高温后套筒灌浆连接大变形反复拉压力学性能研究.pdf

Mechanics in Engineering,2023,45(3):535-543LiuLianglin.Studyonmechanicalbehaviorsof post-firegroutedsleeveconnections under large strain of cyclic loading.引用格式：刘良林.高温后套筒灌浆连接大变形反复拉压力学性能研究.力学与实践，2 0 2 3，453)：53 5-5432022-07-18收到第1稿08-30收到修改稿力2023年实6月第45 卷第3 期践学高温后套筒灌浆连接大变形反复拉压力学性能研究1)刘良林2)（井冈山大学建筑工程学院，江西吉安，3 43 0 0 9)摘要套筒灌浆连接是预制混凝土结构当前钢筋连接的主要方式之一。基于套筒受力状态不明的问题，考虑高温作用的影响以及抗震需要，开展高温后（最高温度6 0 0）套筒灌浆连接试件的大变形反复拉压试验研究，探讨套筒应力分布与连接力学性能发展规律。当套筒灌浆料抗压强度为6 1.3 MPa时，试验结果表明：套筒环向处于弹性状态，但其中部的纵向将进入弹塑性受力状态；套筒灌浆连接试件失效模式由套筒外钢筋断裂转向钢筋与套筒灌浆料界面粘结滑移失效的关键温度为40 0；相对常温值，高温后试件的峰值载荷与峰值位移分别下降约为12%与17%。关键词套筒灌浆连接，高温作用，大变形反复拉压，失效模式，套筒应变中图分类号：TU375文献标识码：Adoi:10.6052/1000-0879-22-417STUDYONMECHANICALBEHAVIORSOFPOST-FIREGROUTEDSLEEVECONNECTIONS UNDER LARGE STRAIN OF CYCLIC LOADINGI)LIU Lianglin2)(College of Building Engineering,Jinggangshan University,Jian 343009,Jiangxi,China)AbstractGrouted sleeve connection is one of the main measures for steel rebar splicing of precast concretestructures at present.Aimed to figure out the stress state of sleeve,a post-fire grouted sleeve connectionexperiment with 12 specimens under large strain of cyclic loading was exerted to investigate the stressdistribution development of sleeve and mechanical behaviors of the specimens by taking the elevatedtemperature and earthquake into account.There were lots of findings when the compressive strength of groutwas 61.3 MPa as follows:the sleeve is in elastic state in the circumferential direction and elastic-plastic state inthe longitudinal direction in the middle of the sleeve;the crucial temperature is 400 w h e n t h e f a i l u r e p a t t e r nof post-fire specimens changes from rebar fracture outside the sleeve to the bond slip failure between grout andsteel rebar;compared to the values at ambient temperature,the peak load and peak displacement of the post-fire specimens decrease about 12%and 17%respectively.Keywordsgrouted sleeve connection,elevated temperature,large strain of cyclic loading,failure pattern,sleeve strain自2 0 世纪6 0 年代末被发明以来，套筒灌浆连接技术已成为当前预制混凝土结构中受力钢筋连接的主要方式之一。