连接缺陷对半灌浆套筒连接性能的影响

周忠晨 丁桂华 李二要

半灌浆套筒[1]连接是在装配式混凝土结构中经常使用的一种钢筋连接方式，通过在预制构件内预埋灌浆套筒，在施工中吊装预制构件，将下部连接钢筋插入到套筒中，然后向套筒内注入微膨胀高强灌浆料，待灌浆料凝结硬化后，将套筒和钢筋连接成一个整体，从而实现传力，如图1 所示。

图1 半灌浆套筒连接

在现场施工中，由于下部钢筋的定位误差以及施工扰动等原因，施工时构件无法精准装配，而施工工人缺乏系统培训，有时会切断部分预留插筋，完成预制构件的装配；
套筒灌浆工序复杂，又属于隐蔽工程，实际施工中经常出现漏浆和少灌的情况。以上情况均会造成下部钢筋在套筒内的锚固长度减小，产生连接缺陷。

连接缺陷会降低半灌浆套筒的连接性能，甚至导致结构存在安全隐患[2-3]。目前许多学者已对此进行了研究。高润东[4]等通过现场考察，总结了套筒灌浆施工中存在的主要问题，包括灌浆料的强度和流动度不足、下部钢筋锚固长度不足、出浆口未出浆以及灌浆料回流等。李向民[5]等制作了16 组试件，对套筒内不同位置的缺陷修复技术进行试验研究，证明了外接注射器补浆和套筒钻孔补浆可以有效修复灌浆缺陷。匡志平[6]通过研究发现，套筒连接件的破坏模式主要取决于套筒内灌浆料的含量，连接件的抗拉强度和变形性能随着灌浆料含量的增大而增强。

基于已有研究，为定量分析连接缺陷对半灌浆套筒连接件连接性能的影响，文章以连接缺陷的程度为变量，设计并制作21 个半灌浆套筒连接件，并进行单向拉伸试验。

1.1 材料性能

文章采用球墨铸铁材质的GT14 型半灌浆套筒，抗拉强度≥600MPa，延伸率≥5%，球化率≥85%，螺纹连接长度为27mm。钢筋采用HRB400 级热轧带肋钢筋，直径为14mm，在制作套筒连接件的同批钢筋中取3 根进行力学性能试验，测得钢筋的屈服强度为428MPa，极限抗拉强度为631MPa。本试验采用中德新亚CGM 型套筒灌浆料，根据《钢筋连接用套筒灌浆料》[7]的规定，制作3 组共9 个40mm×40mm×160mm 的棱柱体试块，与半灌浆套筒连接件在相同条件下养护，测得1d、7d、28d 的抗压强度分别为41.2 Mpa、73.5 MPa、89.7 MPa，均满足指标要求。

1.2 缺陷设计

在实际施工中，常常出现灌浆完成未及时封堵出浆口导致灌浆料流出、套筒内部被异物堵塞、座浆层未达到规定强度即进行灌浆导致座浆层漏浆等现象，导致套筒内顶部脱空，使下部钢筋在套筒内的锚固长度达不到甚至远低于标准[1]规定的8d，产生连接缺陷，如图2 所示。

图2 连接缺陷

文章以端部连接缺陷的大小为试验变量，通过控制下部钢筋插入套筒内的长度，设计不同程度的连接缺陷，如图3 所示。无缺陷的半灌浆套筒连接件，下部钢筋在套筒内的锚固长度为文献[1]要求的8 倍的钢筋直径，对于存在连接缺陷的试件，钢筋在套筒内的锚固长度为8d 减去相应的缺陷设计长度。

图3 不同程度连接缺陷

1.3 试件制作

文章制作7 组共21 个半灌浆套筒连接件，其中1 组为无缺陷试件，其余6 组为带有不同程度连接缺陷的试件[例如：GT10-X 表示试件的连接缺陷为10%，下部钢筋在套筒内的实际锚固长度为8d×（1～10%）]。试件编号及缺陷的设置情况如表1 所示。

表1 半灌浆套筒连接试件设计参数

半灌浆套筒连接试件的制作包括预制端螺纹加工、螺纹端钢筋与套筒螺纹连接、锚固端钢筋伸入长度控制、临时固定、套筒灌浆等工序，灌浆完成后自然养护28d。

1.4 试验加载方案

本试验采用WE-300 型万能材料试验机，根据《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》[8]的要求对半灌浆套筒连接试件进行单向拉伸试验。试验采用位移控制，加载速度为5mm/min，加载至钢筋断裂或钢筋与套筒产生明显滑移时停止。

