高温下横向灌浆缺陷套筒接头的连接性能

赵军; 邱军豪; 冯小琪; 刘其舟

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2505832

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (20) :8737-8749 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505832

建筑科学

高温下横向灌浆缺陷套筒接头的连接性能

赵军 ¹ ,
邱军豪 ¹ ,
冯小琪 ² ,
刘其舟 ³^,^*

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Mechanical Performance of Grouted Sleeve Connections with Transverse Grouting Defects under Elevated Temperatures

ZHAO Jun ¹ ,
QIU Jun-hao ¹ ,
FENG Xiao-qi ² ,
LIU Qi-zhou ³^,^*

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摘要

套筒灌浆缺陷是装配式结构常见的问题之一,可能对建筑安全造成严重隐患。为研究高温对灌浆缺陷套筒接头力学性能的影响,设计温度(20~600 ℃)、缺陷位置(密实度/水平)和缺陷程度(10%~20%)等多参数耦合的单轴拉伸试验,揭示高温与缺陷协同作用下的破坏机理。试验结果表明:在高温环境下,钢筋拔断与拔出是两种典型的破坏模式,其中密实度缺陷(20%缺陷程度)在20 ℃下已发生拔出破坏;随着温度升高和缺陷程度增加,试件的极限承载力降低,400 ℃工况下降幅达到30.21%~47.33%,荷载-位移曲线的屈服平台呈现出增大坡度直至消失的退化过程。基于试验数据,构建高温下连接性能的评价体系:通过屈服比、强屈比及延性比的演化规律,提出指数型连接性能计算模型;推导高温下含灌浆缺陷套筒的黏结应力预测模型,实现黏结强度的预测。温度与缺陷程度的协同效应显著削弱了套筒和灌浆料间的黏结性能,密实度缺陷试件较水平缺陷对高温更为敏感。研究成果为装配式结构的防火设计与套筒连接质量评估提供理论依据。

Abstract

Sleeve grouting defects are one of the common issues in prefabricated structures, which may pose serious safety hazards to buildings. To investigate the effect of high temperature on the mechanical properties of defective grouted sleeve connections, a uniaxial tensile tests considering temperature (20~600 ℃, defect location: (compaction/horizontal), and defect degree (10%~20%) was designed to reveal the failure mechanism under the synergistic action of high temperature and defects. The test results indicate that under high-temperature conditions, steel bar fracture and pull-out are two typical failure modes. Specimens with compactness defects (with a 20% defect degree) already lead to pull-out failure even at 20 ℃. As temperature increases and defect severity worsens, the ultimate bearing capacity of specimens decreases, with a reduction of 30.21% to 47.33% under 400 ℃ conditions. The yield plateau of the load-displacement curve exhibits a degradation process characterized by increasing slope until it disappears. Based on experimental data, an evaluation framework for connection performance at high temperatures was established: an exponential connection performance calculation model was proposed through the evolution laws of yield ratio, strength-to-yield ratio, and ductility ratio. A bond stress prediction model was derived for sleeves with grouting defects at high temperatures to achieve prediction of bond strength. The synergistic effect of temperature and defect degree significantly weakens the bonding performance between the sleeve and grouting material, and the specimens with density defects are more sensitive to high temperatures than those with horizontal defects.The research results provide theoretical support for fire-resistant design and quality assessment in prefabricated construction.

Graphical abstract

关键词

灌浆套筒 / 高温下 / 灌浆缺陷 / 单轴拉伸 / 黏结性能

Key words

grouted sleeve / high temperature / grouting defect / uniaxial tension / bond performance

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赵军, 邱军豪, 冯小琪, 刘其舟. 高温下横向灌浆缺陷套筒接头的连接性能[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(20): 8737-8749 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505832

ZHAO Jun, QIU Jun-hao, FENG Xiao-qi, LIU Qi-zhou. Mechanical Performance of Grouted Sleeve Connections with Transverse Grouting Defects under Elevated Temperatures[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(20): 8737-8749 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505832