尤其是Einea等采用普通套筒制备套筒灌浆连接后，国内外掀起了套筒灌浆连接力学性能研究的热潮，形成了有益的结论。Ling等 2-4开展可组装套筒、锥形套筒、方1）江西省教育厅科技计划（GJJ201010)，吉安市科技支撑项目（吉市科计字2 0 2 1 8 号工业5）和井冈山大学博士科研启动项目（JZB2208）资助。2)刘良林，讲师，主要从事混凝土结构防灾减灾与加固研究。E-mail：46 0 56 4441 q q.c o m力536实践学2023年第45卷形套筒等制备套筒灌浆连接单调递增受拉的力学性能研究，发现锥形套筒更适合于制备套筒灌浆连接。郑永峰等 5-6 和Zheng等 7 开展了普通钢管冷轧制备变形套筒的套筒灌浆连接单调递增受拉、反复拉压作用的力学性能研究，可实现连接接头晚于被连接钢筋破坏。Zhang等 18-10 开展高温作用套筒灌浆连接的单调递增受拉力学性能研究，发现连接接头承载能力、失效模式随着温度升高分别会下降、改变。肖建庄等 1、Xiao等 12 和Liu等 13 开展高温后套筒灌浆连接单向拉伸、反复拉压的力学性能试验研究，明确了40 0 为套筒灌浆连接力学性能变化的关键温度。在套筒灌浆连接受力过程中，普遍认为1.1415套筒处于弹性状态，也有研究表明套筒环向处于塑性状态，甚至出现套筒断裂7。考虑到套筒对套筒灌浆连接的重要作用 1,14，有必要开展专营套筒的受力状态研究。基于此，本文开展高温后套筒灌浆连接反复拉压试验研究，高温作用包括常温（约为20），2 0 0，40 0，6 0 0 共4种温度类型，高温作用后开展大变形反复拉压加载试验，在套筒外表面均布纵横向应变片监测套筒应力的发展，还探讨套筒灌浆连接力学性能发展规律，为地震区预制混凝土结构使用提供技术支持。1试验设计1.1材料强度套筒灌浆料采购自上海某公司生产的套筒灌浆连接专用灌浆料，按照干料：水=1：0.13 配置混合料后搅拌制备套筒灌浆料试块（40 mm40mm160mm），测试得到2 8 天套筒灌浆料抗压强度平均值为6 1.3 MPa，标准差为3.6 MPa。钢筋采用直径2 0 mm的三级钢（HRB400），实测屈服强度、抗拉强度的平均值分别为47 4.5MPa、662.4MPa，相应标准差分别为12.4MPa、12.3MPa。实测钢筋的弹性模量平均值为2 0 6.8 GPa，标准差为5.3 GPa。根据厂家提供的材料，球墨铸铁套筒的特征参数：外径为52 mm，厚度为4mm，长度为3 7 0 mm，屈服强度为48 3 MPa，弹性模量为2 10 GPa。1.2试件构造根据钢筋机械连接技术规程(JGJ 1072016）16 的规定，套筒灌浆连接的尺寸要求如图1(a)所示，图中lo和li分别为加持区、测量区的长度且l100mm，L 和d分别为套筒长度、钢筋直径。假设加持区、测量区的长度均为10 0 mm，根据套筒长度，计算得到套筒灌浆连接试件的基pumping inletsleevegrouting inletsteel rebarlo2d1122dL2d12dlo(a)JGJ107201616)的尺寸要求(a)Size requirements from JGJ 107-201616extensometer135656535loadingpumping inlet sleevegrouting inletsteelloadingendrebarstrainend1311975T14T12strainT610T1(2)3(4)100401354045707070704540135401003153703151000(b)实际尺寸(单位：mm)(b)Real sizes of specimens(unit:mm)图1套筒灌浆连接尺寸设计Fig.1Configurations of grouted sleeve connection specimens537第3 期刘良林：高温后套筒灌浆连接大变形反复拉压力学性能研究本长度为9 3 0 mm，实际取10 0 0 mm，见图1(b)。试件的其余特征，见表1。表1中，GS-M-CL-XXX的编号字母含义：GS表示套筒灌浆连接；M为Month的首字母，表示套筒灌浆连接在实验室环境条件下养护天数为4周；CL为“largestrainof cyclicloading”的简称，表示加载制度类型为大变形反复拉压；XXX表示温度作用的类型，包括AT（常温，近似取2 0），2 0 0，400，6 0 0。