿料采用實(shí)體單元(C3D8R)模擬，為了模擬鋼筋和灌漿料之間的粘結(jié)-滑移，鋼筋和灌漿料之間的接觸采用非線性彈簧單元Spring2進(jìn)行模擬。由于非線性彈簧單元Spring2是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的接觸，所以在劃分網(wǎng)格時(shí)，要通過控制網(wǎng)格種子的數(shù)量確保鋼筋和灌漿料之間點(diǎn)和點(diǎn)的對(duì)應(yīng)，網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)劃分(Structured)。

Spring2彈簧單元的定義需要修改ABAQUS的inp文件，對(duì)于垂直于鋼筋和灌漿料方向上的力-滑移相對(duì)曲線，文獻(xiàn)[7]將線性彈簧單元的彈簧剛度設(shè)置為1×1011來進(jìn)行模擬。而對(duì)于鋼筋和灌漿料縱向切向的彈簧單元，則需要在inp文件中定義滑移本構(gòu)曲線，滑移本構(gòu)中的采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010[8]中的粘結(jié)滑移本構(gòu)模型，彈簧模型接觸如圖2所示。

圖2 彈簧單元接觸

1.2 材料本構(gòu)模型

模型鋼筋選用HRB400直徑16 mm，泊松比和彈性模量分別為0.3和2.1×105MPa，采用雙折線模型定義鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系，鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。

圖3 鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

鋼筋灌漿套筒的材料是優(yōu)質(zhì)的球墨鑄鐵材料，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系按照理想彈性模型進(jìn)行建立，彈性模型和泊松比同鋼筋，強(qiáng)度為550 MPa，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖4所示。

圖4 套筒應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

灌漿料本構(gòu)采用有限元軟件中提供的混凝土損傷塑性模型，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010附錄C提供的混凝土本構(gòu)關(guān)系，其中彈性段通過定義材料的極限彈性應(yīng)力和楊氏模量來實(shí)現(xiàn)，非彈性段則用規(guī)范提供的計(jì)算公式進(jìn)行確定，混凝土受拉公式：

(1)

混凝土受壓公式：

(2)

式中相關(guān)參數(shù)含義詳見《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，公式計(jì)算所得混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，混凝土彈性模量取33000 MPa，泊松比取0.2。

圖5 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2 不同密實(shí)度鋼筋灌漿套筒連接節(jié)點(diǎn)模型受力分析

2.1 模型驗(yàn)證

文獻(xiàn)[6]對(duì)鋼筋套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了試件的荷載-位移曲線。為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，采用1.1節(jié)和1.2節(jié)中的建模方法和材料本構(gòu)，建立了有限元數(shù)值模型，具體建模構(gòu)件尺寸參數(shù)見文獻(xiàn)[6]，試驗(yàn)數(shù)據(jù)同有限元計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比曲線圖如圖6所示。從圖中反映的情況來看，有限元數(shù)值模型計(jì)算所得荷載-位移曲線，能很好的同試驗(yàn)所得荷載-位移曲線擬合。文獻(xiàn)[6]試驗(yàn)所得鋼筋套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)屈服強(qiáng)度93.6 kN，極限抗拉強(qiáng)度129.3 kN，有限元數(shù)值模型計(jì)算所得屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度分別為93.2 kN和128.8 kN，同試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差均為0.4%。因此，基于此有限元數(shù)值模型，能夠?qū)Σ煌軐?shí)度的鋼筋套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能進(jìn)行模擬研究。

圖6 數(shù)據(jù)對(duì)比

2.2 不同密實(shí)度參數(shù)分析

為了直觀對(duì)比出不同密實(shí)程度對(duì)鋼筋灌漿套筒力學(xué)性能的影響，在2.1有限元數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，定義了密實(shí)度分別為50%、80%、90%、95%和100%的套筒灌漿模型，如圖7所示。

