張 言，劉澤帆， 葉 峰

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

·施工技術(shù)與測(cè)量技術(shù)·

新型FRP灌漿套筒預(yù)制拼裝技術(shù)研究

張 言，劉澤帆， 葉 峰

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

灌漿套筒連接是預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)中一種關(guān)鍵技術(shù)，用于連接構(gòu)件的鋼筋。當(dāng)前使用的灌漿套筒以鋼為材料，有自重大、易銹蝕等缺點(diǎn)。為改進(jìn)傳統(tǒng)灌漿套筒，文章介紹了采用FRP(纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)制作灌漿套筒實(shí)驗(yàn)，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化構(gòu)造細(xì)節(jié)。通過制成的兩批新型FRP灌漿套筒進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，破壞時(shí)鋼筋均達(dá)到強(qiáng)化階段。第一批破壞形式為套筒破壞，為不理想破壞形式。經(jīng)過改進(jìn)后第二批為鋼筋拔出破壞，為理想破壞形式。證明了新型FRP灌漿套筒承載力滿足強(qiáng)度要求，并且還有自重輕、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。

鋼筋; 連接; 灌漿套筒; FRP(纖維增強(qiáng)復(fù)合材料); 拉拔試驗(yàn)

1 新型FRP灌漿套筒簡介

預(yù)制拼裝技術(shù)的特征是設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、構(gòu)件部品化。在工廠將各種構(gòu)件預(yù)制完成后，運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，組裝完成。這種方式不僅可以保證施工質(zhì)量，還有施工速度快、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

灌漿套筒連接技術(shù)是預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)中的一種關(guān)鍵的連接技術(shù)，用于連接構(gòu)件的鋼筋。灌漿套筒連接構(gòu)造是透過鑄造的中空型套筒，鋼筋從兩端開口穿入套筒內(nèi)部，不需要搭接或焊接，通過鋼筋與套筒間填充高強(qiáng)度微膨脹結(jié)構(gòu)性砂漿，實(shí)現(xiàn)鋼筋續(xù)接功能。其連接的機(jī)理主要是借助高強(qiáng)砂漿受到套筒的圍束作用，加上本身具有微膨脹特性，藉此增強(qiáng)與鋼筋、套筒內(nèi)側(cè)間的徑向約束作用力，鋼筋即藉由該徑向約束作用力與粗糙表面產(chǎn)生之摩擦力、砂漿與鋼筋表面的化學(xué)粘結(jié)力和鋼筋表面螺紋產(chǎn)生的咬合力來傳遞鋼筋應(yīng)力。

美國DR·ALFRED A·YEE博士首次將此技術(shù)應(yīng)用于夏威夷38層酒店的預(yù)制混凝土柱中。1972 年,一個(gè)日本公司購置了生產(chǎn)權(quán)利,并開始與日本的工程師和承包商一起工作,以便為當(dāng)?shù)刈≌ㄔO(shè)的預(yù)制混凝土剪力墻提供結(jié)構(gòu)可靠的連結(jié)。此后幾年內(nèi),北美和日本的技術(shù)人員對(duì)這種連接套筒做了大量改進(jìn),以提高其使用功效。例如,附加灌漿口、 對(duì)套筒進(jìn)行過壓力法灌漿等。市場上開始將這種套筒用于各種類型的結(jié)構(gòu)連結(jié),包括水平連結(jié),并且不僅被用于工廠制作,也用于現(xiàn)場澆注的混凝土。通過不斷改進(jìn),在1986年,X 型連接套筒的研發(fā)工作成功完成,并在日本和北美市場得到廣泛應(yīng)用。1983年美國混凝土協(xié)會(huì)ACI在報(bào)告中將其列入鋼筋主要連接技術(shù)之一。近十年來，我國逐漸引入該連接，相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)正在制定中。

但是當(dāng)前灌漿套筒技術(shù)還存在一些不足：(1)當(dāng)前工程上使用的灌漿連接套筒的制作材料為鋼材，有自重大的缺點(diǎn)，在施工上有極大的不便，還會(huì)增加運(yùn)輸成本。鋼材還有易銹蝕的缺點(diǎn)，強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間而降低。(2)我國對(duì)于灌漿套筒在不同荷載條件下的傳力機(jī)理，灌漿套筒的內(nèi)部壁厚、螺紋間距、漿料特性和外部構(gòu)造細(xì)節(jié)以及套筒材料等的自主研發(fā)上都有待進(jìn)行深層次的研究與試驗(yàn)驗(yàn)證。

