苗吉軍，劉遠(yuǎn)霖，劉才瑋，劉延春，彭婷婷

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，青島 266520)

灌漿套筒連接接頭作為裝配式建筑常用的連接方式，自問(wèn)世以來(lái)在土木工程各個(gè)領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用[1-4]，對(duì)于裝配式構(gòu)件的各項(xiàng)性能中外相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了深入研究。黃朗等[5]研究發(fā)現(xiàn)底部套筒連接裝配式柱構(gòu)件抗震性能與螺栓連接裝配式柱相當(dāng)，但后期剛度退化相對(duì)較小，延性更好；提高縱筋配筋率可以提高構(gòu)件承載力及延性，增大軸壓比雖有利于提高承載力但會(huì)削弱構(gòu)件延性[6]。存在灌漿缺陷的裝配式柱構(gòu)件，由于黏結(jié)強(qiáng)度不足會(huì)造成塑性鉸上移，剛度退化[7]。套筒連接裝配式多跨框架結(jié)構(gòu)邊節(jié)點(diǎn)，中節(jié)點(diǎn)地震破壞模式與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相似，抗震性能良好[8-9]。裝配式剪力墻構(gòu)件抗震性能可以實(shí)現(xiàn)等同現(xiàn)澆，當(dāng)灌漿不足導(dǎo)致錨固長(zhǎng)度降低時(shí)，破壞模式會(huì)由墻底兩側(cè)混凝土剝落變?yōu)樘淄矃^(qū)鋼筋拔出，承載力及延性嚴(yán)重退化[10-11]。

盡管灌漿套筒連接裝配式構(gòu)件性能研究已經(jīng)有了廣泛開(kāi)展，但套筒接頭試件力學(xué)性能尚無(wú)明確計(jì)算方法。在實(shí)際工程應(yīng)用中通常采取控制構(gòu)件尺寸，限制鋼筋錨固長(zhǎng)度下限值等措施保證構(gòu)件破壞時(shí)發(fā)生套筒外鋼筋拉斷破壞以此確保試件承載力滿足要求。但在實(shí)際工程應(yīng)用中套筒形式多樣；新型灌漿料種類繁多，這就造成了理論發(fā)展與實(shí)際工程應(yīng)用的脫節(jié)。此外施工過(guò)程外部擾動(dòng)，構(gòu)件外部環(huán)境如火災(zāi)高溫，海水侵蝕以及低溫凍融等會(huì)使套筒試件處于帶缺陷工作狀態(tài)，削弱構(gòu)件承載力，發(fā)生連接鋼筋拔出破壞，大大降低結(jié)構(gòu)使用壽命；若節(jié)點(diǎn)區(qū)發(fā)生破壞，嚴(yán)重危害結(jié)構(gòu)魯棒性甚至?xí)l(fā)生連續(xù)性倒塌事故。故在現(xiàn)有單因素研究基礎(chǔ)上開(kāi)展試件多因素耦合研究及其必要，參考中外相關(guān)文獻(xiàn)總結(jié)不同影響因素對(duì)接頭試件性能的影響，匯總不同因素下接頭試件性能及相應(yīng)理論計(jì)算公式，為后期裝配式結(jié)構(gòu)多因素耦合條件下性能研究，力學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考，為裝配式建筑的推廣應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1 套筒灌漿料

灌漿套筒用灌漿料具有早強(qiáng)，快硬，微膨脹的特性，同時(shí)為確保施工灌注質(zhì)量要有良好的流動(dòng)性。JG/T 408—2019《鋼筋連接用套筒灌漿料》灌漿料不同齡期抗壓強(qiáng)度，初始及30 min流動(dòng)度，24 h膨脹率規(guī)定如表1所示。為適應(yīng)裝配式建筑發(fā)展，提高灌漿套筒接頭性能，中外學(xué)者對(duì)提高灌漿料性能及研發(fā)新型高強(qiáng)灌漿料進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究，不同因素對(duì)灌漿料性能指標(biāo)影響及新型灌漿料研發(fā)匯總?cè)缦隆?/p>

表1 套筒灌漿料性能指標(biāo)Table 1 Sleeve grout performance index

1.1 灌漿料組分

漿料自身組分，不同摻量，配合比以及外加劑均會(huì)對(duì)灌漿料各項(xiàng)性能產(chǎn)生影響。灌漿料內(nèi)部不含粗骨料尺寸效應(yīng)不明顯。常用的硅酸鹽水泥強(qiáng)度較好，但硫鋁酸鹽水泥早期水化反應(yīng)生成的鈣礬石可以提高早期強(qiáng)度，且不影響流動(dòng)度及膨脹率[12]。水膠比對(duì)漿料的各項(xiàng)性能均有較大影響，水膠比增大流動(dòng)度雖有增加但早期水化不完全強(qiáng)度會(huì)有所降低，且過(guò)高時(shí)會(huì)出現(xiàn)泌水離析現(xiàn)象，大直徑試件尤其敏感，建議取值0.25左右。骨料級(jí)配增加可以提高早期強(qiáng)度但流動(dòng)度會(huì)有所下降，以金剛砂細(xì)骨料取代河砂可以提高漿料抗壓強(qiáng)度。膠砂比提高可以增加漿料流動(dòng)度，減小會(huì)使骨料因包裹不充分而產(chǎn)生空隙降低抗壓強(qiáng)度。礦物摻合料選用9%摻量礦渣粉對(duì)灌漿料各項(xiàng)指標(biāo)均有有利影響[13-17]。