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灌浆套筒钢筋连接技术于20世纪60年代末问世,并很快在实际工程中得到应用。近年来,中国装配式建筑产业发展迅猛,应用规模持续扩大。然而,火灾作用下,灌浆套筒连接件的力学性能会随环境温度升高逐渐劣化乃至失效,进而引发装配式结构局部损坏,严重时甚至导致整体坍塌。鉴于此,开展灌浆套筒连接件高温力学性能的系统性深入研究具有重要的理论价值与工程现实意义。Zhu等^[1]通过抗压试验与微观表征,证实了400 ℃以上灌浆料抗压强度显著下降,并建立高温后灌浆套筒的极限承载力估算模型。Wang等^[2-3]进一步区分高温下与高温后加载的差异,发现高温下加载试件承载力与弹性模量较高温后加载分别低18.7%和22.4%,但自然冷却后可恢复约35%性能。针对高温后破坏模式转变,肖建庄等^[4]、郭菲^[5]、王嘉^[6]系统分析了温度对失效模式的影响,结果表明,600 ℃时破坏模式由钢筋拉断转向拔出,且钢筋偏心率增大会显著提高拔出风险。灌浆套筒破坏模式的转化受其黏结性能影响,而缺陷会加剧灌浆套筒黏结性能劣^[7]。Liu等^[8]研究发现,高温与缺陷的耦合作用会加剧灌浆套筒黏结性能的劣化。闫乾勋等^[9]研究表明,套筒中部位置为最薄弱位置,中部灌浆缺陷会显著降低套筒的黏接性能。为了减弱高温对黏结性能的劣化影响,Wang等^[10]研究发现,在套筒壁上添加螺栓可以显著增强钢筋与灌浆料以及套筒与灌浆料之间的黏结强度。虞小平等^[11]研究表明,套筒在一定凸肋深度范围内,其内部凸肋深度的增加有利于提高灌浆套筒整体力学性能,当凸肋深度超过一定范围后,试件承载力有所下降。为了预防灌浆套筒发生钢筋拔出破坏,朱佳宁等^[12]、赵军等^[13]、Zhao等^[14]研究表明,增加锚固长度、利用保护层约束效应可抑制高温作用后的拔出失效风险,但大直径钢筋的应用及锚固长度的缩短,会加剧高温环境对灌浆套筒连接性能劣化的影响。

综上可知,针对高温环境下灌浆套筒连接件的性能,已有学者开展了相关研究,但现有成果对实际工程中复杂因素的影响分析仍存在不足,且尚未涉及带缺陷灌浆套筒连接件的高温力学性能研究。

为进一步拓展高温下灌浆套筒连接件的应用范围,以缺陷位置、缺陷程度及温度为变量,共制作48个带缺陷全钢筋灌浆套筒连接接头试件,通过高温环境下单向拉伸试验,系统探究其高温连接性能。为装配式建筑节点耐火设计方法创新与缺陷防控标准完善提供理论依据。

1 试验概括

1.1 试件设计

依据《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》(JGJ 355—2015)^[15]和《钢筋机械连接技术规程》(JGJ 107—2016)^[16],设计并制作48个考虑不同位置灌浆缺陷无缝钢管制全灌浆套筒连接件,对其设置不同的灌浆缺陷,在常温(20 ℃)及高温环境下(200、400、600 ℃)进行单向拉伸试验,研究含灌浆缺陷的灌浆套筒连接接头在高温下的破坏形式及力学性能变化规律。无缝钢管制全灌浆套筒具体构造参数如图1所示,各试件参数如表1所示。根据Guo等^[17]模拟密实度缺陷的方法,缺陷布置如图2所示。

1.2 材料性能

灌浆套筒连接钢筋采用HRB400的带肋钢筋,钢筋直径为20 mm。实测连接钢筋材料性能如表2所示。采用深圳市现代营造科技有限公司TT-100型高强灌浆料,制作2组40 mm(高)×40 mm(宽)×160 mm(长)的棱柱体灌浆料试块,实测灌浆料材料性能如表3所示。