鑒于以上這些不足，本文開展新型FRP灌漿套筒的研究：(1)采用FRP(纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼材制作灌漿套筒。FRP材料是纖維材料與基體材料按一定比例混合后形成的高性能材料，質(zhì)輕而硬，機(jī)械強(qiáng)度高，耐腐蝕，有良好的可設(shè)計(jì)性。由于其優(yōu)越的力學(xué)性能被越來越廣泛的運(yùn)用于橋梁工程、民用建筑等領(lǐng)域。(2)優(yōu)化一些構(gòu)造細(xì)節(jié)，如壁厚，長度，內(nèi)螺紋間距和形狀。增加其承載力(3)進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，分析其承載力和受力機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 試件設(shè)計(jì)與準(zhǔn)備

根據(jù)《鋼筋機(jī)械連接通用技術(shù)規(guī)程》(JGJ 107-2003)設(shè)計(jì)制作了兩批灌漿套筒，每批分為a、b兩類，尺寸見表1和圖1。

表1 灌漿套筒尺寸 mm

注：B為壁厚，D為外直徑，d1為寬口內(nèi)直徑，d2為窄口內(nèi)直徑，hj為螺紋高度，bj為螺紋寬度，L為套筒長度。鋼筋是Q345螺紋鋼，直徑為20 mm。

圖1 試件尺寸

將FRP套筒插入鋼筋并進(jìn)行灌漿(砂漿采用高強(qiáng)膨脹型砂漿，鋼筋采用直徑20 mm的帶肋鋼筋)，在灌漿及鋼筋連接完成后，將試件放置28 d進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

砂漿性能說明：(1)流動(dòng)度需要≥300 mm；(2)膨脹率需0%～0.5%；(3)可工作時(shí)間應(yīng)大于30 min，為穩(wěn)妥起見宜大于40 min；(4)1 d、3 d、7 d和28 d齡期試塊抗壓強(qiáng)度測(cè)試，在環(huán)境溫度為25℃測(cè)試強(qiáng)度應(yīng)滿足1 d大于或等于35 MPa，3 d大于或等于60 MPa，7 d大于或等于85 MPa，28 d大于或等于100 Mpa。

2.2 第一批套筒制作說明

(1)準(zhǔn)備模具。制作玻璃鋼母模，根據(jù)產(chǎn)品實(shí)樣加工石膏長方體容器模具。

(2)選用環(huán)氧樹脂作為基體材料，采用層合板生產(chǎn)方式，實(shí)際應(yīng)用手糊法生產(chǎn)加工出FRP套筒的粗加工板。手糊成型工藝過程：先在模具上涂刷含有固化劑的樹脂混合物，再在其上鋪貼一層按要求剪裁好的纖維織物，用刷子、壓輥或刮刀壓擠織物，使其均勻浸漬并排除氣泡后，再涂刷樹脂混合物和鋪貼第二層纖維織物，反復(fù)上述過程直至達(dá)到所需厚度為止。然后，在一定壓力作用下加熱固化成形(熱壓成形)，或者利用樹脂體系固化時(shí)放出的熱量固化成形(冷壓成形)，最后脫模得到復(fù)合材料制品(圖2)。

圖2 片材制品成型用設(shè)備

(3)雕刻加工內(nèi)槽。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，為增大與水泥摩擦力，將板狀材料表面加工為凹凸?fàn)睢?/p>

(4)將板狀FRP材料卷成圓筒形狀，粘接成型(圖3)。

圖3 卷成圓筒形狀

(5)鉆孔，拋光。

第一批套筒實(shí)物見圖4。

圖4 第一批套筒實(shí)物

2.3 第二批套筒改進(jìn)說明

(1)芯模。按套管內(nèi)部構(gòu)造先制作芯模(圖5)。芯模材料具有一定的干燥強(qiáng)度但可水分散(不耐水)，樹脂纖維符合固化后，可將芯模退出成型套管。