1.2 外加劑

為確保套筒灌漿料與筒壁以及鋼筋之間具有良好的錨固性能，常外加膨脹劑使?jié){料體積膨脹，因膨脹變形受筒壁約束處于受壓狀態(tài)從而一定程度上可以提高抗拉強(qiáng)度。不同膨脹劑摻量及膨脹相組分對(duì)漿料性能影響不同，摻量過(guò)高漿料體積穩(wěn)定性差；如圖1、圖2所示，以MgO為膨脹相的MEA(magnesium expansion agent)膨脹劑在增加膨脹率的同時(shí)會(huì)在漿料內(nèi)部產(chǎn)生空隙削弱漿料強(qiáng)度，相比之下膨脹相為硫鋁酸鈣及石膏的SCA(sulfate cement expansion agent)膨脹劑生成膠結(jié)能力更好的鈣礬石，同摻量下具有更好的強(qiáng)度[18-19]。此外不同養(yǎng)護(hù)條件下漿料體積變化亦有所不同，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下發(fā)生膨脹變形；自干燥養(yǎng)護(hù)及干燥養(yǎng)護(hù)均發(fā)生收縮變形且前者后期收縮趨于減小。實(shí)際工程應(yīng)用中，漿料在套筒內(nèi)部的養(yǎng)護(hù)條件更接近于自干燥養(yǎng)護(hù)，適當(dāng)提高養(yǎng)護(hù)溫度可以提高灌漿料強(qiáng)度以及接頭試件承載力[19-21]。

圖1 氫氧化鎂晶體微觀形貌[18] Fig.1 Microscopic morphology of magnesium hydroxide crystals[18]

圖2 鈣礬石微觀形貌[18]Fig.2 Microscopic morphology of calcareous alumina[18]

套筒用灌漿料早期強(qiáng)度對(duì)試件承載力同樣重要，早期強(qiáng)度高可以減弱外部振動(dòng)對(duì)試件的影響，通過(guò)添加早強(qiáng)劑加快水化進(jìn)程可以提高漿料早期強(qiáng)度，但自由水減少會(huì)降低流動(dòng)度。針對(duì)離析泌水現(xiàn)象，添加摻量不超過(guò)0.005%的穩(wěn)定劑可以在材料內(nèi)部生成聚合物增加內(nèi)聚力減小對(duì)漿料強(qiáng)度的影響；減水劑摻量對(duì)漿料強(qiáng)度的影響呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，對(duì)于萘系減水劑及聚羧酸減水劑其強(qiáng)度峰值對(duì)應(yīng)的摻量分別為0.9%及0.6%[22-24]。

1.3 新型灌漿料

隨著新型材料的研制與開(kāi)發(fā)，為提高灌漿料性能新型灌漿料應(yīng)運(yùn)而生。對(duì)于摻入纖維的灌漿料來(lái)說(shuō)，纖維種類，長(zhǎng)度及摻量均會(huì)對(duì)漿料各項(xiàng)指標(biāo)產(chǎn)生影響。根據(jù)聚丙烯纖維(PP)，聚乙烯醇纖維(PVA)，玄武巖纖維(BF)[25-28]不同長(zhǎng)度及摻量對(duì)漿料性能及接頭試件抗拉強(qiáng)度的影響，確定最優(yōu)長(zhǎng)度、摻量以及對(duì)應(yīng)接頭試件的最小錨固長(zhǎng)度如表2所示；纖維的摻入提高了試件承載力，增加了接頭韌性，降低錨固長(zhǎng)度，可為后期工程應(yīng)用提供依據(jù)。

表2 不同纖維最佳用量Table 2 Optimal amount of different fibers

提高漿料強(qiáng)度可以提高試件極限承載力及黏結(jié)強(qiáng)度，超微細(xì)無(wú)機(jī)材料納米二氧化硅具有火山灰效應(yīng)，物理填充效應(yīng)以及晶核效應(yīng)，加入灌漿料中可以制備出28 d抗壓強(qiáng)度170.5 MPa的高強(qiáng)灌漿料[29]。以銅礦開(kāi)采產(chǎn)生的銅尾礦渣取代天然砂，堿礦渣水泥為膠凝材料，加入粉煤灰漂珠，制備的新型環(huán)保灌漿料，其早期水化掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)圖如圖3所示，由此可知新型環(huán)保型灌漿料早齡期結(jié)構(gòu)致密，具有較好的早期強(qiáng)度[30]。

圖3 新型環(huán)保材料早齡期SEM圖Fig.3 SEM diagram of the early age of the new environmentally friendly material

套筒接頭試件在受拉過(guò)程中，超過(guò)灌漿料抗拉強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生受拉裂縫，隨荷載增加裂縫不斷發(fā)展，加入3%摻量的以尿素-甲醛包裹E-51型環(huán)氧樹脂膠囊自愈材料，利用漿料受拉裂縫激發(fā)材料發(fā)揮作用可以有效提高試件極限承載力及位移[31-32]。

對(duì)于已知漿料強(qiáng)度和套筒構(gòu)造尺寸，Cao等[13]推導(dǎo)出試件極限承載力計(jì)算公式,即

(1)

式(1)中：L為鋼筋錨固長(zhǎng)度，mm；db為鋼筋直徑,mm；fm為灌漿料28 d抗壓強(qiáng)度測(cè)試值,MPa；dsi為套筒內(nèi)部剪力鍵間距,mm；fn為套筒與灌漿料之間圍壓，MPa。