套筒灌浆连接试件数量一共为12个。表1套筒灌浆连接试件特征Table 1 Features of grouted sleeve connection specimensLabels of specimensGrout typeLoading regimeTemperaturetypes/CQuantityof specimensGS-M-CL-ATMCL203*GS-M-CL-200MCL2003GS-M-CL-400MCL4003GS-M-CL-600MCL6003注：*表示试件组的第1个试件为预试验试件。1.3测量方案按照JGJ1072016的要求 16，反复拉压载荷作用下套筒灌浆连接的变形测量范围为套筒长度各外推2 倍钢筋直径，即该范围长度为450 mm。因此，根据实验室引伸计的长度，选择50 0 mm的引伸计（量程15mm），并对称布置于套筒两侧，见图1(b)。在钢筋表面（距离套筒10 0 mm处）设置应变片，同时在试件组的第3 个试件套筒表面距离套筒端部45mm按照间距7 0 mm设置纵环向应变片，见图1(b)，用于监测钢筋、套筒的应力发展。在图1(b)中，应变片的编号为：1（2）、3（4）表示钢筋正面、背面的4个应变片编码；514为套筒表面的应变片，其中奇数为纵向、偶数为环向应变片的编码。采用加载设备的输出载荷作为试件受力，还收集设备输出位移作为试件位移。1.4升温方案试验设置常温（约2 0），2 0 0，40 0，600共4个目标温度。其中，高温试验在同济大学工程结构抗火实验室开展，利用实验室中的封闭电炉实施，电炉的额定功率为3 6 kW、控温精度为土1.5、最大温度为10 0 0。每种目标温度的具体升温过程见图2，要求达到目标温度后恒温6 0 min，然后关闭电源，套筒灌浆连接试件随炉温冷却至室温后从电炉内取出、封存。1.5加载制度根据钢筋机械连接技术规程(JGJ 1072016 16 白的规定，大变形反复拉压的加载方法包括两部分：循环加载、单调递增，见图3。本文中根据混凝土结构设计规范（G B 50 0 10 2010)(2015年版)17 取钢筋屈服承载力Fy为700200-400600600500O/L4003002001000050100150200tr/min图2升温过程Fig.2Heating programsF个FuF1time-0.5Fycycle4cycles图3大变形反复拉压加载Fig.3Large strain of cyclic loading力实538学2023年第45卷践125.6kN。大变形反复拉压时（图3），循环加载由F1下落至-0.5Fy，共4个循环，其中F1为按照套筒灌浆连接应用技术规程（JG J 3 552015）18 进行变形加载值修正后的拉力。然后，由0.5F单调递增受拉加载至试件失效（Fu为峰值载荷），见图3。为了调试设备与程序，对于前述循环加载过程实施预加载。2试验现象2.1高温试验在高温作用过程中，并未听到异常的声响。试件冷却至室温后，主要是6 0 0 高温作用后试件套筒的表面颜色由常温下的青灰色变成红褐色（图4）。试件冷却至室温从电炉取出后，从灌浆孔可以发现套筒灌浆料表面存在随机分布的细小裂纹（图4(b)），表明高温作用引发的温度裂缝对接头试件造成了一定程度的初始损伤。2.2加载试验在加载过程中，随着载荷的增大，套筒底部均有套筒灌浆料块下落至加载设备底座（图5）。加载结束时，出现两种失效特征：第一种是随着载荷的增大，套筒外钢筋某个部位发生颈缩，输出载荷达到峰值后缓慢下降而后呈现跌落式下降，随着一声巨响后出现钢筋断裂且位置为套筒外，见图5(a)和图5(b)；第二种是达到峰值载荷后，输出载荷快速下降，套筒灌浆料附着于钢筋表面并随钢筋徐徐拔出套筒，但钢筋不断裂，见图5(c)和图 5(d)。(a）灌浆孔升温前(a)Grouting inlet before heating009-H)(b）灌浆孔升温后(b)Grouting inlet after heating图4高温试件特征Fig.4Features of post-fire specimensGS-M-CL-400GS-M-CL-600(a)GS-M-CL-400试件(b)GS-M-CL-400试件局部(c)GS-M-CL-600 试件(d)GS-M-CL-600试件局部(a)The specimen labelled(b)Part of the specimen labelled(c)The specimen labelled(d)Part of the specimen labelledGS-M-CL-400GS-M-CL-400GS-M-CL-600GS-M-CL-600图5加载高温试件特征Fig.5Features of post-fire specimens under loading2.3载荷（F)-位移(D)曲线根据温度作用类型的不同，绘制试件的F-D曲线，见图6。