圖5 芯模

(2)纖維材料。采用碳纖維，它除有玻纖性能外還有其它特殊性能，如輕質(zhì)、導(dǎo)電等。

(3)制作。通過逐層涂覆、輥壓、固化，直至達(dá)到要求的尺寸和構(gòu)造形狀(圖6)。

圖6 套筒制作

(4)結(jié)構(gòu)。原先的套管內(nèi)部構(gòu)造呈“T形”齒狀，構(gòu)造采用車床加工而成，這種構(gòu)造和加工方法存在一些不便及不利于受力狀態(tài)。主要為：

(1)切削加工的齒狀，將齒狀部分與機(jī)體部分的纖維切斷，齒狀部分僅靠連接部分與機(jī)體相連，受力狀態(tài)不好。

(2)如果是連續(xù)纖維復(fù)合，芯模齒狀的溝槽部分纖維難以均勻布置，加工有難度，且易造成空鼓、粘結(jié)不良等由于構(gòu)造引起的瑕疵，如圖7(a)所示。

套管內(nèi)部構(gòu)造做弧狀改動(dòng)，這種弧狀構(gòu)造一是便于加工時(shí)纖維的均勻復(fù)合，便于樹脂的涂覆和浸潤纖維，沒有死角；二是其構(gòu)造并不影響粘結(jié)材料在套管內(nèi)壁上的機(jī)械摩擦阻力和粘結(jié)力，也便于施工中的灌漿操作。如圖7(b)所示。

圖7 套筒構(gòu)造改動(dòng)前后對(duì)比

第二批套筒實(shí)物見圖8。

圖8 第二批套筒實(shí)物

2.4 加載裝置與加載制度

采用上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單調(diào)拉伸試驗(yàn)。加載制度：0→最大拉力→0。試件屈服之前為荷載控制，加荷速率為0.5～1 MPa/s。試件屈服后改為位移控制，夾頭分離速率不超過20～30 mm/min。

2.5 測(cè)量方法

在加工完成的套筒和鋼筋對(duì)應(yīng)點(diǎn)位貼上應(yīng)變片，以方便試驗(yàn)時(shí)測(cè)定各點(diǎn)的應(yīng)力大小及變形量(圖9)。

(大寫為套筒上應(yīng)變片，小寫為鋼筋上應(yīng)變片)圖9 應(yīng)變片位置及編號(hào)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總

3.1 破壞形態(tài)

第一批套筒均發(fā)生套筒徑向開裂破壞，是非理想的破壞形式(圖10)。在詳細(xì)分析了套筒的制作過程后，發(fā)現(xiàn)套筒的制作過程存在缺陷，這種套筒是通過鋼模將一張平板的FRP材料卷成圓柱筒的形式，中間有一條由膠粘和的縫隙。而進(jìn)行拉拔實(shí)驗(yàn)時(shí)，套筒中砂漿因?yàn)槭軌毫?dǎo)致向四周膨脹，使套筒環(huán)向變形很大導(dǎo)致那條人工膠合的縫隙因環(huán)向張力而漲裂。

圖10 第一批套筒破壞形式

第二批套筒均發(fā)生鋼筋刮犁式拔出，是理想的破壞形式(圖11)。水泥砂漿對(duì)鋼筋的粘結(jié)力小于拉力而被拔出，套筒未受到破壞，說明新型FRP灌漿套筒強(qiáng)度達(dá)到要求。

圖11 第二批套筒破壞形式

3.2 受力數(shù)據(jù)分析

第一組套筒拉伸試驗(yàn)的力-位移曲線見圖12～圖14。

圖12 第一組a套筒的力-位移曲線

圖13 第一組b套筒的力-位移曲線

圖14 典型D20鋼筋拉伸曲線

第一批a套筒的鋼筋達(dá)到強(qiáng)化階段，b套筒的鋼筋達(dá)到屈服階段。a套筒的承載力比b套筒大5 %左右，主要是因?yàn)樵黾犹淄查L度可以增加套筒受力面積，減小套筒FRP纖維之間所受拉應(yīng)力。

套筒鋼筋的極限承載力約為直接拉伸鋼筋的極限承載力的80%左右，其極限承載力取決于套筒的強(qiáng)度。第一批套筒雖然達(dá)到了強(qiáng)度需求，但是最終破壞形式不理想。

