曹 振，李 滿，王春雨（.五冶集團(tuán)上海有限公司，上海 0900；.上海濟(jì)光職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 090；.中國(guó)五冶集團(tuán)有限公司上海分公司，上海 0900）

0 引 言

裝配式具有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、預(yù)制化生產(chǎn)、裝配化施工的特點(diǎn)，可明顯減少現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間，增加施工安全性，減少環(huán)境污染，近年來(lái)獲得了長(zhǎng)足發(fā)展。不同構(gòu)件之間的連接是預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)快速施工和保證質(zhì)量的關(guān)鍵。根據(jù)JGJ 1—2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱“《規(guī)程》”），鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件之間鋼筋的連接方式有套筒灌漿連接、漿錨搭接連接和焊接連接，其中漿錨搭接是將鋼筋插入預(yù)制混凝土構(gòu)件預(yù)留的孔道中，并在孔道灌注水泥基灌漿料，從而實(shí)現(xiàn)鋼筋搭接。該技術(shù)的關(guān)鍵包括孔洞內(nèi)壁的構(gòu)造及其成孔技術(shù)、灌漿料的質(zhì)量以及約束鋼筋的配置方法等各個(gè)方面。鑒于我國(guó)目前對(duì)鋼筋漿錨搭接連接接頭尚無(wú)統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此《規(guī)程》第6.5.4條提出較為嚴(yán)格的要求：使用前對(duì)預(yù)留孔成孔工藝、孔道形狀及長(zhǎng)度、構(gòu)造要求、灌漿料和被連接鋼筋，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并且直接承受動(dòng)力荷載構(gòu)件的縱向鋼筋不應(yīng)采用漿錨搭接連接。

在橋梁工程中，與漿錨搭接技術(shù)具有相似性的灌漿波紋管連接方式在橋梁預(yù)制裝配式施工中獲得廣泛應(yīng)用，如上海市滬崇高速在立柱和蓋梁的連接節(jié)點(diǎn)中采用了此方法。灌漿波紋管連接構(gòu)造常用于橋梁工程中墩身與承臺(tái)或墩身與蓋梁的連接，該方式為橋墩預(yù)埋受力鋼筋插入蓋梁或承臺(tái)的預(yù)埋波紋鋼管內(nèi)并壓注水泥基灌漿料的鋼筋連接方式，在墩身與蓋梁或承臺(tái)之間的接觸面往往采用砂漿墊層。該方法現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間短，但需要滿足縱筋足夠的錨固長(zhǎng)度，其力學(xué)性能與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土橋墩類似。葛繼平等[1]采用水平單向和雙向擬靜力試驗(yàn)對(duì)比分析了金屬波紋管階段拼裝橋墩和整體現(xiàn)澆橋墩抗震性能的差異，結(jié)果表明在橋墩塑性鉸區(qū)縱筋表現(xiàn)為拉斷破壞，而不是從金屬波紋管中拔出，說(shuō)明灌漿波紋管連接可靠；賈俊峰等[2]在采用灌漿波紋管錨固鋼筋連接技術(shù)的預(yù)制拼裝墩柱頂部施加水平往復(fù)荷載直至抗側(cè)力承載能力失效，承臺(tái)預(yù)埋波紋管內(nèi)鋼筋與高強(qiáng)灌漿料之間均未發(fā)生黏結(jié)滑移失效。JTG/T 3365－05－2022《公路裝配式混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱“《規(guī)范》”）對(duì)灌漿波紋管連接作出了詳細(xì)的規(guī)定，說(shuō)明該技術(shù)有較廣闊的應(yīng)用價(jià)值。

灌漿波紋管錨固連接直接由金屬波紋管形成孔洞，與漿錨搭接相比能夠可靠地確定孔洞的形狀、長(zhǎng)度等特征，具有較高的可靠性，已成熟應(yīng)用在橋梁工程上，但是在工業(yè)建筑上尚未獲得使用，且《規(guī)程》對(duì)此尚無(wú)規(guī)定。一些工業(yè)建筑構(gòu)造型式和承受荷載與橋梁具有相似性，灌漿波紋管錨固連接用在此類工業(yè)建筑上是否合適值得研究。某鋼鐵企業(yè)新建大型料場(chǎng)軌道平臺(tái)工程（以下簡(jiǎn)稱“工程”）擬采用裝配式結(jié)構(gòu)，其連接方式擬采用灌漿波紋管連接。本文采用Abaqus有限元軟件對(duì)工程采用的灌漿波紋管錨固連接的抗拔承載力進(jìn)行模擬計(jì)算研究。

1 工程概況

工程中隔墻頂部卸料車(chē)軌道平臺(tái)立柱及蓋梁構(gòu)造，如圖1（a）、圖1（b）所示。立柱與隔墻連接，蓋梁與立柱連接，蓋梁上設(shè)置縱梁，縱梁上設(shè)置面板。立柱鋼筋，縱筋為直徑28 mm的HRB400鋼筋，箍筋為直徑10 mm的HPB300鋼筋，縱筋間距為80 mm。立柱鋼筋布置，如圖1（c）所示。立柱混凝土采用C30混凝土。為加快施工進(jìn)度，縮短工期，擬對(duì)卸料車(chē)平臺(tái)采用裝配式施工。蓋梁與立柱、立柱與中隔墻的連接擬采用灌漿波紋管錨固連接，需進(jìn)一步確定波紋管尺寸與鋼筋錨固長(zhǎng)度。

