套筒灌浆连接中灌浆质量控制难度较大,高润东等 ^[1]通过调研21家构件厂和18个实际工程,对套筒灌浆存在的灌浆料质量不符合标准要求、钢筋割断或锚固强度不足、套筒出浆孔不出浆、套筒出浆孔浆体回流等问题进行分析,并提出针对性的解决策略;郑清林等 ^[2,3]对套筒灌浆存在的端部缺陷、中部缺陷、水平缺陷、偏心缺陷等类型进行分析,并研究端部缺陷和中部缺陷中半灌浆套筒接头对中单向拉伸性能的影响;李向民等 ^[4]研究端部缺陷中全灌浆套筒接头对中单向拉伸性能的影响。本文在文献[4]基础上,研究中部缺陷对全灌浆套筒接头对中单向拉伸性能的影响,并分析相同长度端部缺陷和中部缺陷对半灌浆套筒和全灌浆套筒接头对中单向拉伸性能的影响。

　　 采用HRB400E抗震钢筋,选择14,20,25mm 3种直径,钢筋的实测力学性能参数如表1所示。选用球墨铸铁材料铸造加工而成的全灌浆套筒,其性能满足标准 ^[5]要求,基本尺寸如表2所示。灌浆料属超高强无收缩材料,拌合时水灰比为0.13,实测初始流动度、30min流动度分别为335,290mm;标准养护条件下,实测1,3,28d抗压强度分别为38.5,72.0,123.8MPa,实测流动度和抗压强度均满足标准 ^[6]要求。

　　 本次试验套筒内上、下段钢筋的锚固长度均为钢筋直径的8倍(8d)。灌浆缺陷设计如图1所示,其中图1a表示没有缺陷,图1b表示有缺陷且缺陷设置在套筒内下段钢筋锚固段中部。用套在套筒内下段钢筋锚固段中部的橡胶片模拟缺陷,该方法可准确控制缺陷长度,橡胶片壁厚约2.5mm,小于钢筋和套筒内壁的间隙(考虑内部凸肋的影响后,GTZQ4-14,GTZQ4-20,GTZQ4-25,3种套筒内壁与钢筋间的最小间隙分别是9,9,7mm),由于灌浆料的流动性很强,灌浆时,浆体能从橡胶片和套筒壁间隙顺利流过。

　　 上述灌浆缺陷模拟设计的基本考虑如下:在套筒内钢筋锚固段中部设置缺陷时,主要考虑钢筋锚固长度被分成2段时对接头强度的影响;位于套筒内下段钢筋锚固段中部的缺陷和套筒内上段钢筋锚固段中部的缺陷,当缺陷长度相等时,从力学平衡的角度,二者对接头强度的影响是相同的,因此,当套筒顶部有定位横隔板,在套筒内上段钢筋锚固段中部准确设置缺陷较难时,应在套筒内下段钢筋锚固段中部设置缺陷,如表3所示。

　　 试件成型步骤如下:(1)将下段钢筋穿过打好孔的底模并进行固定,然后在钢筋中部设置缺陷;(2)将套筒套入下段钢筋,然后在套筒内插入上段钢筋并通过顶模进行固定;(3)将透明塑料管插入套筒出浆孔,透明塑料管保持向上倾斜状态,最高端头略高于套筒最上端,确保插入套筒内的上段钢筋完全被灌浆料浆体包围;(4)对每个套筒依次实施灌浆,当塑料管最高端头冒浆时用橡胶塞封堵套筒灌浆孔,应做到在拔出灌浆管的同时封堵套筒灌浆孔;(5)灌浆完成后,自然状态下养护28d后进行试验。

　　 进行接头试件的对中单向拉伸试验时,具体要求按JGJ 355—2015《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》 ^[7]执行。测试内容包括屈服强度、抗拉强度及破坏形态。测试后,对部分灌浆套筒进行破型,检查灌浆的饱满密实性。

　　 当缺陷位于套筒内下段钢筋锚固段中部时,接头试件的对中单向拉伸试验结果如表4所示。根据JGJ 355—2015《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》 ^[7]对钢筋套筒灌浆连接接头性能的基本规定,表4中套筒内下段钢筋锚固段中部设置缺陷的各组接头试件的试验结果分析如下。

　　 1)当GTZQ4-14,GTZQ4-20接头设置的缺陷长度≤20.0%套筒内下段钢筋锚固长度时,各组接头均发生接头外钢筋拉断破坏,且各组接头的屈服强度均>400MPa、抗拉强度均>540MPa,屈服强度和抗拉强度均符合标准要求。当设置的缺陷长度占30.0%套筒内下段钢筋锚固长度时,3个接头外的上、下段钢筋均未断,3个接头屈服强度均>400MPa,满足标准要求,但3个接头抗拉强度在接头外钢筋未断的情况下,均小于连接钢筋抗拉强度标准值(540MPa)的1.15倍(621MPa),因此2组接头抗拉强度不符合标准要求。当设置的缺陷长度占40.0%套筒内下段钢筋锚固长度时,3个接头外的上、下段钢筋均未断,其中GTZQ4-14的第1个接头屈服强度>400MPa,但该接头抗拉强度小于连接钢筋抗拉强度标准值(540MPa)的1.15倍(621MPa),另外2个接头的屈服强度均<400MPa、抗拉强度均<540MPa,因此该组接头不合格;GTZQ4-20的3个接头屈服强度均>400MPa,满足标准要求,但3个接头抗拉强度在接头外钢筋未断的情况下,均小于连接钢筋抗拉强度标准值(540MPa)的1.15倍(621MPa),因此该组接头抗拉强度不符合标准要求。

