0引言

装配式建筑作为推动我国实现建筑工业化的重要抓手，得到了国家和地方各级部门的大力支持，社会层面也开展了大量针对装配式建筑的研究。现阶段，装配式混凝土建筑是我国装配式建筑的主要结构形式，根据装配式混凝土结构的特性和装配式建造方式的特点，钢筋灌浆套筒连接成为装配式混凝土建筑中结构构件间最常用的一种连接方式。长期以来，由于社会各界对灌浆套筒连接形式的可靠性产生了较多的质疑，业界内对灌浆套筒的力学性能开展了大量的试验和理论分析^[1-4]，大量的研究成果也让钢筋灌浆套筒的宏观力学性能也得到了初步验证。但是，从微观的角度出发，灌浆套筒内的锚固钢筋的受力和变形情况也是直接关系到套筒性能的重要因素，本课题通过结合理论分析和试验研究，对灌浆套筒内锚固段钢筋的受力情况和变形性能进行了系统性的研究。

本课题设计了专门针对灌浆套筒内钢筋锚固段的受力及变形研究的创新性试验试件，通过对试件进行单向拉伸、高应力反复拉压、大变形反复拉压等试验，根据试件内锚固段灌浆料的崩裂情况，通过测量得到套筒内钢筋最终的有效锚固长度，并据此结合理论分析提出灌浆套筒内连接钢筋变形的计算方法，根据此方法计算得出的钢筋有效锚固长度为设计时验算连接节点处的钢筋延性和灌浆套筒连接的整体可靠性提供了理论支持。

为充分分析灌浆套筒内锚固钢筋的受力情况，本次试验设计了一种双套筒试件，试件分为双半灌浆套筒和双全灌浆套筒，试件的示意图见图1。

图1 双灌浆套筒试件示意图Fig.1 Schematic diagram of double grouting sleeve specimen

本次试验设计的双灌浆套筒试件主要是为保证试验时外露钢筋的破坏和灌浆料与锚固段钢筋的崩裂均发生在中间的连接部位，根据文献^[5-6]为理论基础，半套筒的外端连接钢筋（螺纹端）均采用比中间部分连接钢筋大两个直径型号以上的钢筋，而全套筒的外端连接钢筋采用比中间连接钢筋大一个直径型号的钢筋，这样既保证了钢筋的破坏发生在中间连接处，又形成了一个对称的结构，这样一组试件就可以发生两个对称的锚固段破坏，可用于对比分析的试验结果更多也更具有参考性。本次试验共制作了12组双灌浆套筒试件，其中6组为双全套筒（25/22，28/25各三组），6组为双半套筒（25/18，32/22各三组），按照国家行业标准《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》JGJ 355-2015 ^[7]中关于单向拉伸、高应力反复拉压、大变形反复拉压的实验要求，按表1的试验项目对试件开展试验研究。

表1 试件规格及试验项目Table 1 Specimen specification and test items

由试验现象可得，试验过程中，当试验试件达到极限抗拉强度时，都是中间的连接钢筋发生破坏，而不同试件由于外端连接钢筋的直径不同，受力情况和变形情况也不同，由表2可以计算出不同试件在中间连接钢筋达到极限抗拉强度时，外端连接钢筋的应力情况。

由表2可知，所有的半灌浆套筒试件的外端钢筋在极限状态时都未达到屈服强度（400~440 kPa），则半灌浆套筒试件在达到极限状态时外段钢筋产生的变形可以忽略不计。

表2 灌浆套筒连接钢筋尺寸及应力情况Table 2 Size and stress of grouting sleeve connecting steel bar

表2中全灌浆套筒试件的外端钢筋的等效拉应力均超过了钢筋母材的屈服强度，此时外端钢筋会产生一定的塑性应变，因此外端钢筋的变形不可以忽略。以外部钢筋直径25 mm的套筒试件为例，需根据表2中全套筒外端钢筋的等效拉应力大小结合图5中25 mm钢筋母材在对应的拉应力作用下的应变量，再通过全套筒外端（两端）钢筋的自由段长度，计算得出在试验达到及现状态时外端钢筋产生的变形量，同理可以计算使用28 mm直径的外端钢筋的试件产生的变形量。

表3为各组灌浆套筒试件在夹具间的总长度、两端钢筋的长度、两端钢筋的总变形量、试件在极限状态时的总变形量、中间连接钢筋产生的变形量（包括裸露段和灌浆料崩裂后增加的裸露钢筋产生的形变的总和）等数据。

图5 25 mm钢筋母材单向拉伸试验荷载—位移图Fig.5 Load-displacement diagram for uniaxial tensile test of 25 mm steel bar base material

表3 灌浆套筒试件产生变形量的试验测量值Table 3 Test measurement of deformation of grouting sleeve specimen

由表3中得出的各试件中间连接钢筋的变形量和不同直径钢筋母材在极限拉应力下的应变（伸长率），可以反算出极限状态下中间连接段发生变形的钢筋的总长度，计算结果如表4所示。

表4 根据试验测得变形量反算的发生变形的中间段连接钢筋总长度Table 4 The total length of connecting steel bar in the deformed middle section calculated according to the deformation measured in the test

另外，根据公式（4）计算的灌浆料发生崩坏的深度和试件中间连接处原本裸露在外的钢筋自由段的长度（56 mm），可以通过计算得到试件在极限状态时发生变形的中间连接钢筋的总长度，具体计算结果和试验数据的对比如表5所示。

由表5的数据对比可知，计算结果和试验数据的结果误差在1%~15%之间（试件22-全-3、25-全-3和22-半-3在试验过程中发生失稳等情况，不作为对比数据），表5的对比结果表明，使用本研究所推导的计算套筒口灌浆料崩裂深度的方法得到的理论计算结果和通过试验得到的结果具有可比性，推导计算公式时假设的极限状态下锚固段钢筋表面的受力分布（图4）可认为是一种针对灌浆套筒内钢筋受力情况的合理假设。

表5 发生变形的中间段连接钢筋总长度理论计算值和试验测量值的对比Table 5 Comparison between the theoretical calculation value and the experimental measurement value of the total length of connecting steel bar in the deformed middle section

（1）本研究通过对套筒内锚固钢筋在不同工况下表面所受应力变化的假设，使用数学推导的方法得出了灌浆套筒在极限状态下套筒内灌浆料崩裂深度与连接钢筋锚固长度间的关系的解析计算方法，并将计算结果与试验结果进行了对比，证明了该计算方法具有可行性；

（2）本研究通过试验，证明了套筒内的钢筋锚固段的灌浆料在极限状态下会发生崩裂，说明灌浆套筒内钢筋的锚固长度必须得到保证；

（3）套筒内部灌浆料的崩裂导致一部分锚固段钢筋形成了新的自由段，灌浆套筒的整体延性性能得到了提高，运用本课题推导的计算方法，为设计时验算连接节点的延性和可靠性提供了理论支持，解决了业界长期以来对灌浆套筒连接延性性能的质疑。