顧 盛，劉 佳，舒 斌，張國柱，張 軍

（1.昆山市建設工程質(zhì)量檢測中心，江蘇 昆山 215337；2.建研院檢測中心有限公司，北京 100013；3.蘇州科技大學土木工程學院，江蘇 蘇州 215011）

0 引言

建筑火災產(chǎn)生的高溫會使材料性能發(fā)生劣化［1］，高溫后的建筑結構及構件安全性也會因此受到影響，整體性能變差［2］。作為一種在預制裝配式混凝土結構中廣泛使用的鋼筋連接方式，鋼筋套筒灌漿連接在高溫后的性能會嚴重影響預制裝配式建筑的整體性能［3，4］，因此，鋼筋套筒灌漿連接在高溫下及高溫后的力學性能需得到廣泛關注。近年來，國內(nèi)外學者對裝配式結構鋼筋連接節(jié)點在高溫下及高溫后的性能展開了系列研究［5-7］，但仍有很多不足。本文通過對不同鋼筋直徑、不同溫度作用后的套筒灌漿連接的受力性能展開研究，計算得出反復拉壓作用下試件的極限荷載、鋼筋與灌漿料之間的極限粘結強度，綜合分析鋼筋直徑、溫度對套筒灌漿連接試件破壞模式、極限承載力、鋼筋與灌漿料之間粘結強度影響的規(guī)律。本文研究成果可為類似高溫后預制裝配式結構節(jié)點的性能研究提供參考。

1 試驗準備

1.1 試件設計及制作

本試驗中，試件所用鋼筋均為熱軋帶肋鋼筋，強度等級為 HRB400，直徑分為 16、20、25 mm 3 種。鋼筋的長度根據(jù)升溫時高溫爐上下兩個夾具之間的距離來定，高溫試驗爐上下兩夾具之間的距離為 960 mm，因此鋼筋套筒灌漿連接中每一段鋼筋的長度為 480 mm。試件所采用的全灌漿套筒為某公司生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼套筒，根據(jù)所插入鋼筋的直徑（16、20 和 25 mm），該套筒分為 3 種型號。灌漿料為北京中德新亞建筑技術有限公司的 CGM 鋼筋連接用套筒灌漿料。

試件按照 JGJ 355-2015［8］《鋼筋套筒灌漿連接應用技術規(guī)程》進行加工制作，如圖1 所示，試件設計如表1 所示。試驗中，考慮每種型號試件在 6 個不同溫度點（20、200、300、400、500、600 ℃）下的受力性能，共加工試件 18 個。

圖1 鋼筋套筒灌漿連接試件示意圖

表1 試件列表

1.2 升溫裝置及升降溫制度

升溫試驗采用數(shù)控高溫試驗爐進行試驗，最高可加熱至 1 000 ℃，該高溫爐與萬能試驗機組成一體，萬能試驗機在此主要起到固定試件的作用，加熱時只固定試件上部，下部放松呈懸空狀態(tài)，以防止其在升溫時產(chǎn)生溫度應力，高溫試驗爐如圖2 所示。

圖2 高溫試驗爐

高溫試驗爐上中下 3 處均裝有熱電偶，實時測量高溫爐加熱時爐膛上中下 3 處的溫度。升溫時為使套筒灌漿試件內(nèi)外部都能達到預定溫度，在升至預定溫度后，需恒溫一定時間。升溫時以 10 ℃/min 的速率均勻升溫，升溫至預定溫度后恒溫1 h，認為試件內(nèi)外部均已達到預定溫度，然后關閉并打開高溫試驗爐，待試件冷卻至室溫后取下，升溫曲線如圖3 所示。升溫試驗在 2020 年 11 月進行，室內(nèi)溫度約為 15 ℃。

圖3 升溫曲線

1.3 升降溫過程

升溫及恒溫過程中，爐內(nèi)不時傳出灌漿料受熱膨脹后受到外部套筒約束而崩裂的“嘭嘭”聲，出現(xiàn)時試件所處溫度較為隨機，冷卻后用紅筆描出裂紋，如圖4 所示。升溫至 500 ℃ 時，爐內(nèi)傳出套筒與鋼筋受熱發(fā)出的刺激性氣味。加熱完畢撤去保溫巖棉后，試件夾具表面可見灌漿料加熱過程出析出的水滴。

圖4 高溫后灌漿料

加熱完畢后打開爐門，試件自然冷卻至常溫。3 種尺寸試件均呈現(xiàn)出與常溫時不同的表面特征。如圖5 所示，隨著溫度的升高，套筒顏色變暗，呈現(xiàn)類似鐵銹的紅褐色，且表面有略微的起皮。

圖5 套筒表面變色、起皮

2 反復拉壓試驗

循環(huán)加載試驗采用高應力反復拉壓方式，使用微機控制電液伺服萬能試驗機 SHT5106-P（立柱，活塞均加高 500 mm）進行加載，加載時，試件上部為灌漿端，該端隨試驗機夾具移動，下部為出漿端，該端固定，循環(huán)荷載試驗加載裝置如圖6 所示，試驗中試驗機自帶的力傳感器與位移傳感器也均能滿足試驗精度要求，所測位移值為上下兩端夾頭之間的分離位移。加載制度見式（1）：

圖6 循環(huán)加載試驗裝置圖

式中：fyk為鋼筋屈服強度標準值。

試驗中的力與位移數(shù)值均由儀器自帶的傳感器測得，并傳輸?shù)接嬎銠C。

3 試驗結果分析

3.1 破壞過程及模式

高應力反復拉壓試驗加載過程中，大部分試件在鋼筋斷裂或鋼筋與灌漿料滑移之前沒有明顯的變化，個別試件在荷載第一次上升到循環(huán)荷載峰值并下降時伴有一聲清脆的響聲。