對(duì)于灌漿料對(duì)試件黏結(jié)強(qiáng)度的影響，黃遠(yuǎn)等[33]參考鋼筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算方法，依據(jù)圖4計(jì)算模型，其中Tsl表示套筒環(huán)向壓力；擬合出全灌漿套筒黏結(jié)強(qiáng)度τu計(jì)算公式，即

圖4 灌漿套筒約束應(yīng)力模型Fig.4 Grouting sleeve constraint stress model

(2)

(3)

式中：fg為灌漿料抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值，MPa；un為鋼筋灌漿料黏結(jié)強(qiáng)度；D為套筒內(nèi)徑，mm；t為套筒壁厚，mm；εsl為套筒環(huán)向應(yīng)變；Esl為套筒彈性模量。由式(1)及式(2)可知提高套筒灌漿料強(qiáng)度可以提高試件極限承載力及黏結(jié)強(qiáng)度。

1.4 小結(jié)

現(xiàn)有研究以灌漿料強(qiáng)度、流動(dòng)度及膨脹率為指標(biāo)，確定了適用于工程應(yīng)用的最優(yōu)配比，并制備出了兼具早強(qiáng)，流動(dòng)度高，膨脹性好的優(yōu)質(zhì)灌漿料。為推動(dòng)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換，發(fā)展綠色環(huán)保經(jīng)濟(jì)，結(jié)合環(huán)保發(fā)展理念，合理利用廢棄資源，參考現(xiàn)有再生混凝土，銅礦渣，礦渣灰取代混凝土組分的研究進(jìn)展，制備新型環(huán)保型灌漿料將是未來(lái)研究的重點(diǎn)。此外，現(xiàn)有灌漿料養(yǎng)護(hù)條件均為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件，但實(shí)際工程中漿料所處養(yǎng)護(hù)環(huán)境為自干燥養(yǎng)護(hù)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)此養(yǎng)護(hù)條件下漿料性能的研究。且現(xiàn)有不同灌漿料組分各異，關(guān)于灌漿料本構(gòu)關(guān)系尚無(wú)明確定論，在有限元模擬中通常按照高強(qiáng)混凝土本構(gòu)進(jìn)行模擬，這就造成了模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異，限制了裝配式建筑進(jìn)一步發(fā)展；未來(lái)解決灌漿料本構(gòu)關(guān)系將是重中之重。為進(jìn)一步規(guī)范灌漿料的使用，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有研究進(jìn)展，將新型纖維灌漿料，高強(qiáng)灌漿料等納入規(guī)范指導(dǎo)中來(lái)，提供相應(yīng)參考數(shù)據(jù)，為在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用提供支持。

2 灌漿套筒與連接鋼筋

2.1 灌漿套筒

灌漿套筒連接用套筒通常由球墨鑄鐵及冷軋鋼材制成，按其形式可分為標(biāo)準(zhǔn)型，異徑型，正反絲型及擴(kuò)口型四種；從其構(gòu)造又可分為全灌漿套筒及半灌漿套筒兩類如圖5所示。

圖5 灌漿套筒示意圖Fig.5 Diagram of grouting sleeve

作為灌漿套筒連接的約束構(gòu)件，套筒通過(guò)約束內(nèi)部漿料及鋼筋在承受荷載過(guò)程中的變形為接頭提供粘結(jié)強(qiáng)度。JG/T 163—2013《鋼筋機(jī)械連接用套筒》對(duì)套筒尺寸，不同加載制度下最大伸長(zhǎng)率、破壞形式及型式檢驗(yàn)方法給出了參考。但未給出套筒不同種類及同種類套筒不同尺寸構(gòu)造對(duì)力學(xué)性能的影響，內(nèi)容相對(duì)比較籠統(tǒng)；且近幾年灌漿套筒形式，構(gòu)造及連接方式有了新的發(fā)展，為推廣應(yīng)用有必要將其納入規(guī)范指導(dǎo)之內(nèi)。參考中外相關(guān)研究成果分析總結(jié)灌漿套筒自身構(gòu)造對(duì)試件性能的影響，為提高灌漿套筒承載力提供依據(jù)，同時(shí)針對(duì)國(guó)內(nèi)外套筒發(fā)展形勢(shì)，介紹相應(yīng)新型套筒發(fā)展情況。

2.2 灌漿套筒對(duì)試件力學(xué)性能影響

對(duì)于灌漿料與套筒的約束應(yīng)力主要由套筒對(duì)漿料膨脹的約束力以及內(nèi)部抗剪鍵與漿料的機(jī)械咬合力組成。灌漿套筒在單向拉伸過(guò)程中，鋼筋月牙肋與灌漿料發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，肋前受壓，肋后受拉，當(dāng)超過(guò)灌漿料抗壓強(qiáng)度時(shí)會(huì)產(chǎn)生裂縫，隨荷載繼續(xù)增加，裂縫不斷向內(nèi)向外擴(kuò)展，直到與套筒剪力鍵相交，最后發(fā)生破壞。剪力鍵間距及數(shù)量是影響接頭強(qiáng)度的主要因素，通常來(lái)說(shuō)灌漿料與套筒接觸面最不利位置在受拉端第一個(gè)抗剪鍵，當(dāng)其數(shù)目過(guò)多時(shí)，不能全部發(fā)揮抗剪效應(yīng)。抗剪鍵間距在25 mm左右為宜，過(guò)小時(shí)相鄰抗剪鍵之間漿料體積少，易發(fā)生劈裂破壞[34]。對(duì)于套筒尺寸對(duì)試件承載力的影響，參考鋼管混凝土以含鋼率為指標(biāo)評(píng)判試件受力性能[35]，即

(4)