从图6 中发现：F-D曲线均包括直线上升段、屈服平台段、强化段、下降段四部分；试件F-D曲线在达到峰值点前形状接近；当进入下降段后，常温，2 0 0，40 0 试件F-D曲线表现为垂直下落，6 0 0 试件的F-D曲线表现为先快速下降后又波动上升、回落的典型粘结滑移失效特征。基于许成顺等 19 建议，将F-D曲线上升段与下降段相交点作为屈服载荷与539刘良林：高温后套筒灌浆连接大变形反复拉压力学性能研究第3 期屈服位移的取值点，得到各个试件的相关值均列入表2。同时，将F-D曲线的峰值点载荷（峰值载荷，Pmax）与相应位移多（峰值位移，Dmax）也列入表2。2202201701701201207070-GS-M-CL-AT-1GS-M-CL-200-120-GS-M-CL-AT-220GS-M-CL-200-2GS-M-CL-AT-3-30GS-M-CL-200-3-30-80-80-101030507090110-101030507090110D/mmD/mm(a)GS-M-CL-AT(b)GS-M-CL-200220220170170120120NY/7070GS-M-CL-400-1GS-M-CL-600-12020GS-M-CL-400-2GS-M-CL-600-2-GS-M-CL-600-3-30GS-M-CL-400-3-30-80-80-101030507090110-101030507090110D/mmD/mm(c)GS-M-CL-400(d)GS-M-CL-600图6F-D曲线Fig.6F-Dcurves表2高温试件的力学性能参数Table 2Mechanical behaviors of post-fire specimensYieldSpecimenFailureYield loads/kNPmax/kNDmax/mmGroupsdisplacement/mmorders patternsindividualaverageindividualaverageindividualaverageindividualaverage1*GS-M-CL-AT21155.9151.63.53.5218.8213.282.175.831147.33.5207.569.511145.83.3201.476.5GS-M-CL-20021133.4142.33.33.3190.4197.867.673.131147.83.2201.575.111133.63.2190.859.3GS-M-CL-40021144.1139.93.53.3200.3196.386.866.531142.13.2197.853.41I133.43.3183.048.6GS-M-CL-6002I131.9133.53.53.3193.0188.272.362.83I135.33.2188.567.4注：*表示预试验试件，其结果不纳入计算。2.4套筒应变根据套筒表面应变的测量结果，按照温度作用情况，分别绘制套筒应变随加载进程的分布曲线，见图7。根据套筒特征参数可知，套筒的屈力540实践学2023年第45卷服应变为2.3 0 0 10-3，将其以常数形式列入图7中。根据余志武等 2 0 的研究，不大于3 50 高温后钢筋的弹性模量与常温值一致，不大于40 0 高温后钢筋的屈服强度不低于常温值，大于40 0 高温后钢筋的弹性模量、屈服强度下降趋势接近。基于此，本文认为不大于6 0 0 高温后套筒屈服应变等于常温值，即取2.3 0 0 10 3，并在各种温度作用后套筒灌浆连接的套筒纵向应变中列出套筒的屈服应变，见图7(b)，图7(d)、图7(f)中水平直线。Yield strain-.-9th strain5th strain.1lth strain0.26th strain2.57th strain13th strain0.28thstrain0.15-10th straine-O/()ses as20,12th strain0.114th strain1.5-0.20.0500.4-0.056th strain0.50.6-8th strain-0.1.