3.1.1 D16試件組

D16-T20、D16-T200、D16-T300、D16-T400、D16-T500 試件最終破壞模式為鋼筋斷裂。D16-T20 試件破壞后漿端出現(xiàn)了較為清晰的徑向裂紋，從灌漿端部分灌漿料脫落后，清晰可見灌漿料中白色顆粒狀物質(zhì)，此為常溫下灌漿料內(nèi)部真實形態(tài)，如圖7（a）所示。D16-T200、D16-T300 試件出漿端灌漿料不再呈現(xiàn)完整裂紋，溫度越高，被震落的灌漿料則越多，如圖7（b）、（c）所示。D16-T400 試件在最后被拉斷的瞬間，先前循環(huán)時所出現(xiàn)的灌漿料裂紋突然崩裂，出漿端鋼制墊片在被取下后，其內(nèi)部灌漿料碎塊呈小石塊狀，如圖7（d）所示。D16-T500 試件灌漿料也有一條深度較深的裂紋，其靠近鋼筋表面處灌漿料的破壞面開始呈現(xiàn)出錐形，出漿端灌漿料靠近端口部分已與套筒壁脫離，如圖7（e）所示。

圖7 D16 試件組破壞形態(tài)

D16-T600 試件最終破壞模式為鋼筋與灌漿料的粘結滑移破壞。灌漿料呈塊狀脫離，內(nèi)部呈錐形，在鋼筋與灌漿料滑移的過程中有兩者摩擦的聲音，試件滑移端的鋼筋橫肋間附有較多一觸即落的白色粉末狀灌漿料，如圖7（f）所示。

3.1.2 D 20 試件組

試件 D20-T20、D20-T200、D20-T300 最終破壞模式為鋼筋斷裂。由圖8（a）～（c）可知，隨著溫度升高，試件的灌漿端灌漿料破壞面由淺至深，錐形破壞面越來越明顯，灌漿料破壞表面與鋼筋貼合處空隙越來越大。

試件 D20-T400、D20-T500、D20-T600 的破壞模式為鋼筋與灌漿料之間的粘結滑移破壞，充分說明受高溫作用使得試件鋼筋與灌漿料之間的粘結性能有一定的劣化。如圖8（d）～（f）所示，D20-T400 試件非滑移端有一灌漿料蓋面在最后拉伸作用下被拉出，保存較為完整?；贫虽撝茐|片并未掉落，鋼筋縱橫肋間殘留少量灌漿料粉末，滑移時大部分灌漿料仍呈塊狀。較高溫度作用后灌漿料在反復荷載作用下變得更加松散。試件 D20-T500 破壞時套筒端部的灌漿料呈塊狀脫落；試件 D20-T600 灌漿料性能劣化相當嚴重，灌漿料除發(fā)生塊狀脫落外還發(fā)生片狀脫落，鋼筋縱橫肋間殘留大量灌漿料粉。

圖8 D20 試件組破壞形態(tài)

3.1.3 D25 試件組

試件 D25-T20 最終破壞模式為鋼筋斷裂，與較小鋼筋直徑試件相比，破壞時其出漿端灌漿料裂紋更寬大，如圖9（a）所示。試件 D25-T200 在鋼筋屈服階段發(fā)生了夾具與鋼筋之間的滑移，如圖9（b）所示。試件D25-T300 與 D25-T400 發(fā)生了套筒外鋼筋拉斷破壞，如圖9（c）～（d）所示。試件 D25-T500、D25-T600 的破壞模式為鋼筋與灌漿料之間的粘結滑移破壞，且破壞后后者的灌漿料更細碎，如圖9（e）～（f）所示。

圖9 D25 試件組破壞形態(tài)

3.2 承載力與極限粘結強度

3 種尺寸試件在反復拉壓作用下的極限承載力及鋼筋與灌漿料間的極限粘結強度等如表2 所示。

由表2 可知，鋼筋的直徑越大，破壞時的極限荷載越大，鋼筋與灌漿料間的極限粘結強度越大。3 種試件的極限承載力在溫度低于 400 ℃ 時變化不大，溫度達到 500 ℃ 時呈現(xiàn)下降趨勢；而鋼筋與灌漿料間的粘結強度受溫度影響的作用更明顯，在溫度達到 400 ℃ 時，3 種試件的極限粘結強度便呈現(xiàn)下降趨勢。

表2 3 種試件的承載力與極限粘結強度

4 結論

本文針對高溫后的鋼筋套筒灌漿連接試件，在不同直徑、不同溫度作用下進行了高應力反復拉壓試驗，比較分析了不同鋼筋直徑、不同溫度點對套筒灌漿連接試件承載力、破壞模式的影響，主要結論如下。

1）試件呈現(xiàn)兩種破壞模式。套筒外鋼筋拉斷破壞和鋼筋與灌漿料粘結滑移破壞，試件的破壞模式隨著溫度的升高逐漸由套筒外鋼筋拉斷破壞變?yōu)殇摻钆c灌漿料之間的粘結滑移破壞，但不同直徑試件破壞模式發(fā)生改變的臨界溫度并不相同。

2）試件極限承載力隨溫度的升高略有降低，當溫度高于 500 ℃ 時較明顯。

3）鋼筋與灌漿料之間的極限粘結強度隨溫度升高呈下降趨勢，當極限粘結強度小于鋼筋抗拉強度時，試件會發(fā)生粘結滑移破壞。Q