式(4)中：As為鋼筋截面面積，mm2；Ac為混凝土截面面積，mm2；R為套筒內(nèi)徑，mm；t為套筒壁厚，mm。結(jié)果表明，含鋼率在13.78%～18.51%內(nèi)對(duì)試件強(qiáng)度的影響規(guī)律性不強(qiáng)。但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不存在缺陷的套筒試件，拉伸性能均滿足規(guī)范對(duì)Ⅰ級(jí)接頭的要求。全灌漿套筒與半灌漿套筒最不利位置分別為試件中部及出漿口位置，但均未發(fā)生套筒拉斷破壞，幾乎全過(guò)程處于彈性階段，說(shuō)明套筒構(gòu)造在滿足規(guī)范的前提下，整體性能滿足要求。

對(duì)于如圖6所示由光滑段及含剪力鍵的變形段組成的半灌漿套筒試件；光滑段黏結(jié)應(yīng)力由化學(xué)膠結(jié)力及摩擦力組成；變形段主要為機(jī)械咬合力。

圖6 半灌漿套筒連接接頭Fig.6 Semi-grouted sleeve connection joint

對(duì)此王占文等[36]推導(dǎo)出不同位置處黏結(jié)應(yīng)力計(jì)算公式為

(5)

(6)

(7)

式中：L3為光滑段長(zhǎng)度，mm；A為套筒橫截面積，mm2；D為套筒內(nèi)徑，mm；L4為變形段長(zhǎng)度，mm；Pu為極限承載力，kN；εs為光滑段中部應(yīng)變與端部應(yīng)變差值；E為套筒彈性模量。

2.3 新型灌漿套筒

為進(jìn)一步提高灌漿套筒性能，提高裝配式建筑使用率，研發(fā)易于制作，連接性能優(yōu)良的新型連接套筒是當(dāng)下研究熱點(diǎn)。Ling等[37-38]研究發(fā)現(xiàn)錨固長(zhǎng)度9d的鋼管、方形空心管材及鋁制套管制成的套筒，在單向拉伸試驗(yàn)下均發(fā)生套筒外鋼筋拉斷破壞。Henin等[39]對(duì)內(nèi)壁帶螺紋的拼接套管開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，錨固長(zhǎng)度不大于8d時(shí)試件具有較好的力學(xué)表現(xiàn)。鄭永峰等[40]利用低合金無(wú)縫鋼管研發(fā)出新型變形灌漿套筒(grouted deformed pipe splice,GDPS)如圖7所示。單向拉伸試驗(yàn)相關(guān)性能滿足要求，偏心試件水平偏心率小于10%滿足I級(jí)接頭要求，在純拉伸下彎矩與軸力的關(guān)系為[41]

圖7 GDPS套筒Fig.7 GDPS sleeve

(8)

式(8)中：M為彎矩，kN·m；Mu為彎矩理論值，kN·m；N為軸力，kN；Nu為軸力理論值，kN。

相比于常規(guī)套筒，新型套筒降低了臨界錨固長(zhǎng)度；堆焊焊接及冷軋的制作方法相較于常見(jiàn)的鑄造方式大大簡(jiǎn)化了施工工藝，節(jié)約了制作成本，具有良好的工程應(yīng)用前景。

為減少試件插接對(duì)中誤差，余瓊等[42-43]提出灌漿套筒采用鋼筋搭接的連接方式(圖8)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證搭接試件與相同錨固長(zhǎng)度對(duì)接試件相比，具有更好的承載力，伸長(zhǎng)率及剛度，可在今后裝配式建筑中推廣使用。

圖8 套筒灌漿搭接接頭示意圖Fig.8 Schematic diagram of sleeve grouting lap joint

2.4 連接鋼筋

灌漿套筒連接鋼筋直徑及錨固長(zhǎng)度直接影響接頭試件性能。對(duì)于全灌漿套筒試件單向拉伸試驗(yàn)主要發(fā)生套筒外鋼筋拉斷，鋼筋拔出兩種破壞模式，對(duì)于半灌漿套筒試件還可能發(fā)生螺紋端破壞，故套筒試件極限承載力為鋼筋屈服強(qiáng)度，黏結(jié)強(qiáng)度以及螺紋抗拉強(qiáng)度三者中的最小值。控制螺紋端機(jī)械螺紋連接嚙合長(zhǎng)度不小于1.5倍的連接鋼筋直徑可以避免半灌漿套筒試件發(fā)生螺紋端破壞。對(duì)于鋼筋直徑d及錨固長(zhǎng)度L對(duì)試件極限承載力的影響，以x=L/d為參數(shù)，Liu等[44]擬合出全灌漿套筒試件極限承載力計(jì)算公式，即

Pu=-24 936.6e-x+166.66

(9)

對(duì)于半灌漿套筒試件，針對(duì)試件鋼筋拉斷及鋼筋拔出兩種破壞模式可將其極限承載力[45]表示為

(10)

式(10)中：fu為鋼筋屈服強(qiáng)度，MPa；fc0為套筒對(duì)灌漿料約束應(yīng)力，MPa；由式(9)及式(10)可以得出，試件極限承載力隨錨固長(zhǎng)度增加而增加，對(duì)于鋼筋拉斷破壞試件，直徑增加可以提高極限承載力。為防止發(fā)生鋼筋拔出破壞，Huang等[45]建議錨固長(zhǎng)度最小值L2計(jì)算式為

(11)

