徐若琳 崔永坤

（1.青建集團股份公司，山東 青島 266000；2.山東新中魯建設(shè)有限公司，山東 青島 266000）

裝配式建筑是新型綠色建筑的重要發(fā)展方向，成為目前土木工程領(lǐng)域的研究重點。裝配式建筑是通過對工程預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化制作，運抵現(xiàn)場后通過節(jié)點拼接形成整體建筑。在眾多的節(jié)點連接方式中，灌漿套筒連接是最為成熟和應(yīng)用最為廣泛的方法，具有施工便捷、力學(xué)性能可靠等優(yōu)點[1]。灌漿套筒連接分為全灌漿套筒頭和半灌漿套筒，半灌漿套筒頭可連接的鋼筋直徑范圍廣，套筒外直徑小，能夠顯著縮短套筒長度，且使得現(xiàn)場的灌漿工作量減半，大大提高了施工現(xiàn)場的效率和降低了接縫密封的難度[2-3]。目前，有關(guān)半灌漿套筒鋼筋連接的工程實踐應(yīng)用研究較多，但對于其本構(gòu)關(guān)系的理論研究較匱乏，導(dǎo)致實際應(yīng)用過程中低估或超估了其力學(xué)性能，在結(jié)構(gòu)設(shè)計和力學(xué)計算時往往產(chǎn)生較大的誤差，特別在結(jié)構(gòu)節(jié)點抗震設(shè)計和動力學(xué)設(shè)計方面無法得到可靠性結(jié)果。因此，研究裝配式建筑結(jié)構(gòu)中半灌漿套筒鋼筋連接的本構(gòu)關(guān)系具有十分重要的實際意義[4]。

土木工程材料的本構(gòu)關(guān)系最為可靠和精確的研究方法為室內(nèi)試驗方法，對于鋼筋類材料的本構(gòu)關(guān)系研究方法一般通過室內(nèi)試驗中的單向拉伸試驗或者循環(huán)加載進行[5-6]。基于此，本文依托山東省青島市某裝配式多層商業(yè)辦公樓為研究背景，運用室內(nèi)試驗的方法，制作了半灌漿套筒頭鋼筋連接模型，通過單調(diào)拉伸試驗和反復(fù)循環(huán)加載試驗獲得其應(yīng)力-應(yīng)變曲線，提出半灌漿套筒頭鋼筋的本構(gòu)關(guān)系曲線模型，研究成果可應(yīng)用于裝配式建筑結(jié)構(gòu)的節(jié)點連接設(shè)計與計算。

1 工程概況

山東省青島市某多層商業(yè)辦公樓建筑總面積為71000m2，建筑高度達到23.45m，地上4層，地下1層，地下結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)，地上建筑結(jié)構(gòu)采用裝配式框架結(jié)構(gòu)，裝配化率為78%，為高裝配化多層建筑。裝配式結(jié)構(gòu)柱尺寸為450mm×450mm，采用C40 鋼筋混凝土預(yù)制；裝配式墻體厚度為300mm，采用C30鋼筋混凝土預(yù)制；裝配式空心樓板厚度為150mm，標(biāo)準(zhǔn)長度為3m，采用C30 混凝土預(yù)制。預(yù)制構(gòu)件之間水平縫和垂直縫之間均采用半灌漿套筒頭連接，如圖1所示。半灌漿套筒一端為空腔、一端為套絲內(nèi)壁的連接件，空腔內(nèi)部帶有抗剪鍵，表面留有與空腔聯(lián)通的出氣口和灌漿孔，施工時，螺紋連接鋼筋旋入灌漿套筒螺紋側(cè)，灌漿帶肋鋼筋插入空腔側(cè)，隨后從灌漿孔注入高強水泥漿，鋼筋受力通過灌漿套筒頭內(nèi)壁的抗剪鍵與插入鋼筋橫肋之間的硬化水泥漿進行傳遞。