-10th strain0-0.812th strain-0.15-14th strain-0.2-0.5100.20.40.60.81.01.200.2 0.4 0.6 0.81.01.200.20.40.60.81.01.2relative time historyrelative time historyRelative time history(a）营常温横向(b)常温纵向(c)200 横向-5th strain 7th strain3.5r 5th strain 7th strain0.23.5r-.-9th strain-.1lth strain:-9th strain-.1lth strain-13thstrain.Yieldstrain313th strain.Yield strain302.52.520.221.51.5-0.4110.5-0.66th straiin0.58th strain00.-10th strain-0.8-0.5-.12th strain0.5-14thstrain00.20.4 0.60.81.01.200.20.40.60.81.01.200.20.40.60.81.01.2relative time historyrelativetimehistoryrelative time history(d)200纵向(e)400横向(f)400纵向0.43.5-5th strain 7th strain.-9thstrain-.1lthstrain-01/(0009)sure4s313thstrain.Yield strain0.22.5020.21.50.416th strain-8th strain0.5-0.6-10th strain0.12thstrain-0.8-14th strain-0.51100.20.40.60.81.01.200.20.40.60.81.01.2relative time historyrelative time history(g)600 横向(h)600 纵向图7套筒应变Fig.7Sleeve strains541刘良林：高温后套筒灌浆连接大变形反复拉压力学性能研究第3 期3试验结果分析3.1失效模式根据上述试验加载现象，判断加载结束后第一种特征的失效模式为套筒外钢筋断裂，视为失效模式I；第二种特征的失效模式为钢筋与套筒灌浆料界面粘结滑移失效，视为失效模式II；不同温度作用后试件的失效模式见图8。因此，所有试件的失效模式包括两种类型，分别列于表2。从表2 发现，不大于40 0 高温作用后CL加载试件均发生失效模式I，6 0 0 高温作用后CL加载试件均发生失效模式II。这应该与套筒灌浆料强度的下降有重要关系，Zhu等 2 1研究发现400，6 0 0 高温作用后套筒灌浆料抗压强度分别为常温值的40%和2 7%，表明6 0 0 高温作用后套筒灌浆料基本失去了承载能力。因此，40 0 是高温作用后套筒灌浆连接失效模式转变的关键温度，反映了试件的载荷-位移曲线类型特征，与文献 11-13 的研究结果一致。由此表明，高温作用达到门槛值后对套筒灌浆连接的失效模式具有重要影响。3.2载荷与位移从表2 可以看出：随着温度作用的提升，屈服载荷、峰值载荷、峰值位移逐渐下降，屈服位移基本不变；相对常温值，屈服载荷、峰值载荷最大下降幅度约为12%，峰值位移下降幅度可达17%。因此，不大于6 0 0 高温作用对于试件的承载力影响较小，但是峰值位移影响比较明显。高温作用降低了套筒灌浆料与钢筋的界面粘结能力 2 1，导致套筒灌浆连接的整体性下降，虽然被连接钢筋都进入了屈服阶段，但6 0 0 高温作用后试件的被连接钢筋未达到抗拉强度即发生试件失效，因此峰值位移下降幅度较明显而承载力下降不明显，与Zhang等 9 的试验结果较为一致。基于表2 中的数据，考虑到峰值载荷的重要性，绘制峰值载荷（Pmax）及其位移（峰值滑移，Dmax）与温度作用（T）关系，见图9。从图9 中发现二者均与温度变化呈现近似线性关系。