1.3 试验加载方案

本试验通过自制电磁感应加热系统(图3)对安装在万能试验机上的灌浆套筒试件进行同步加热与加载。试验过程中,采用红外温度传感器实时监测并控制试件温度,待达到预设目标温度后进入恒温阶段。为准确模拟实际火灾工况,试件在目标温度下保持恒温1 h以确保温度场均匀稳定(升温及恒温曲线如图4所示),随后进行单向拉伸试验。力学加载过程采用600 kN万能材料试验机,以 10 MPa/s 的应力控制速率持续加载,直至试件发生钢筋拉断或拔出等破坏模式。

2 试验结果与分析

2.1 试验现象及破坏模式

在灌浆套筒加热初期,温度上升缓慢,约80 ℃时灌浆料内部水开始大量蒸发,并且由于水蒸气积聚产生的孔隙压力加大,导致微裂缝生成并扩展。随着温度升高,热应力增强,导致灌浆料爆裂和裂缝扩展。不同位置灌浆缺陷试件试验结果如表4所示,试件失效模式取平行试件中出现较多的破坏形态。

由表4可知,常温下,除密实度缺陷20%试件外,其余试件均发生钢筋断裂失效(图5),可知密实度缺陷20%试件力学性能劣化幅度相较于水平缺陷试件更为显著。值得注意的是,两类缺陷试件在10%缺陷程度时均为钢筋断裂失效,但当缺陷程度由10%增至20%时,密实度缺陷试件和水平缺陷试件的极限抗拉强度分别下降15.67%和3.70%,破坏模式由钢筋断裂转为钢筋拔出破坏,可见密实度缺陷产生的力学性能劣化效应显著超过同阶段水平缺陷试件。该现象表明,在同等缺陷扩展条件下,密实度缺陷对灌浆料-钢筋界面黏结强度的破坏作用更为显著。

高温下,200 ℃时,除对照组及水平缺陷10%试件仍保持钢筋断裂失效模式,其余试件均为钢筋拔出失效(图6)。这一现象证明,缺陷的存在显著降低了试件对高温劣化的耐受能力,使得试件在更低的温度下即提前发生脆性破坏。温度升至400 ℃时,所有试件破坏模式均由钢筋断裂转为钢筋拔出破坏,无缺陷试件(DZ-0-400)的极限抗拉强度相较于常温下(DZ-0-20)下降了约22.4%,然而,当温度与缺陷协同作用时(M-10%-400)其极限荷载相较于常温无缺陷(DZ-0-20)状态骤降了约40.9%,并且由表4可知,常温下该缺陷(M-10%)对屈服荷载与极限荷载的影响微乎其微,表明高温环境放大并激活了缺陷的负面影响,灌浆料-钢筋界面黏结性能均受到较大程度影响,此时灌浆料内部已发生大幅度的结构劣化,导致不同缺陷类型试件在400 ℃时呈现失效模式趋同性。

2.2 荷载位移-曲线

2.2.1 密实度缺陷对荷载-位移曲线的影响

由密实度缺陷的灌浆套筒连接接头荷载-位移曲线(图7)可知,常温下,无缺陷试件和M-10%试件表现出典型的钢筋断裂失效模式,而M-20%试件则出现钢筋拔出,说明密实度缺陷试件的钢筋断裂到拔出的界限在缺陷程度10%~20%。由图7(a)和图7(e)可知,缺陷程度10%对试件的极限荷载影响较小,当缺陷程度升至20%时试件极限承载力较无缺陷试件下降14.4%,说明随着缺陷程度增加,灌浆料的均匀性和连续性受到更大破坏,空隙导致局部应力集中,加速微裂缝扩展。缺陷较大时,界面滑移量增大,试件延性降低,表现为极限位移显著减小。其中,M-20%-20-2试件在弹性阶段出现异常滑移,因缺陷空间分布不均导致锚固失效。加热至200 ℃时,无缺陷试件仍为钢筋断裂破坏,其荷载-位移曲线与常温时同样呈现弹性、屈服、强化和破坏4个阶段。密实度缺陷试件均呈现钢筋拔出破坏, 并且极限承载力较无缺陷对照试件大幅度下降,说明高温-缺陷的协同作用会加剧接头性能的劣化,因为高温下产生的水蒸气压积累加速缺陷扩展,形成贯穿性微裂纹并加剧界面脱黏,导致钢筋拔出失效,并且随着缺陷程度的增大这一现象会更加明显。目标温度达到400 ℃及以上时,无缺陷试件破坏模式转变为钢筋拔出破坏,试件表现出明显的脆性失效。并且随着缺陷程度的增大,荷载-位移曲线在峰值后急剧下降,屈服平台大幅度缩减直至消失,这是因为溶质原子的扩散减弱了位错运动的钉扎效应,导致屈服平台缩短。屈服后,荷载增加导致钢筋与灌浆料界面滑移,最终发生突发性脱黏失效,同时,水化产物的热分解和孔隙网络形成连通裂纹,缺陷区域的弱化界面显著降低灌浆料的黏结强度,最终导致结构失稳破坏。