圖1 半灌漿套筒頭連接方式

2 裝配式結(jié)構(gòu)半灌漿套筒連接物理模型試驗

2.1 試驗材料

為了研究半灌漿套筒鋼筋的連接性能和本構(gòu)關(guān)系，試驗所用的套筒型號、鋼筋材料、灌漿料等均與實際工程一致。試驗所用的鋼制套筒為北京思達建茂科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的GT/CT 系列國標(biāo)45#灌漿鋼套筒，經(jīng)過性能測試，鋼套筒的屈服強度fsy為399MPa，極限強度為fsu為630MPa，彈性模量Es為209000MPa，泊松比μ為0.269，斷后伸長率ε為22.1%，半灌漿套筒的出漿孔和灌漿孔寬度為20mm，半灌漿套筒的強度L為140mm，壁厚為4.5mm。試驗選用的鋼筋為HRB400級鋼筋，鋼筋直徑為12mm，鋼筋屈服強度為屈服強度fsy為460MPa，極限強度為fsu為593MPa，彈性模量Es為207144MPa，泊松比μ為0.300，斷后伸長率ε 為22.9%。試驗用的套筒灌漿料為北京思達建茂科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的CGMJM 系列灌漿料，經(jīng)過性能測試，灌漿料的1d 抗壓強度為38MPa，3d 抗壓強度為65MPa，28d 抗壓強度為92MPa，豎向膨脹率為0.1%，氯離子含量為0.01%，流動度初始值為335mm，30min 流動度為305mm。拉伸過程中的應(yīng)變測試采用BX120-3AA應(yīng)變片，電阻率為120Ω。靈敏系數(shù)為2.08，靈敏柵尺寸為3mm×2mm，基底尺寸為6.5mm×4mm，量程為50000με，應(yīng)變片粘貼在鋼筋的內(nèi)部。

2.2 試驗方法

為研究半灌漿套筒鋼筋連接的受力與變形的關(guān)系，在室內(nèi)試驗中對制作的半灌漿套筒試件進行了兩種不同的荷載加載方式，分別為單向拉伸試驗和反復(fù)循環(huán)拉伸試驗。試驗過程均采用位移控制，每種試驗均在常溫下進行3次試驗，試件出現(xiàn)斷裂或者鋼筋滑移時認(rèn)為已達到承載力極限，可以停止試驗。單向拉伸試驗設(shè)備為三思CMT5305 電液伺服試驗機，其最大試驗量程為350kN，反復(fù)循環(huán)拉伸設(shè)備為英斯特朗（INSTRON）1342型電液伺服材料試驗機，可以自動記錄試件拉伸過程中的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等參數(shù)，最大量程為500kN。如圖2所示，單向拉伸試驗的加載方式為保持恒定的拉伸位移，位移量為0.5mm；反復(fù)循環(huán)拉伸試驗為位移為周期式升高，即0→0.5mm→-0.5mm→1.0mm→-1.0mm→……，直至試件破壞[7-8]。為了對比半灌漿套筒連接試件的力學(xué)性能，對連接件中的HRB400鋼筋也進行了的單向拉伸平行試驗，試驗次數(shù)也為3 次，試件編號為GJ1、GJ2 和GJ3。半灌漿套筒的連接試件單向拉伸試驗的編號為DX1、DX2 和DX3，反復(fù)循環(huán)拉伸試驗的編號為XH1、XH2和XH3。

圖2 單向拉伸試驗和反復(fù)循環(huán)拉伸試驗的加載方式

3 半灌漿套筒鋼筋連接本構(gòu)關(guān)系分析

圖3為HRB400 鋼筋的單向拉伸試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖3中可以看出，3個鋼筋拉伸試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線變化過程基本一致，大致呈4 個階段的變化過程，分別為彈性變形階段、屈服變形階段、塑性非線性變形階段、塑性破壞階段。在加載初期，在小位移量下鋼筋試件的荷載迅速增加，應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系呈現(xiàn)線性關(guān)系，應(yīng)變量為0.21%以內(nèi)，此階段為彈性變形階段；隨后，位移的增加并不明顯增加荷載，應(yīng)力出現(xiàn) “平臺” 現(xiàn)象，維持在一個較為恒定的數(shù)值，約為463MPa，應(yīng)變范圍在0.21%～1.34%之間，這個階段為屈服變形階段；繼續(xù)加載，鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)明顯的非線性變化，但其增長速度比彈性變形階段明顯放緩，應(yīng)變范圍在1.34%～5.23%之間，此階段為塑性非線性變形階段；最后，鋼筋試件的應(yīng)力增加較小的情況下，應(yīng)變大幅度增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線不斷趨于收斂，應(yīng)變范圍在5.23%～28%之間，應(yīng)力達到最大值598MPa，這個階段為塑性破壞階段。