经过拟合分析，以高温作用为变量，建立试件的峰值载荷与峰值位移的计算表达式Pmax=0.039 1T+210.8(20 T 6 0 0)(1)Dmax=0.023 6T+76.734(20 T 6 0 0)(2)图8 失效模式类型Fig.8Types offailurepatterns21580公70210Pmax=-0.039 1T+210.860uu/xeua205Dmax=-0.023 6T+76.734NX/R2=0.880 750R2=0.980 5/xeud20040301952019010185001002003004005006007000100200 300 400 500600700T/T/(a)Pmax-T(b)DmaxT图9 峰值载荷与峰值位移的发展Fig.9Development of peak loads and displacements3.3套筒受力从图7 可以看出：套筒中部的纵向应变（应变片9）最大，印证了套筒中部受力最大的传力机制 14；处于对称位置的应变片，如应变片5与13、应变片7 与11，在加载过程中的应变值并不完全一致，反映了套筒内部结构并不对称，套筒构造见Zheng等 2 提供的套筒简图；图7(a)，图7(c)，图7(e)，图7(g)中，套筒环向应变绝对最大值7.9 9 10-4低于屈服应变值2.3 0 0 10-3，表明套筒环向始终处于弹性状态；图7(d)，力与实5422023年第45卷践学图7(f)，图7(h)中，套筒纵向应变的最大值均超过了屈服应变值，虽然图7(b)中因为应变片提前失效而未展现该特征，仍可以安全地推断套筒中部区域的纵向已经进入了塑性状态，表明套筒可能会在中部发生断裂，印证了Zheng等 7 的试验结果。必须指出的是，套筒纵向、环向处于弹性状态仍然是套筒灌浆连接力学性能充分发挥、保障结点性能不低于被连接钢筋的重要要求，应当避免套筒进入弹塑性状态，杜绝套筒断裂失效模式的发生。3.4连接接头的整体性能从图6 可以看出，试件载荷-位移曲线与典型的单独钢筋受拉曲线形状较为一致，尤其是发生套筒外钢筋断裂的试件。特别值得关注的是，在不超过6 0 0 高温作用后，发生钢筋与套筒灌浆料粘结滑移失效的试件曲线也与单独钢筋受拉载荷-位移曲线接近，且具有强化段。基于此，建议以双折线模型作为高温后（不大于6 0 0）套筒灌浆连接的本构关系模型，表达套筒灌浆连接的整体受力特征，其存在以下的优势：开展套筒灌浆连接预制构件有限元分析时，能减少单元数量与种类、节约计算内存、提升计算效率；克服了套筒灌浆料、套筒、钢筋及相应材料界面本构关系与材料热工参数的选择难题，尤其是当前鲜见套筒灌浆料与套筒的本构模型和热工参数研究报道；表征了套筒灌浆连接的功能在于整体发挥作用。4结论通过12 个高温后（不大于6 0 0）套筒灌浆连接反复拉压试件的试验研究与结果分析，得到以下结论。（1）失效模式包括套筒外钢筋断裂、套筒灌浆料与钢筋粘结滑移失效两种类型，套筒灌浆连接失效模式受高温作用影响显著，40 0 为失效模式转变的关键温度。（2）随着温度的提升，高温后套筒灌浆连接试件的屈服位移基本不变，峰值载荷、屈服载荷、峰值位移逐渐变小；相对常温值，6 0 0 高温作用后试件峰值载荷与屈服载荷、峰值位移的下降幅度分别约为12%和17%。（3）套筒环向处于弹性状态，中部的纵向会进入弹塑性状态。（4）建议采用双折线模型表达套筒灌浆连接大变形反复拉压作用的整体受力特征。参考文献1 Einea A,Yamane T,Tadros MK.Grout-filled pipe splicesfor precast concrete construction.PCI Journal,1995,40(1):82-932 Ling JH,Rahman ABA,Mirasa AK,et al.Performance ofCS-sleeve under direct tensile load:part I:failure modes.Malaysian Journal of Civil Engineering,2008,20(1):89-1063 Ling JH,Rahman ABA,Ibrahim IS.Feasibility study ofgrouted splice connector under tensile load.Constructionand Building Materials,2014,50:530-5394 Ling JH,Rahman ABA,Ibrahim IS,et al.Tensile capacityof grouted splice sleeves.Engineering Structures,2016,111:285-2965郑永峰，郭正兴，曹江.新型灌浆套筒的约束机理及约束应力分布.哈尔滨工业大学学报，2 0 15,47(12)：10 6-111Zheng Yongfeng,Guo Zhengxing,Cao Jiang.Confinementmechanism and confining stress distribution of new grout-ing 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