式(11)中：fu為鋼筋屈服強(qiáng)度，MPa。

鋼筋直徑及錨固長(zhǎng)度對(duì)試件黏結(jié)強(qiáng)度的影響不同于極限承載力，增加鋼筋直徑，漿料厚度相對(duì)降低，套筒對(duì)漿料約束增強(qiáng)，黏結(jié)應(yīng)力及極限承載力均有所增加；但增加錨固長(zhǎng)度雖然提高了試件極限承載力，但試件高應(yīng)力集中區(qū)仍在灌漿段相對(duì)較小范圍內(nèi)，黏結(jié)力分布不均勻，自由端粘結(jié)應(yīng)力小，從而造成平均黏結(jié)應(yīng)力減小[33,35,46-48]。

此外在安裝過(guò)程中，鋼筋在套筒內(nèi)部常因外部擾動(dòng)而處于偏心狀態(tài)，包括水平偏心及斜偏心兩種，如圖9所示分別以偏心率e及偏心角β衡量試件偏心程度。偏心試件在受拉過(guò)程中會(huì)有對(duì)中趨勢(shì)，增加了屈服與極限位移，當(dāng)偏心角小于3°時(shí)對(duì)試件屈服及極限承載力影響較小。但偏心使套筒應(yīng)變不再均勻，對(duì)于水平偏心試件，靠近鋼筋一側(cè)套筒應(yīng)變大；偏心試件應(yīng)變隨套筒壁與鋼筋距離增加而減小，斜偏心對(duì)試件的影響大于水平偏心[49-51]。

圖9 套筒內(nèi)部鋼筋偏心示意圖[49]Fig.9 Schematic diagram of the eccentricity of the reinforcement inside the sleeve[49]

2.5 小結(jié)

現(xiàn)有研究針對(duì)常用的全灌漿套筒及半灌漿套筒構(gòu)造及尺寸對(duì)試件承載力的影響進(jìn)行了研究，并給出了對(duì)應(yīng)的黏結(jié)強(qiáng)度及極限承載力計(jì)算公式，為后期裝配式構(gòu)件實(shí)際工程應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。但現(xiàn)有承載力計(jì)算公式的推導(dǎo)通常只針對(duì)特定的試驗(yàn)，樣本數(shù)目少普適性較差，尚未形成業(yè)界公認(rèn)的計(jì)算理論，后續(xù)研究可以將套筒不同構(gòu)造措施以影響系數(shù)的形式進(jìn)行考慮，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善裝配式建筑理論計(jì)算方法。

連接鋼筋錨固長(zhǎng)度是影響試件承載力的主要因素，相關(guān)研究給出了連接鋼筋最小錨固長(zhǎng)度計(jì)算式，同時(shí)規(guī)范也對(duì)套筒試件錨固長(zhǎng)度最小值進(jìn)行了限制；規(guī)范值相對(duì)試驗(yàn)值偏大，具有較好的安全儲(chǔ)備。針對(duì)裝配式建筑安裝過(guò)程中鋼筋易受擾動(dòng)而處于偏心的情形，相關(guān)研究給出了不同偏心情況對(duì)試件承載力的影響。針對(duì)鋼筋偏心情況后期工程應(yīng)用中應(yīng)采取一定措施或研發(fā)相關(guān)儀器對(duì)連接鋼筋進(jìn)行保護(hù)處理，防止鋼筋偏心或銹蝕。此外應(yīng)加強(qiáng)對(duì)高強(qiáng)連接筋的實(shí)驗(yàn)研究，充分發(fā)揮材料性能，進(jìn)一步提高灌漿套筒試件承載力。

3 構(gòu)件性能外部影響因素

3.1 火災(zāi)高溫

建筑火災(zāi)對(duì)結(jié)構(gòu)承載力具有不利影響，火災(zāi)持續(xù)時(shí)間增加構(gòu)件溫度不斷升高，力學(xué)性能逐漸退化。目前灌漿套筒試件高溫下及高溫后性能研究相對(duì)于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)發(fā)展相對(duì)滯后，為探究溫度及升溫時(shí)間對(duì)灌漿套筒力學(xué)性能的影響，中外許多學(xué)者對(duì)試件高溫后承載力進(jìn)行研究，以期探索其高溫及高溫后性能，總結(jié)現(xiàn)有灌漿套筒試件高溫性能，為后續(xù)高溫與其他因素耦合如地震，氯鹽侵蝕，凍融循環(huán)等奠定基礎(chǔ)。

溫度影響試件破壞模式，600 ℃后試件強(qiáng)度變低單向拉伸試驗(yàn)發(fā)生鋼筋拔出破壞，變形較常溫下有所增加，但溫度低于600 ℃時(shí)，溫度對(duì)試件極限承載力影響較小，且高溫拉伸時(shí)套筒應(yīng)變處于彈性階段，全灌漿套筒中部，半灌漿套筒出漿口位置應(yīng)變最大，單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果基本滿足規(guī)范要求。繼續(xù)升溫結(jié)構(gòu)承載力急速下降，800 ℃時(shí)套筒表面已發(fā)生金相組織改變，氧化層剝落。套筒試件承載力下降主要是由鋼筋及漿料強(qiáng)度退化所致，溫度升高漿料內(nèi)部水分蒸發(fā)，漿料在套筒內(nèi)部受力狀態(tài)由三向受壓轉(zhuǎn)變?yōu)閮上蚴軌?，后期水分蒸發(fā)完全，強(qiáng)度降低變緩，高強(qiáng)水泥基灌漿料不同溫度下掃描電鏡圖如圖10所示。灌漿料抗壓強(qiáng)度隨溫度T變化計(jì)算式為

圖10 不同溫度試塊80倍掃描電鏡圖[54]Fig.10 Scanning electron micrographs of 80× specimen blocks at different temperatures[54]