2.1 试验现象

半灌浆套筒试件出现两种破坏形态：钢筋拉断（如图4a所示）和灌浆端钢筋被拔出（如图4b 所示）。

图4 试件破坏形态

连接缺陷小于等于30%的试件发生钢筋拉断破坏，钢筋和套筒在加载过程中的相对滑移很小。试件内部的应力随着加载位移的增加不断增大，由于套筒底部的灌浆料受到的约束较小，因此灌浆料的裂缝最先从套筒底部产生，向上延伸和发展。在钢筋被拉断的瞬间，套筒底部少量的灌浆料也发生脱落，如图5a 所示。

连接缺陷为40%和45%的试件发生钢筋拔出破坏，锚固端钢筋与灌浆料之间的粘结力小于钢筋的极限抗拉力。随着试件两端荷载的增加，灌浆料与钢筋之间的粘结面逐渐被剪断，灌浆料对钢筋的约束也随之减弱，直至灌浆料的粘结性能失效，钢筋被拔出（如图5b 所示）。

图5 灌浆料破坏形态

2.2 试验结果

发生钢筋拉断破坏的试件，钢筋达到极限抗拉强度时，灌浆料与钢筋的粘结面尚未达到极限粘结强度；
发生钢筋拔出破坏的试件，由于灌浆料与钢筋的接触面较小，在试件受拉过程中很快达到两者之间的极限粘结强度，此时钢筋尚未达到极限抗拉强度。对于钢筋被拔出的试件，可由公式（1）计算其极限粘结强度。

其中，Pu—试件极限拉力；
d—钢筋直径；
la—钢筋锚固长度。

各试件的试验结果如表2 所示。

表2 半灌浆套筒连接件试验结果

注：表中fstk 表示钢筋抗拉强度标准值，HRB400 钢筋取540MPa。

由表2 可知，本次试验的半灌浆套筒连接试件的抗拉强度均大于钢筋抗拉强度标准值，强屈比均大于1.25，表明此种连接方式具有较大的安全储备。连接缺陷不大于30%的试件，当发生钢筋拉断破坏时，灌浆料与钢筋之间的粘结强度仍有较大冗余，例如无缺陷的GT0-X 试件在破坏时灌浆料与钢筋的平均粘结应力为20.05MPa，仅达到极限粘结强度的59.9%，表明使用半灌浆套筒进行钢筋连接具有较高的可靠性和安全性。随着连接缺陷程度的增大，灌浆料与钢筋之间的平均粘结应力不断接近极限粘结强度，安全储备随之降低。

连接缺陷小于等于30%的试件，发生钢筋拉断破坏，试件的屈服强度和抗拉强度满足文献[8]的要求。连接缺陷为40%和45%的试件发生钢筋拔出破坏，但试件的抗拉强度仍大于钢筋抗拉强度标准值，表现出套筒灌浆连接容错率高、安全性好的特点。

发生钢筋拉断破坏和钢筋拔出破坏的试件荷载-位移曲线分别如图6、7 所示。从图6 可以看出，即使连接缺陷达到30%，试件的单向拉伸性能仍和钢筋近乎相同。各组试件与钢筋几乎同时达到屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段，极限承载力与钢筋基本相当，分布在97.6～98.82kN 之间。从图7 可以看出，连接缺陷为40%和45%的试件的屈服荷载与钢筋屈服荷载相差较小，但屈服位移大于钢筋的屈服位移，极限承载力明显小于钢筋和无缺陷试件。

图6 钢筋拉断破坏试件的荷载-位移曲线

图7 钢筋拔出破坏试件的荷载-位移曲线

结果表明，当连接缺陷小于等于30%，即套筒内钢筋的锚固长度大于等于5.6d 时，半灌浆套筒的连接性能是安全可靠的。

文章以半灌浆套筒的连接缺陷程度为变量，设计制作了21个半灌浆套筒连接试件，通过单向拉伸试验研究了连接缺陷的程度对试件的力学性能和破坏形态的影响，得出以下结论：

（1）当连接缺陷小于等于30%时，试件发生钢筋断裂破坏，屈服强度和抗拉强度均满足规范要求，试件的单向拉伸性能与钢筋基本相同，缺陷对半灌浆套筒的连接性能几乎无影响。

（2）连接缺陷为40%和45%的试件发生钢筋拔出破坏，极限抗拉力与发生钢筋拉断破坏的试件相比有明显降低，但是其极限抗拉强度仍大于钢筋的抗拉强度标准值。

（3）各组试件的强屈比均大于1.25，并且无缺陷试件在破坏时灌浆料与钢筋的平均粘结应力仅达到极限粘结强度的59.9%，表明半灌浆套筒连接具有较大的安全储备。

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