2.2.2 水平缺陷对荷载-位移曲线的影响

由水平缺陷的灌浆套筒连接接头荷载-位移曲线(图8)可知,常温下,水平缺陷10%与20%试件均为典型的钢筋断裂失效曲线,并且与无缺陷对照试件荷载-位移曲线趋势基本一致,峰值承载力影响不大,表明试验缺陷程度尚未突破界面黏结的临界阈值。高温下,200 ℃时,水平缺陷10%试件因保持界面约束连续性,仍维持钢筋断裂失效机理,且其极限承载力较无缺陷试件变化不大;而水平缺陷20%试件因局部约束缺失导致黏结退化,试件极限承载力迅速下降(较无缺陷试件下降41.33%),失效模式转变为钢筋拔出,说明高温会放大缺陷试件性能的劣化。400 ℃时,水平缺陷10%试件仍保留典型屈服强化特征,并且其极限承载力较无缺陷试件承载力下降11.46%;而水平缺陷20%试件中仅S-20%-400-2保持有一小段延性变形段,其极限承载力较无缺陷试件承载力下降24.81%。当温度达到600 ℃时,所有试件均发生脆性拔出失效,其中水平缺陷20%试件表现出更显著的脆性特征。缺陷程度与温度存在显著交互作用,这种温度-缺陷耦合效应在水平缺陷20%试件中表现为更陡峭的强度衰减曲线,说明高温下随着水平缺陷程度的提高,试件延性会进一步降低。

2.3 高温下带有灌浆缺陷的灌浆套筒连接性能指标分析

采用屈服比、强屈比及延性比指标^[6,18]对含缺陷灌浆套筒试件连接性能展开评价,并采用非线性拟合的方法建立不同温度工况下套筒接头的连接性能计算模型。

2.3.1 屈服比

屈服比R_y为灌浆套筒连接接头屈服强度f_y与钢筋标准屈服强度f_yk(本试验钢筋f_yk为400 MPa)比值,如式(1)所示。

(1)R_y=$\frac{{f}_{y}}{{f}_{yk}}$

根据《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》(JGJ 355—2015)^[15]中要求,当屈服比R_y>1时,判定接头的屈服承载能力满足要求,此时灌浆套筒体系能够确保试件屈服先于连接失效的发生。将表4试验数据代入式(1)计算得到各试件屈服比,结果如表5所示。分析表明:试件屈服比随着温度升高而降低。常温时,各类缺陷试件接头均满足屈服比要求高温下。高温下,200 ℃时,带缺陷试件的屈服比呈现明显下降趋势。400 ℃时,所有试件接头的屈服比均低于规范限值,表明温度达到400 ℃时显著削弱了灌浆套筒连接接头的屈服承载机制。600 ℃时,带缺陷试件均未呈现出屈服平台就发生钢筋拔出,其失效模式表现为钢筋拔出脆性失效,说明带缺陷试件在600 ℃及以上温度条件下已丧失屈服承载能力。