(12)

式(12)中：fc為常溫下灌漿料28 d抗壓強(qiáng)度，MPa；在相同溫度下，增加持溫時(shí)間會(huì)降低試件承載力及剛度。大直徑及偏心試件對(duì)高溫更加敏感，相同溫度條件下黏結(jié)失效會(huì)提前出現(xiàn)[21,52-60]。

在單向拉伸，高應(yīng)力反復(fù)拉壓，大變形反復(fù)拉壓加載條件下，高溫套筒試件應(yīng)變?nèi)蕴幱趶椥苑秶鷥?nèi)，溫度不超過(guò)600 ℃時(shí)循環(huán)荷載對(duì)試件破壞模式無(wú)明顯影響[61]。

實(shí)際工程應(yīng)用中灌漿套筒試件屬于隱蔽工程，外部混凝土的存在延緩熱量傳遞，外包30 mm C35混凝土升溫后單向拉伸試驗(yàn)表明同溫度下，外包混凝土連接試件承載力更高，破壞位移更小[62]，通過(guò)回歸分析擬合出外包混凝土不同溫度下試件黏結(jié)強(qiáng)度及極限荷載計(jì)算公式為

(13)

(14)

式中：fcT為不同溫度下灌漿料抗壓強(qiáng)度；L為錨固長(zhǎng)度，mm。

高溫后試件冷卻方式同樣影響試件性能，噴水冷卻相對(duì)于自然冷卻，承載力降低，套筒應(yīng)變更加復(fù)雜無(wú)序，且鋼筋拔出破壞提前發(fā)生[63]，根據(jù)試件不同溫度下荷載位移曲線提出套筒滑移量X與溫度T的關(guān)系，即

X=0.339 69-6.897 4×10-4T+2.918 74×10-6T2

(15)

對(duì)于按ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進(jìn)行升溫實(shí)驗(yàn)，不同升溫時(shí)間試件經(jīng)歷的最高溫度直接影響接頭試件的極限承載力及破壞模式，隨升溫時(shí)間增加套筒內(nèi)灌漿料應(yīng)力狀態(tài)由三項(xiàng)受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾?，且斜向受壓帶消失，極限荷載降低。將不同溫度對(duì)試件承載力降低程度以折減系數(shù)α表示，不同溫度試件極限承載力FT為

FT=(1-α)Fu

(16)

(17)

式中：α為折減系數(shù)；Fu為常溫下試件極限承載力,kN[64-65]。

3.2 低溫凍融

JGJ 335—2015《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》要求灌漿料灌注不宜在5 ℃下施工，負(fù)溫條件下不能施工。但中國(guó)北方大多數(shù)地區(qū)冬季溫度在0 ℃以下，膠凝材料水化慢，漿料強(qiáng)度小，且內(nèi)部自由水受冷凝結(jié)膨脹會(huì)形成裂縫[66]，不能滿足強(qiáng)度及流動(dòng)度的要求[67]，為節(jié)省結(jié)構(gòu)施工周期有必要開(kāi)展低溫條件下灌漿套筒性能試驗(yàn)并研發(fā)適合低溫地區(qū)施工應(yīng)用的套筒灌漿料以促進(jìn)裝配式建筑發(fā)展。

硫酸鋁鹽水泥具有抗凍抗?jié)B的優(yōu)良特性，應(yīng)用于低溫區(qū)裝配式建筑具有巨大潛力[68-70]，為此顧旭東等[71]研發(fā)出硫酸鋁鹽水泥為膠凝材料，外摻0.65%緩凝劑，0.4%減水劑，28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)85 MPa的低溫型灌漿料，可以在低溫區(qū)推廣應(yīng)用。對(duì)由低溫灌漿料制作的試件模擬低溫養(yǎng)護(hù)條件，并進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，偏置單向拉伸試驗(yàn)，高應(yīng)力反復(fù)拉壓試驗(yàn)以及大變形反復(fù)拉壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足規(guī)范對(duì)接頭性能的要求，說(shuō)明低溫型灌漿料制備的套筒可以滿足低溫地區(qū)裝配式建筑應(yīng)用[72-77]。

此外低溫區(qū)凍融循環(huán)同樣會(huì)影響灌漿套筒性能，隨凍融次數(shù)增加，自由水不斷經(jīng)歷物理形態(tài)由固體與液體間的轉(zhuǎn)變，體積改變內(nèi)部裂隙不斷開(kāi)展降低試件錨固性能、極限承載力，增加試件破壞位移。增加鋼筋直徑可以一定程度減弱凍融的影響，對(duì)于凍融區(qū)采用CGMJM-VI高強(qiáng)水泥基灌漿料，GT4半灌漿套筒試件接頭性能可以滿足規(guī)范要求[78]。

3.3 濱海氯鹽侵蝕

對(duì)于濱海環(huán)境裝配式建筑來(lái)說(shuō)，構(gòu)件遭受海水侵蝕，氯離子侵入會(huì)使構(gòu)件產(chǎn)生銹蝕降低構(gòu)件承載力，杜永峰等[79]對(duì)套筒試件進(jìn)行通電加速氯離子侵蝕試驗(yàn)?zāi)M銹蝕對(duì)試件力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明銹蝕率增加試件極限承載力及滑移均增大，小于3%的銹蝕率試件滑移較小且均發(fā)生套筒外鋼筋拉斷破壞，滿足規(guī)范要求，但超過(guò)此臨界值試件承載力會(huì)下降，達(dá)到12%銹蝕率時(shí)極限拉力僅為對(duì)比試件的50%。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)施工因素