圖1 軌道平臺(tái)構(gòu)造示意圖

2 波紋管連接設(shè)計(jì)方案

黃遠(yuǎn)等[3]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，錨固長(zhǎng)度為鋼筋直徑d的1～5倍時(shí)，在沒(méi)有波紋管約束的情況下，破壞模式以鋼筋屈服前拔出破壞和屈服后拔出破壞為主，即產(chǎn)生鋼筋滑移破壞。柳家為等[4]在研究鋼筋與波紋管約束灌漿料間的黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系時(shí)，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)波紋管內(nèi)徑D與鋼筋直徑d的孔徑比D/d為3.04時(shí)，極限黏結(jié)強(qiáng)度取得較大值，錨固性能表現(xiàn)最佳；錨固長(zhǎng)度為3d～5d時(shí)，鋼筋滑移破壞，未出現(xiàn)波紋管滑移或混凝土開(kāi)裂等現(xiàn)象。石棚等[5]研究鋼筋插入式波紋管漿錨連接的錨固性能及受力機(jī)理，用有限元法進(jìn)行了單軸拉伸模擬研究。研究結(jié)果表明：錨固長(zhǎng)度為7倍鋼筋直徑的接頭破壞模式為鋼筋拔出破壞，錨固長(zhǎng)度為10倍鋼筋直徑的接頭破壞模式均為鋼筋拉斷破壞。王浩等[6]在研究鋼筋-金屬波紋管灌漿連接的錨固性能及其影響因素時(shí)，分析了鋼筋錨固長(zhǎng)度、孔徑比和螺旋箍筋約束等因素對(duì)鋼筋黏結(jié)剛度和黏結(jié)滑移量的影響，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔徑比D/d=2.52～3.50且錨固長(zhǎng)度≥10d時(shí)，試件破壞形式均為鋼筋拉斷。當(dāng)鋼筋直徑≤25 mm時(shí)，建議錨固長(zhǎng)度la取10d～15d，孔徑比D/d取2.5～3.5。

帶肋鋼筋和灌漿料之間黏結(jié)力化學(xué)膠結(jié)力很小，加載初期就被克服，黏結(jié)力主要由摩擦力和機(jī)械咬合力提供?？讖奖菵/d較小時(shí)，灌漿層較薄，在鋼筋徑向分力作用下易受拉開(kāi)裂，易發(fā)生鋼筋拔出破壞。孔徑比過(guò)大時(shí)，金屬波紋管對(duì)核心區(qū)灌漿料的約束作用減弱，鋼筋與灌漿料的黏結(jié)剛度也會(huì)降低。在荷載作用下，鋼筋月牙肋會(huì)對(duì)灌漿料產(chǎn)生斜向壓力，軸向分力使灌漿料受剪，徑向分力使灌漿料受拉，灌漿料產(chǎn)生膨脹。合適的孔徑比能夠使金屬波紋管產(chǎn)生環(huán)向約束作用，能夠有效抑制灌漿料的變形和裂縫的發(fā)展，增強(qiáng)鋼筋和灌漿料間的摩擦和機(jī)械咬合作用，使極限黏結(jié)強(qiáng)度增大。

綜上所述，為保證灌漿料的約束性及灌漿料與鋼筋的黏結(jié)，波紋管內(nèi)徑及錨固長(zhǎng)度需達(dá)到一定的要求?！兑?guī)范》第6.2.4條規(guī)定：波紋鋼管的長(zhǎng)度不應(yīng)小于24倍鋼筋直徑（24d），波紋鋼管內(nèi)徑不宜小于d＋40 mm，壁厚不應(yīng)小于2 mm，波紋鋼管的波高不宜小于3 mm，波紋鋼管的波距不宜大于32 mm。波紋鋼管間的凈距不應(yīng)小于波紋鋼管外徑，且不應(yīng)小于50 mm。

工程波紋管內(nèi)徑取70 mm，波紋管采用Q235鋼。由于立柱縱筋直徑d為28 mm，間距為80 mm，如果波紋管都布置在中隔墻和蓋梁上，則波紋管凈距為10 mm，不能滿足《規(guī)范》要求，且波紋管凈距過(guò)小時(shí)容易造成混凝土開(kāi)裂。為滿足波紋鋼管凈距要求，提出波紋管間隔布置的方案（如圖2所示），即在立柱上隔1根鋼筋布置1個(gè)波紋管，蓋梁上對(duì)應(yīng)立柱預(yù)留鋼筋位置設(shè)置波紋管，對(duì)應(yīng)立柱波紋管位置預(yù)留鋼筋，立柱與中隔墻同理。蓋梁內(nèi)波紋管在蓋梁內(nèi)貫穿，立柱和中隔墻內(nèi)波紋管錨固長(zhǎng)度取20d。實(shí)際施工中需要通過(guò)砂漿填充層的厚度和調(diào)平墊塊（如圖3所示）調(diào)整預(yù)制構(gòu)件的高度和平整度，同時(shí)考慮預(yù)制構(gòu)件受力要求，砂漿填充層厚度不能過(guò)大?！兑?guī)范》第6.2.2條規(guī)定，預(yù)制拼裝橋墩中立柱與承臺(tái)或立柱與蓋梁之間的拼裝接縫砂漿墊層厚度宜為10～30 mm。