2.3.2 强屈比

强屈比R_s为灌浆套筒连接接头极限强度f_u与钢筋标准屈服强度f_yk比值,如式(2)所示。

(2)R_s=$\frac{{f}_{u}}{{f}_{yk}}$

国外规范Acceptance Criteria for Mechanical Connector Systems for Steel Reinforcing Bars(AC133 (21) 2nd edition)^[19]、Building Code Requirements for Structural Concrete(ACI 318-02/318R-02)^[20]规定灌浆套筒连接接头强屈比R_s>1.25时,判定接头力学强度符合要求。中国规范《钢筋机械连接技术规程》(JGJ 107—2016)^[16]中要求套筒接头达到Ⅲ级接头的标准为强屈比R_s>1.25。通将表4试验数据代入式(2)计算所得各试件屈服比结果如表6所示。分析表明:温度越高、缺陷程度越大,试件接头强屈比越低,呈现出高温与缺陷协同上升而劣化的规律。常温下所有试件均满足规范要求。高温下,200 ℃时除水平缺陷10%试件外,其他试件的强屈比已处于临界值点,较大缺陷程度时强屈比全部不符合要求,密实度缺陷试件力学强度性能表现最差,较低缺陷程度也不满足要求。当温度达到400 ℃及以上时,所有试件接头的强屈比均不满足要求。

2.3.3 延性比

延性比R_d为灌浆套筒连接接头极限位移δ_u与屈服位移δ_y比值,如式(3)所示。

(3)R_d=$\frac{{\delta }_{u}}{{\delta }_{y}}$

构件延性比直接反映了其塑性变形能力,根据Building Code Requirements for Structural Concrete(ACI 318-02/318R-02)^[20]中要求装配式混凝土结构建筑在中低震区需具备一定延性,当接头极限位移与屈服位移比值R_d>4时,判定接头延性满足要求。通将表4试验数据代入式(3)计算所得各试件屈服比结果如表7所示。分析表明:接头延性比呈现出随着温度与缺陷程度协同上升而劣化的趋势。常温下,接头延性比随缺陷程度增加呈递减规律, 当密实度缺陷与水平缺陷达到20%时,其延性比分别下降至4.5与5.66,但仍能满足要求,说明常温下缺陷程度达20%时试件仍具备一定的延性。高温下,200 ℃时,仅无缺陷试件及水平缺陷10%试件满足延性要求。400 ℃及以上时,所有试件延性比均不满足要求,说明灌浆套筒接头在400 ℃及以上时的延性变形能力极差。

2.3.4 连接性能指标评估模型

通过曲线拟合表5~表7的数据,建立高温和灌浆缺陷共同作用下套筒连接的屈服比、强屈比、延性比的评估模型(表8、图9)。基于高温-缺陷耦合作用下灌浆套筒连接性能指标计算模型可知,耦合作用对连接性能指标存在非线性劣化效应。高温与缺陷耦合作用显著降低了接头的力学性能指标,且对延性性能的劣化效应尤为显著。常温下所有试件连接性能指标均符合要求;200 ℃时仅较高缺陷程度试件连接性能指标超限;400 ℃时所有试件连接性能指标均不满足要求,试件的延性性能对高温更敏感。由表9高温下连接性能指标验证可知,拟合所得的计算模型随温度升高呈现偏差率递增的趋势,其中屈服比计算偏差率最小,强屈比次之,延性比偏差率最大。除M-10%-400与S-10%-400试件的延性比偏差率分别为16.51%和16.18%外(试件实测的荷载-位移曲线在下降段存在轻微的波动,导致该工况下3个平行试件的荷载-位移曲线出现偏差,这可能反映了实际试件在破坏时存在的局部材料不均性或加载条件的微小扰动),其余指标偏差率均控制在±15%以内表明该模型能够较为准确地预测高温环境下灌浆套筒接头的连接性能指标。

2.4 黏结性能

钢筋连接灌浆套筒的力学性能主要由钢筋与灌浆料界面的黏结强度决定,须保证界面黏结强度持续高于钢筋的抗拉强度,才能确保符合规范的钢筋断裂失效模式。高温和灌浆缺陷会导致套筒连接力学性能下降,并使失效模式转变为钢筋拔出。基于试验数据,分析高温和缺陷共同作用下的黏结性能变化规律,并结合厚壁圆筒理论中的混凝土-钢筋黏结强度计算方法,进行数据回归拟合,建立高温条件下含缺陷套筒连接的黏结强度预测模型。