圖7 不同密實(shí)度有限元模型

通過有限元數(shù)值模型計(jì)算的不同密實(shí)度鋼筋灌漿套筒模型荷載-位移曲線如圖8所示，數(shù)據(jù)如表1所示。

圖8 數(shù)據(jù)對(duì)比

表1 計(jì)算數(shù)據(jù) kN

從圖8和表3分析可得，隨著灌漿料密實(shí)度的降低，鋼筋套筒灌漿的屈服強(qiáng)度和極限承載力均發(fā)生了明顯的下降。從100%降低至95%時(shí)，分別降低3.2%和5.5%；從100%降低至90%時(shí)，分別降低5.9%和9.4%。當(dāng)灌漿料密實(shí)度低于80%時(shí)，鋼筋套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)的破壞模態(tài)由鋼筋拉斷變?yōu)殇摻畎纬觥Ｓ纱丝芍?，密?shí)度對(duì)套筒的受力性能影響顯著，隨著密實(shí)度的降低，會(huì)導(dǎo)致套筒的屈服強(qiáng)度和極限承載力降低。當(dāng)密實(shí)度低于80%時(shí)，套筒的破壞模式為鋼筋拔出，密實(shí)度過低，會(huì)無法發(fā)揮套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)的性能，致使工程當(dāng)中存在隱患。

3 檢測方法

3.1 預(yù)埋傳感器法

套筒灌漿前，在出漿口處預(yù)埋阻尼振動(dòng)傳感器，監(jiān)測灌漿料初凝前和灌漿時(shí)的振動(dòng)能量值。灌漿料包裹傳感器時(shí)，傳感器監(jiān)測到的能量值會(huì)發(fā)生衰減，根據(jù)能量值的變化判斷套筒灌漿的飽滿程度。當(dāng)監(jiān)測到灌漿料填充不飽滿的情況，可直接進(jìn)行填補(bǔ)，從而使套筒灌漿質(zhì)量達(dá)標(biāo)。預(yù)埋傳感器法又稱阻尼振動(dòng)法，傳感器在激勵(lì)驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生振動(dòng)，因阻力其振幅會(huì)隨時(shí)間衰減[9]。傳感器阻尼系數(shù)由小到大分別是空氣、水和灌漿料，傳感器的振幅的衰減速率隨阻尼系數(shù)增大而增大。

LI X M等[10]采用阻尼振動(dòng)法對(duì)實(shí)驗(yàn)室和工程實(shí)際的套筒灌漿飽滿度進(jìn)行無損檢測研究，通過研究所得給出飽滿度判斷標(biāo)準(zhǔn)：i類，振動(dòng)能量值≤100，灌漿料飽滿；ii類，100≤振動(dòng)能量值≤150，灌漿料基本飽滿；iii類，振動(dòng)能量值≥150，灌漿料不飽滿。當(dāng)工程實(shí)際應(yīng)用中遇到iii類情況時(shí)，需要對(duì)套筒進(jìn)行補(bǔ)灌，i類和ii類情況則不需要進(jìn)行處理。

預(yù)埋傳感器法不僅能檢測套筒灌漿的飽滿程度，還可以對(duì)漏漿后的再次補(bǔ)灌進(jìn)行檢測[11]。當(dāng)工程中采用預(yù)埋傳感器發(fā)進(jìn)行檢測時(shí)，如發(fā)現(xiàn)灌漿不飽滿的情況，應(yīng)當(dāng)立即進(jìn)行補(bǔ)灌，確保套筒灌漿質(zhì)量。目前，已有多省將該檢測方法納入地方標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中[12]。

3.2 X射線法

X射線無損檢測法的原理，是X射線能夠穿透光無法穿透的物質(zhì)，并具有在物質(zhì)中衰減的特性。根據(jù)采用的設(shè)備不同，可分為工業(yè)CT技術(shù)和便攜式X射線技術(shù)[13]。