第二組套筒拉伸試驗(yàn)的力-位移曲線見圖15、圖16。

圖15 第二組a套筒的力-位移曲線

圖16 第二組b套筒的力-位移曲線

第二批套筒鋼筋均達(dá)到強(qiáng)化階段，a、b兩組極限承載力基本相同，約為直接拉伸鋼筋的極限承載力的80 %左右。發(fā)生刮犁式破壞時(shí)增加套筒長度對(duì)極限承載力提高作用不大，其極限承載力主要取決于水泥砂漿對(duì)鋼筋的粘接力。

最終破壞時(shí)，套筒完好，鋼筋達(dá)到強(qiáng)化階段被拉出水泥砂漿。極限承載力滿足要求，破壞形式理想。第二批新型FRP鋼筋套筒可以替代傳統(tǒng)鋼制套筒。如果改進(jìn)砂漿對(duì)鋼筋的粘結(jié)力和施工工藝，此種套筒的極限承載力預(yù)計(jì)會(huì)更加提高。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

(1)新型FRP灌漿套筒滿足強(qiáng)度要求，并且有自重輕、耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)、有望取代傳統(tǒng)鋼制套筒。

(2)兩次實(shí)驗(yàn)分別發(fā)生套筒開裂破壞以及鋼筋刮犁式破壞。破壞形態(tài)主要取決于套筒的材料性能以及內(nèi)部摩阻的傳遞效果。

(3)第二次實(shí)驗(yàn)中，荷載位移曲線表現(xiàn)出鋼筋套筒出現(xiàn)明顯的彈性階段、屈服階段和強(qiáng)化階段，對(duì)實(shí)際使用效應(yīng)連接套筒已達(dá)到預(yù)計(jì)使用效果的連接強(qiáng)度。

(4)兩次實(shí)驗(yàn)均未出現(xiàn)FRP材料剪切破壞，說明構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)避免抗剪部位出現(xiàn)措施起到了一定的效果。

(5)通過兩次實(shí)驗(yàn)探索出面對(duì)FRP新型連接套筒材料選擇問題時(shí)，使用碳纖維較玻璃纖維強(qiáng)度更高。

(6)在FRP套筒的生產(chǎn)加工工藝探索中，采用卷材法套筒因粘結(jié)縫存在降低了套筒強(qiáng)度，采用模具法套筒具有較好的整體性。

4.2 展望

本次實(shí)驗(yàn)仍存在一定的不足和考慮欠周的地方，目前我們?cè)谶@一命題上需要研究的內(nèi)容還包括：

(1)套筒內(nèi)部摩阻形式仍可以優(yōu)化，增大混凝土和套筒間摩擦，避免混凝土局部受剪，從而減少混凝土與套筒發(fā)生相對(duì)滑移的可能性，進(jìn)一步提高套筒的荷載極限。

(2)FRP套筒加工過程仍比較復(fù)雜，進(jìn)一步優(yōu)化構(gòu)件生產(chǎn)方式從而幫助實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)目標(biāo)。

(3)FRP連接套筒中灌漿料在扭轉(zhuǎn)、彎曲等復(fù)雜應(yīng)力下的應(yīng)力應(yīng)變情況及最不利位置仍需要進(jìn)一步研究。

(4)使用有限元軟件分析套筒應(yīng)力分布情況。

(5)FRP連接套筒的耐久性及灌漿料的徐變效應(yīng)對(duì)連接構(gòu)建的影響。

(6)本次研究未涉及大于0.6倍屈服強(qiáng)度幅值的單調(diào)重復(fù)作用下的連接性能，以及《鋼筋機(jī)械連接通用技術(shù)規(guī)程》JGJ107—2003中規(guī)定的高應(yīng)力反復(fù)拉壓試驗(yàn)和大變形反復(fù)拉壓試驗(yàn)的內(nèi)容。

[1] JGJ 107-2003 鋼筋機(jī)械連接通用技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 吳小寶，林峰，王濤.齡期和鋼筋種類對(duì)鋼筋套筒灌漿連接受力性能影響的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013，43(14)：78-82.

[3] 韓瑞龍，施衛(wèi)星，周洋.灌漿套筒連接技術(shù)及其應(yīng)用[J].結(jié)構(gòu)工程師，2011,27(3):150-153.

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[定稿日期]2015-07-17