套筒施工過(guò)程中試件性能極易受到施工現(xiàn)場(chǎng)外部擾動(dòng)的影響，實(shí)際工程中復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境以及施工人員的不規(guī)范操作極易對(duì)接頭連接質(zhì)量造成影響。常見(jiàn)的施工缺陷包括灌漿不飽滿；連接鋼筋偏心，銹蝕以及包裹水泥砂漿；錯(cuò)用坐漿料；使用過(guò)期灌漿料等。這些外部因素均會(huì)削弱構(gòu)件強(qiáng)度，降低結(jié)構(gòu)使用壽命。

灌漿缺陷包括均勻注漿缺陷；豎向、水平向及斜向灌漿缺陷。無(wú)論何種缺陷，缺陷程度增加均會(huì)降低試件剛度及強(qiáng)度，大幅降低最大總伸長(zhǎng)率。對(duì)于水平試件水平脫空使得漿料與套筒接觸不完全，降低試件黏結(jié)強(qiáng)度，試件發(fā)生漿料劈裂鋼筋拔出破壞。對(duì)于中間缺陷，空隙部位阻斷了黏結(jié)應(yīng)力的傳遞，兩端漿料不能同時(shí)達(dá)到黏結(jié)應(yīng)力峰值，缺陷超過(guò)40%時(shí)鋼筋與漿料瞬間剝離拔出，對(duì)結(jié)構(gòu)危害極大；對(duì)于豎直缺陷，當(dāng)按規(guī)范取最小錨固長(zhǎng)度為8d時(shí)，缺陷不超過(guò)30%時(shí)仍能滿足接頭性能要求[80-87]。

延時(shí)注漿試件承載力雖仍滿足規(guī)范要求，但漿料流動(dòng)度下降增大灌漿施工難度，建議30 min內(nèi)完成灌漿。二次復(fù)灌試件套筒縱向應(yīng)變不均勻，破壞深度隨復(fù)灌長(zhǎng)度增加而增加，小直徑試件更易受影響，但接頭強(qiáng)度仍滿足要求[88]。

對(duì)試件施加不同頻率不同振幅的外力模擬現(xiàn)場(chǎng)施工振動(dòng)對(duì)試件承載力的影響。結(jié)果表明頻率對(duì)試件接頭承載力影響較小，但增大振幅使內(nèi)部鋼筋偏位增大，試件極限位移有增加，極限承載力下降，但仍滿足規(guī)范對(duì)Ⅰ級(jí)接頭的要求，振幅小于1 mm時(shí)振動(dòng)對(duì)試件抗拉強(qiáng)度影響較小[89-90]。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)以水泥凈漿取代灌漿料的現(xiàn)象，由于水泥凈漿強(qiáng)度小于灌漿料，替代會(huì)使試件錨固強(qiáng)度降低，降低承載力從而發(fā)生粘結(jié)破壞。使用過(guò)期6個(gè)月及12個(gè)月灌漿料試件仍能滿足規(guī)范要求，說(shuō)明規(guī)范給定灌漿料3個(gè)月保質(zhì)期有較大的安全余度；對(duì)于砂漿包裹鋼筋，當(dāng)包裹厚度未覆沒(méi)鋼筋月牙肋時(shí)，涂層高度增加屈服，極限位移增加，但均未發(fā)生粘結(jié)破壞；若涂層厚度超過(guò)鋼筋肋高，機(jī)械咬合力大幅下降，鋼筋刮犁式拔出，說(shuō)明包裹厚度對(duì)試件承載力影響極大，實(shí)際工程中應(yīng)予避免此類現(xiàn)象發(fā)生[91-92]。

3.5 加載制度

規(guī)范以單向拉伸，高應(yīng)力反復(fù)拉壓以及大變形反復(fù)拉壓性能表征試件抗震性能，但當(dāng)試件自身含有缺陷時(shí)試件不同加載制度下力學(xué)性能會(huì)有差異，垂直缺陷在三種加載模式下臨界錨固長(zhǎng)度降低，試件延展性更好[93]。早期單向拉伸試驗(yàn)表明隨齡期增加試件強(qiáng)度逐漸增加但仍發(fā)生鋼筋拔出破壞；偏心使錨固強(qiáng)度降低，增大錨固長(zhǎng)度可以減小鋼筋偏心的影響[94]。在三種加載方式下，套筒應(yīng)變均為縱向主要受拉，環(huán)向主要受壓，隨鋼筋直徑增加后期漿料劈裂變形大于套筒收縮，環(huán)向逐漸變?yōu)槔瓚?yīng)變[36]。灌漿不足試件大變形反復(fù)拉壓作用下試件變形性能及割線剛度降低，滯回環(huán)總面積先增大后減小安全余度降低，高應(yīng)力反復(fù)拉壓試件滑移增加[95]。高應(yīng)力反復(fù)拉壓荷載位移曲線屈服前基本保持線性關(guān)系，有明顯屈服平臺(tái)，且屈服荷載隨直徑增大而增大；出漿口處縱向應(yīng)變最大為最不利位置，高應(yīng)力反復(fù)拉壓對(duì)接頭連接性能影響不大。通過(guò)增加不利截面的厚度，減小端部厚度可以提高試件抗震性能[96]，總之，當(dāng)灌漿套筒不存在其他缺陷時(shí)，不同加載制度下，試件均能滿足規(guī)范要求，具有良好抗震性能。

3.6 小結(jié)