2.4.1 黏结应力

灌浆套筒灌浆料与钢筋间的黏结应力的计算公式为

(4)τ_u=$\frac{{F}_{u}}{\pi d{l}_{a}}$

式(4)中:F_u为试件极限点对应的荷载,各工况下取3个平行试件的平均值;d为连接钢筋直径;l_a为钢筋锚固长度。

通过式(4)得出各试件不同温度下黏结应力如表10所示。由表10可知,在高温作用和缺陷影响的互相耦合下,各工况试件与常温下无缺陷对照组试件相比,其黏结应力出现了不同趋势的下降。

2.4.2 黏结性能折减率分析及计算模型

为研究高温下带有不同灌浆缺陷的套筒在单向拉伸作用下的黏结性能变化规律,结合计算结果,定义由高温环境、灌浆缺陷及缺陷程度因素互相耦合作用影响下的极限黏结应力折减率为

(5)θ_u(_w_,_T₎=$\left[1-\frac{{\tau }_{u(w,T)}}{{\tau }_{u(DZ-\mathrm{0,20})}}\right]$×100%

式(5)中:θ_u(_w_,_T₎为对应缺陷方式、缺陷程度及温度试件的极限黏结应力折减率;τ_u(_w_,_T₎为对应缺陷方式、缺陷程度及温度试件的极限黏结应力;τ_u(DZ-0,20)为20 ℃下无缺陷的极限黏结应力。

将极限黏结应力(表10)代入式(5)中得出各试件在不同温度下极限黏结应力折减率(表11)。

由表11可知,试件极限黏结应力折减率随着温度的升高和缺陷程度的增加而增大。常温下,密实度缺陷试10%件折减率显著高于水平缺陷10%试件,说明高缺陷程度下,密实度缺陷对黏结性能的劣化作用显著高于水平缺陷类型。200 ℃时,仅水平缺陷10%试件仍保持有效应力传递,其余缺陷试件折减率均突破10%,其中密实度和水平缺陷的高缺陷程度试件折减率约为30%。400 ℃时,温度与缺陷产生协同放大效应,所有试件折减率均超过20%,缺陷试件集中在35%~50%。600 ℃时,对照组试件折减率激增至35.91%,缺陷试件则普遍处于 40%~70%,表明高温已引发界面黏结机制的大幅度折减。

为直观剖析并预测高温与缺陷耦合因素作用下的套筒黏结应力折减规律,根据黏结应力折减率的变化趋势,采用指数函数拟合方法^[21],对表11中相同缺陷程度下不同缺陷类型与温度参数的试件进行线性回归分析,拟合曲线如图10所示,计算模型如表12、表13所示。

由图10可知,高温下不同形态灌浆缺陷试件黏结性能受影响的排序为:密实度缺陷>水平缺陷。带有灌浆缺陷的试件,当缺陷程度较小时在400 ℃时折减率上升幅度明显,而缺陷程度较大试件在200 ℃时折减率上升幅度就已明显。

2.4.3 高温下带灌浆缺陷试件黏结应力计算模型

Untrauer等^[22]和武立伟等^[23]指出在环向压力作用下,混凝土-钢筋界面间的黏结强度为

(6)τ_u=(1.49+0.45$\sqrt{{f}_{n}}$)$\sqrt{{f}_{c}}$

式(6)中:f_n为法向约束应力;f_c为无约束混凝土抗压强度。

灌浆套筒连接件中系统约束应力如图11所示。可以看出,在灌浆套筒连接件系统约束应力中,灌浆料-钢筋界面约束应力p_b和法向约束应力的关系为

(7)p_b=f_n

参考文献[24],根据厚壁圆筒模型应力表达式推导得出灌浆料-钢筋界面约束应力p_b计算公式,所涉及的参数有:套筒、灌浆料及钢筋的力学特性和套筒、钢筋的尺寸,如式(8)~式(11)所示。

(8)p_b=$\frac{-D(1+{\mu }_{g}){\epsilon }^{E}+MN}{KN-\frac{2D{d}^{2}}{{E}_{g,c}({D}^{2}-{d}^{2})}}$

(9)K=$\frac{{D}^{2}+{d}^{2}+{\mu }_{g,c}({D}^{2}-{d}^{2})}{2{D}^{2}}$+$\frac{{E}_{g,c}(1-{\mu }_{b,c})({D}^{2}-{d}^{2})}{2{D}^{2}{E}_{b,c}}$