圖2 波紋管間隔布置示意圖

圖3 砂漿墊層與調(diào)平墊塊示意圖

3 設(shè)計(jì)方案抗拔力計(jì)算

本方案波紋管采用間隔布置。此種布置方式未見(jiàn)有相關(guān)研究，現(xiàn)采用Abaqus有限元軟件對(duì)該方案的抗拔承載能力進(jìn)行模擬計(jì)算。

建立柱體的1/4模型，如圖4所示。立柱采用C30混凝土，灌漿體抗壓強(qiáng)度為80 MPa，均采用混凝土損傷塑性本構(gòu)模型模擬材料特性，模型中采用實(shí)體單元C3D8R。豎向鋼筋為HRB400，采用延性損傷本構(gòu)模型，能夠模擬鋼筋斷裂，單元類型為實(shí)體單元C3D8R；箍筋采用理想彈塑性模型，Truss單元。波紋管為Q235鋼，采用理想彈塑性模型，Shell單元。根據(jù)文獻(xiàn)，錨固長(zhǎng)度為20倍鋼筋直徑時(shí)，鋼筋拉斷，不必再考慮滑移，所以模型中不再考慮鋼筋與混凝土和鋼筋與灌漿體之間的滑移，鋼筋和灌漿體、灌漿體與波紋管、波紋管與混凝土、鋼筋和混凝土之間均采用Tie約束，模擬各個(gè)部件之間良好的黏結(jié)性能。箍筋與混凝土采用Embedded約束。預(yù)埋鋼筋下部與C30彈性體材料連接，模擬縱向鋼筋的約束作用。在鋼筋頂部均施加位移邊界條件，各鋼筋位移一致，采用Abaqus/Explicit模塊進(jìn)行計(jì)算。

圖4 有限元模型

計(jì)算完成后，提取鋼筋頂端反力與位移關(guān)系（如圖5所示）。在鋼筋頂端位移達(dá)到0.5 mm時(shí)，反力出現(xiàn)波動(dòng)，這是由于立柱混凝土出現(xiàn)水平裂縫（如圖6所示）導(dǎo)致的，此時(shí)預(yù)埋鋼筋處混凝土淺表也產(chǎn)生受拉損傷。隨著位移進(jìn)一步增長(zhǎng)，鋼筋端部反力也繼續(xù)線性增加，當(dāng)位移達(dá)到2.2 mm時(shí)，鋼筋端部反力達(dá)到240 kN，之后鋼筋進(jìn)入塑性狀態(tài)。

圖5 鋼筋端部位移-反力曲線

在位移達(dá)到2.2 mm時(shí)，柱體受拉開(kāi)裂范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，出現(xiàn)更多的水平裂縫，同時(shí)預(yù)埋鋼筋周?chē)炷吝_(dá)到極限損傷的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。此時(shí)灌漿體的損傷程度要小于柱體混凝土的損傷程度，如圖7所示。這說(shuō)明間隔布置型式的灌漿波紋管錨固連接強(qiáng)度由柱體混凝土和鋼筋的強(qiáng)度決定，破壞不會(huì)首先從波紋管-灌漿體-鋼筋組成的體系中產(chǎn)生，從而保證抗拔承載能力滿足要求。

圖7 位移2.2 mm時(shí)損傷分布圖

4 結(jié) 語(yǔ)

灌漿波紋管錨固連接已經(jīng)在橋梁工程中獲得成熟應(yīng)用，該技術(shù)應(yīng)用在與橋梁工程結(jié)構(gòu)和荷載相似的工業(yè)建筑上值得研究。波紋管內(nèi)徑和鋼筋直徑取合適比例時(shí)，波紋管對(duì)高強(qiáng)灌漿體起到縱向約束的作用，從而會(huì)提高鋼筋與灌漿體的黏結(jié)力。在縱向鋼筋間距較小時(shí)，為采用合適內(nèi)徑的波紋管，則波紋管之間的凈距難以滿足要求，此時(shí)可采用間隔布置波紋管間隔的型式滿足凈距要求。通過(guò)有限元模擬分析發(fā)現(xiàn)，采用此種布置形式時(shí)，錨固長(zhǎng)度和孔徑比滿足要求時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生鋼筋拔出破壞，錨固連接強(qiáng)度由柱體混凝土和鋼筋強(qiáng)度決定，從而保證該連接方式的抗拔承載能力。由于數(shù)值計(jì)算的局限性，該種連接方式需要進(jìn)一步的試驗(yàn)研究，并應(yīng)進(jìn)行抗水平力和抗震性能的研究。