現(xiàn)有研究確定了套筒試件高溫承載力退化臨界溫度，并探明了不同溫度，持續(xù)時(shí)間對(duì)試件力學(xué)性能的影響規(guī)律，同時(shí)考慮了保護(hù)層對(duì)熱量傳遞的影響。后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步研究不同保護(hù)層厚度，混凝土強(qiáng)度等級(jí)尤其是高強(qiáng)混凝土高溫爆裂對(duì)試件承載力的影響；考慮升溫時(shí)間，混凝土厚度及強(qiáng)度，依據(jù)試驗(yàn)研究規(guī)律完善灌漿套筒試件高溫承載力計(jì)算公式。

針對(duì)低溫凍融區(qū)裝配式建筑，研發(fā)了適用于北方寒冷地區(qū)應(yīng)用的配套灌漿套筒試件。此外還確定了濱海地區(qū)試件承載力退化的臨界銹蝕率。但目前相關(guān)研究尚停留在套筒試件層次，且同類型試驗(yàn)所用材料不同結(jié)果也有不同，后續(xù)研究應(yīng)進(jìn)一步考慮套筒試件形式，連接鋼筋類型，外包混凝土模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)以形成完善的研究體系。此外，在單一因素研究基礎(chǔ)上耦合其他工況如濱海地區(qū)結(jié)構(gòu)銹蝕后抗震，抗火，裝配式結(jié)構(gòu)火災(zāi)后抗震性能等著手進(jìn)行研究。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)試件性能的影響，部分因素對(duì)試件承載力影響較小，但絕大多數(shù)會(huì)造成試件承載力下降，針對(duì)此種現(xiàn)象，可以采取加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員監(jiān)督指導(dǎo)，對(duì)試件施工前采取相應(yīng)保護(hù)措施避免或減少對(duì)套筒試件性能影響，確保試件滿足設(shè)計(jì)使用要求。

4 總結(jié)與展望

(1)套筒連接用灌漿料為滿足施工要求須有良好的流動(dòng)性，同時(shí)兼具足夠的強(qiáng)度為試件提供承載力。但現(xiàn)有規(guī)范僅從漿料物理性能層面進(jìn)行了規(guī)定，內(nèi)容相對(duì)籠統(tǒng)，與當(dāng)下新型灌漿料的發(fā)展，以及連接件在不同建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用需求相對(duì)滯后。不同種類灌漿料在滿足強(qiáng)度，流動(dòng)度的要求時(shí)，其他性能，如早期強(qiáng)度，抗火極限會(huì)有所下降，致使裝配式節(jié)點(diǎn)連接處性能退化。應(yīng)參考現(xiàn)有結(jié)構(gòu)抗火，抗震規(guī)范，編撰相應(yīng)參考文件指導(dǎo)灌漿套筒連接裝配式構(gòu)件發(fā)展。針對(duì)當(dāng)下新材料發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)將新型灌漿料納入規(guī)范目錄考量中來(lái)，為新型灌漿料的推廣應(yīng)用提供支持，同時(shí)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)適用于工程應(yīng)用具有優(yōu)良性能的高強(qiáng)灌漿料。

(2)套筒構(gòu)造，鋼筋類型直接影響套筒試件承載力及黏結(jié)強(qiáng)度。常規(guī)套筒由球墨鑄鐵制造，形式為全灌漿，半灌漿兩類。目前已有新型套筒如GDPS等不斷研發(fā)問(wèn)世，針對(duì)新型套筒，應(yīng)對(duì)其各項(xiàng)性能進(jìn)行深入研究改進(jìn)?，F(xiàn)有研究中，連接鋼筋通常為普通鋼筋，后續(xù)研究可以將高強(qiáng)連接筋，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced plastic，F(xiàn)RP)筋引入到套筒試件應(yīng)用中來(lái)，拓寬連接件應(yīng)用渠道；同時(shí)探索不同鋼筋連接形式，開(kāi)發(fā)適用于不同工程領(lǐng)域的新型套筒。

(3)現(xiàn)有研究給出了適用于計(jì)算部分套筒試件黏結(jié)強(qiáng)度及承載力的計(jì)算公式，但不同試驗(yàn)之間套筒構(gòu)造、灌漿料種類及錨固長(zhǎng)度的差異致使推導(dǎo)公式的普適性較差。因套筒連接件由多種材料組成，不同材料又會(huì)受不同因素影響，因此灌漿套筒連接件的承載力計(jì)算涉及參量多，計(jì)算復(fù)雜，后續(xù)可以將不同影響因素以影響系數(shù)的形式進(jìn)行綜合考量，以期歸納出普適性的承載力計(jì)算公式。

(4)針對(duì)單一影響因素如高溫火災(zāi)，低溫凍融，氯鹽侵蝕，施工擾動(dòng)及加載制度對(duì)灌漿套筒試件性能的影響雖已廣泛開(kāi)展，但試驗(yàn)通常僅限于試件層次，構(gòu)件層次是否會(huì)有尺寸效應(yīng)尚需進(jìn)行深入研究?，F(xiàn)有試驗(yàn)影響因素單一絕大多數(shù)未考慮多因素耦合的影響，后續(xù)應(yīng)深入進(jìn)行研究試件多因素耦合作用下的性能，并在此基礎(chǔ)上以試件力學(xué)性能為參考指標(biāo)，上升到灌漿套筒連接裝配式構(gòu)件層次的研究。針對(duì)多因素耦合，工況耦合順序應(yīng)貼合實(shí)際，同時(shí)選取合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)，完善相關(guān)規(guī)范，探索不同裝配式連接形式，進(jìn)一步促進(jìn)裝配式建筑發(fā)展。