(10)M=$\frac{{E}_{g,c}{\epsilon }^{E}({D}^{2}-{d}^{2})(1+{\mu }_{g})}{2{D}^{2}}$

(11)N=$\left(\frac{{D}^{2}+{d}^{2}}{{D}^{2}-{d}^{2}}-{\mu }_{g,c}\right)\frac{D}{{E}_{g,c}}$+$\left(\frac{{D}_{d}^{2}+{D}^{2}}{{D}_{d}^{2}-{D}^{2}}+{\mu }_{s,c}\right)\frac{D}{{E}_{s,c}}$

式中:p_b为灌浆料-钢筋界面约束应力;D_d为套筒外径;D为套筒内径;d为连接钢筋直径;ε^E为灌浆料自由膨胀率,取0.04%;K、M、N均为常数;μ_g为灌浆料泊松比;μ_g,c为灌浆料换算泊松比;E_g,c为灌浆料换算弹性模量;μ_b,c为钢筋换算泊松比;E_b,c为钢筋换算弹性模量;μ_s,c为套筒换算泊松比;E_s,c为套筒换算弹性模量。

代入本试验试件及材料参数计算得p_b=2.26 MPa。

将表12、表13计算所得折减率θ_u₍_w_,_T₎代入式(5)、式(6),得出本试验各工况下灌浆套筒试件黏结应力并和文献[25-26]相近工况的灌浆套筒试件黏结应力进行验证,验证结果如表14~表16所示。由表14~表16可知,本试验除M-20%-600与S-10%-400的黏结应力预测偏差率分别为14.83%和10.66%之外,其余试件偏差率均在±10%以内,而对其他文献中相近工况试件的预测结果表明:不同形态灌浆缺陷工况偏差率较小(±5%以内),高温环境工况偏差率则稳定在±15%以内。表明该计算模型能较好地预测常温和高温环境和带有灌浆缺陷的灌浆套筒灌浆料-钢筋界面黏结应力。

3 结论

对12组普通灌浆套筒连接件、24组带有密实度缺陷的灌浆套筒连接件和24组带有水平缺陷的灌浆套筒连接件进行高温环境单轴拉伸试验,得出以下结论。

(1)灌浆套筒失效模式有钢筋断裂和钢筋拔出。高温和缺陷均严重影响试件失效模式,常温下,仅密实度缺陷20%试件钢筋拔出,200 ℃时,多数缺陷试件为钢筋拔出,400 ℃时,所有试件破坏模式转变为钢筋拔出,密实度缺陷对灌浆套筒性能劣化的影响最大。

(2)无缺陷试件极限强度在200、400、600 ℃时分别下降2.58%、22.23%、35.92%,缺陷试件劣化更显著,特别是密实度缺陷10%和20%试件,200 ℃ 时较20 ℃无缺陷试件极限强度分别下降18.37%和30.07%。400 ℃及以上温度对套筒抗拉强度影响极大,缺陷试件极限强度下降达 31.39%~42.99%。

(3)采用屈服比、强屈比、延性比指标评估灌浆套筒连接性能,建立了高温和缺陷耦合作用下连接性能指标劣化计算模型。高温与缺陷耦合作用显著降低了接头的力学性能指标,且对延性性能的劣化效应尤为显著。常温下,所有试件连接性能指标均满足规范要求;200 ℃时,较大程度缺陷试件的屈服比、强屈比和延性比均超限,而较小缺陷密程度中仅密实度缺陷10%的延性比不满足要求;400 ℃及以上时,所有试件的性能指标均发生全面失效。

(4)黏结应力折减率随温度与缺陷程度的升高呈非线性提升。根据厚壁圆筒模型,建立考虑缺陷和不同温度的灌浆套筒极限黏结强度预测模型,该模型考虑了缺陷和温度的耦合效应,预测结果与试验结果吻合较好,该模型为装配式建筑的性能评估提供了理论参考。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

国家自然科学基金(52368014)

广西研究生教育创新计划(YCSW2024330)

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Received	Published	Revised
2025-08-08	2026-07-18	2025-12-16
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2026-08-04

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