　　 2)当GTZQ4-25接头设置的缺陷长度≤15.0%套筒内下段钢筋锚固长度时,各组接头均发生接头外钢筋拉断破坏,且各组接头的屈服强度均>400MPa、抗拉强度均>540MPa,屈服强度和抗拉强度均符合标准要求。当设置的缺陷长度占20.0%套筒内下段钢筋锚固长度时,3个接头外上、下段钢筋都没有被拉断,3个接头屈服强度均>400MPa,满足标准要求,但3个接头抗拉强度在接头外钢筋未断的情况下,均小于连接钢筋抗拉强度标准值(540MPa)的1.15倍(621MPa),因此该组接头抗拉强度不符合标准要求。当设置的缺陷长度占30.0%套筒内下段钢筋锚固长度时,3个接头外上、下段钢筋都没有被拉断,3个接头屈服强度均>400MPa,满足标准要求,但3个接头抗拉强度在接头外钢筋未断的情况下,均小于连接钢筋抗拉强度标准值(540MPa)的1.15倍(621MPa),因此该组接头抗拉强度不符合标准要求。当所设置的缺陷长度占40.0%套筒内下段钢筋锚固长度时,3个接头外上、下段钢筋都没有被拉断,其中第1个接头的屈服强度>400MPa,但该接头抗拉强度小于连接钢筋抗拉强度标准值(540MPa)的1.15倍(621MPa),第2个接头的屈服强度和抗拉强度均不满足要求,第3个接头的屈服强度满足要求,但抗拉强度不满足要求,因此该组接头不合格。

　　 根据上述对试验结果的分析,当GTZQ4-14,GTZQ4-20,GTZQ4-25接头缺陷长度分别不超过套筒内下段钢筋锚固长度(8d)的20.0%,20.0%,15.0%时,接头对中单向拉伸强度仍满足要求。

　　 各组接头试件的破坏形态如图2所示,部分接头试件的破型如图3所示。

　　 综上所述,接头存在3种极限状态:(1)当无缺陷或缺陷较小时,发生接头外钢筋拉断破坏;(2)随着中部缺陷的增大,接头破坏时发出如同钢筋拉断的巨大声响,此时接头外钢筋并未断裂;对接头试件进行破型(见图3a,3c,3d,3e)发现接头内钢筋也未拉断,可判断巨大声响是钢筋和灌浆料间的瞬间剥离造成的;(3)随着中部缺陷的进一步增大,接头破坏时钢筋发生刮犁式拔出,钢筋滑移较明显,破型后钢筋周围的灌浆料已被剪碎(见图3b,3f),钢筋和灌浆料间基本脱粘。

　　 根据本文试验研究结果,对比分析文献[3,4],可获得灌浆缺陷位置对套筒灌浆连接接头单向拉伸强度的影响规律,具体如表5所示。

　　 由表5可知,无论是全灌浆套筒还是半灌浆套筒,对保证接头外钢筋拉断破坏的近似最大缺陷长度,中部缺陷和端部缺陷明显不同。根据试验结果,保证接头外钢筋拉断破坏的中部缺陷最大长度约为端部缺陷最大长度的50.0%～66.7%,换言之,中部缺陷对接头性能的影响更大。

　　 当缺陷位于端部时,钢筋和灌浆料间的黏结应力是连续的,灌浆料作为整体对钢筋产生锚固作用。当缺陷位于中部时,钢筋和灌浆料间的黏结应力在中间断开,由2段灌浆料分别与钢筋进行黏结应力传递;由于端部效应影响和2段灌浆料难以同时达到黏结应力峰值,使中部缺陷较端部缺陷更为不利。对中部灌浆缺陷下钢筋与灌浆料间的黏结应力传递机理,尚有待深入研究。

　　 1)随着全灌浆套筒内一侧钢筋锚固段中部灌浆缺陷长度从0增大到一侧钢筋锚固长度(8d)的40.0%,依次发生接头外钢筋拉断破坏、钢筋和灌浆料间瞬间剥离、钢筋刮犁式拔出3种破坏状态。

　　 2)当灌浆缺陷位于全灌浆套筒内一侧钢筋锚固段中部,且常用的GTZQ4-14,GTZQ4-20,GTZQ4-25接头缺陷长度分别不超过一侧钢筋锚固长度(8d)的20.0%,20.0%,15.0%时,接头对中单向拉伸强度仍满足要求。

　　 3)无论是全灌浆套筒还是半灌浆套筒,对保证接头外钢筋拉断破坏的近似最大缺陷长度,中部缺陷最大长度约为端部缺陷最大长度的50.0%～66.7%,中部缺陷对接头性能的影响更大。