圖3 HRB400鋼筋的單向拉伸試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4為半灌漿套筒的單向拉伸試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖4中可以看出，3 個半灌漿套筒試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化過程基本一致，其變化過程與單向拉伸鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線不同，應(yīng)變極限值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼筋的應(yīng)變極限值，應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致呈3個階段的變化過程，分別為彈性變形階段、屈服變形階段、塑性破壞階段。在加載初期，在小位移量下鋼筋試件的荷載迅速增加，應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系呈現(xiàn)線性關(guān)系，應(yīng)變量為0.01%以內(nèi)，此階段為彈性變形階段；隨后，位移的增加并不明顯增加荷載，應(yīng)力出現(xiàn) “平臺” 現(xiàn)象，維持在一個較為恒定的數(shù)值，屈服應(yīng)力約為463MPa，應(yīng)變范圍在0.01%～0.014%之間，這個階段為屈服變形階段；繼續(xù)加載，鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)明顯的非線性變化，但其增長速度比彈性變形階段明顯放緩，并不斷趨于收斂，應(yīng)力極大值為563MPa，應(yīng)變范圍在0.014%～0.6%之間，此階段為塑性破壞階段。

圖4 半灌漿套筒單向拉伸試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線

綜合圖3和圖4，對應(yīng)力應(yīng)變的特征點進行提取，并用回歸分析方法得到半灌漿套筒連接的本構(gòu)模型如圖5和圖6所示。由此可知，HRB400 鋼筋的本構(gòu)關(guān)系模型為4段式，其分段函數(shù)如公式（1）所示；半灌漿套筒的本構(gòu)關(guān)系模型為3段式，其分段函數(shù)如公式（2）所示。

圖5 HRB400鋼筋的本構(gòu)關(guān)系模型

圖6 半灌漿套筒的本構(gòu)關(guān)系模型

式中σ1為鋼筋的應(yīng)力，MPa；ε1為鋼筋的應(yīng)變，%；σ2為半灌漿套筒的應(yīng)力，MPa；ε2為半灌漿套筒的應(yīng)變，%。

對反復(fù)循環(huán)加載試驗的應(yīng)力-應(yīng)變骨架曲線進行提取，并與公式（2）的本構(gòu)關(guān)系曲線進行對比，結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，反復(fù)循環(huán)加載試驗應(yīng)力應(yīng)變骨架曲線與本構(gòu)關(guān)系擬合得非常好，表明提出的3段式本構(gòu)關(guān)系具有可靠性。

圖7 基于反復(fù)循環(huán)加載試驗的半灌漿套筒的本構(gòu)關(guān)系模型驗證

4 結(jié)語

以山東省青島市某多層裝配式商業(yè)辦公樓為研究背景，運用室內(nèi)試驗的方法，制作了半灌漿套筒頭鋼筋連接模型，通過單調(diào)拉伸試驗和反復(fù)循環(huán)加載試驗獲得其應(yīng)力-應(yīng)變曲線，提出半灌漿套筒頭鋼筋的本構(gòu)關(guān)系曲線模型，得到以下結(jié)論：

（1）鋼筋拉伸試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致呈4 個階段的變化過程，分別為彈性變形階段、屈服變形階段、塑性非線性變形階段、塑性破壞階段。

（2）半灌漿套筒試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化過程與單向拉伸鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線不同，應(yīng)變極限值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼筋的應(yīng)變極限值，應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致呈3個階段的變化過程，分別為彈性變形階段、屈服變形階段、塑性破壞階段。

（3）回歸擬合表明，HRB400 鋼筋的本構(gòu)關(guān)系模型為4 段式，半灌漿套筒的本構(gòu)關(guān)系模型為3 段式，反復(fù)循環(huán)加載試驗進一步驗證了本構(gòu)關(guān)系模型的可靠性。