工業(yè)CT技術(shù)通過對(duì)試件進(jìn)行掃描，數(shù)字成像透視，通過成像圖的圖像灰度，分析套筒內(nèi)部灌漿的密實(shí)程度。該方法可以排除套筒外壁、混凝土和鋼筋對(duì)灌漿料的遮擋，直觀地分辨試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷。目前，已有學(xué)者對(duì)該無損檢測方法進(jìn)行研究[14]。工業(yè)CT技術(shù)無損檢測對(duì)套筒密實(shí)度的檢測準(zhǔn)確性高，但由于設(shè)備較大，放射性高，無法很好地應(yīng)用到工程實(shí)際中，這限制了其發(fā)展。

相較于工業(yè)CT技術(shù)，便攜式X射線技術(shù)能更好應(yīng)用在工程實(shí)際中。其可分為X射線膠片成像法、X射線計(jì)算機(jī)成像法和X射線數(shù)字成像法。X射線膠片成像法成像模糊，需要洗片，效率和準(zhǔn)確度較低，X射線計(jì)算機(jī)成像法在成像環(huán)節(jié)中，容易丟失信息，且成像模糊。相較于前兩種成像方法，X射線數(shù)字成像法成像環(huán)節(jié)少，成像清晰，建議在工程實(shí)際應(yīng)用中，采用X射線數(shù)字成像法。由于X射線法不可避免存在有輻射的問題，因此，在工程實(shí)際應(yīng)用過程中，需要主要輻射的防護(hù)。

3.3 沖擊回波法

沖擊回波無損檢測法，是以應(yīng)力波傳播為基礎(chǔ)的一種無損檢測法。目前，關(guān)于沖擊回波法檢測灌漿套筒密實(shí)度的研究已經(jīng)較為成熟，由于其現(xiàn)場操作方便，在工程實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。但是，對(duì)于一些結(jié)構(gòu)形式，如鋼筋套筒居中布置的試件，會(huì)導(dǎo)致沖擊回波法對(duì)套筒密實(shí)的定量結(jié)果產(chǎn)生誤差，而鋼筋套筒雙排布置試件，沖擊回波法甚至無法檢測出套筒灌漿的密實(shí)度[15]。

沖擊回波無損檢測法有較強(qiáng)的工程實(shí)際應(yīng)用性，但是仍需要對(duì)檢測的方式和檢測設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)和提升，以達(dá)到提高檢測準(zhǔn)確度的目的。

4 結(jié)論

在已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)下，建立了有限元數(shù)值模型，以不同密實(shí)度作為鋼筋套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)參數(shù)，分析了密實(shí)度對(duì)其受力性能的影響，并梳理總結(jié)了工程中常用的無損檢測方法，得出以下結(jié)論：

(1)以本文模型計(jì)算為例，當(dāng)套筒灌漿的密實(shí)度為50%和80%時(shí)，其破壞模式為鋼筋被拉出，不能發(fā)揮鋼筋套筒灌漿連接節(jié)點(diǎn)的受拉能力，可見灌漿料密實(shí)度對(duì)于連接的重要性。

(2)通過本文計(jì)算模型，并結(jié)合現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)套筒灌漿的密實(shí)度為90%、95%和 100%時(shí)，其破壞模式均為鋼筋拉斷破壞。這三種密實(shí)度都較好地發(fā)揮了鋼筋灌漿套筒連接的受力性能。但是隨著密實(shí)度的降低，連接節(jié)點(diǎn)的承載力也降低，從100%到95%，降低了3.5%；從100%到90%，降低了7%。由此可見，密實(shí)度的變化，對(duì)極限承載力的影響較為明顯。

(3)套筒灌漿密實(shí)度無損檢測方法，有預(yù)埋傳感器法、X射線法、沖擊回波法等，可根據(jù)工程遇到的實(shí)際情況，選擇使用上述無損檢測方法，從而達(dá)到控制套筒灌漿施工質(zhì)量的目的。