一种考虑灌浆密实性的套筒接头抗拉承载力评估方法与流程

本发明涉及套筒接头抗拉承载力计算领域，特别是一种考虑灌浆密实性的套筒接头抗拉承载力评估方法。

背景技术：

近几年来，随着结构产业化发展，装配式建筑成为当前建筑工业化大力推广和发展的主要结构形式之一。然而，与现浇式建筑相比，装配式建筑的整体性和连接质量仍是人们关注的热点问题，而现有的连接方式中的湿法连接主要采用灌浆套筒接头。灌浆套筒接头利用无收缩灌浆料作为粘结材料来连接钢筋以确保荷载传递的连续性。套筒通常采用铸造工艺或机械加工工艺制造，灌浆料以水泥为基本材料，配以细骨料，以及混凝土外加剂和其他材料组成的干混料，加水搅拌后具有良好的流动性、早强、高强、微膨胀等性能。

套筒接头的灌浆质量属于暗箱，在实际施工中影响梁筋连接套筒灌浆质量的因素不易控制，比如施工人员没有严格遵守规范进行施工操作、灌浆料浆体泌水等，往往部分套筒接头存在灌浆密实度不好、顶部脱空缺陷，导致其使用过程中易发生弯曲破坏，造成接头处产生很大的拉伸应力，给装配式建筑的运营埋下了安全隐患。

国外目前的研究主要是基于加工工艺、外形及内腔构造的套筒接头的单调拉伸性能，虽然灌浆密实度对套筒接头力学性能有一定的影响，但尚未见报道。而在套筒接头抗拉承载力的计算方面，目前主要集中在完全密实的接头抗拉承载力上面，如Jen Hua Ling等研究了WBS和THS两种套筒，通过拟合18个(9个WBS和9个THS)完全密实的套筒接头单调拉伸试验数据，得到钢筋-灌浆料粘结力-滑移模型，与接头钢筋的抗拉承载力相比较，得到套筒接头的抗拉承载力预测值。结果表明：套筒接头的抗拉承载力预测值与试验值相比有±10％的偏差。近十年来，国内也开始了灌浆套筒技术研究，但主要是基于龄期和钢筋种类、外形及内腔构造的套筒接头单调拉伸性能的研究，如接头失效模式与抗拉承载力、钢筋应变、套筒表面应变等。灌浆密实度对于套筒接头乃至装配式建筑的整体力学性能影响巨大，而基于灌浆密实度的套筒接头抗拉承载力评估方法的研究未见报道。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提出一种考虑灌浆密实性的套筒接头抗拉承载力评估方法，仅通过套筒及钢筋的设计参数即可评估套筒接头的抗拉承载力。

本发明采用以下方案实现：一种考虑灌浆密实性的套筒接头抗拉承载力评估方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：根据试验给出关键参数A、B的值；

步骤S2：通过钢筋-灌浆料粘结力滑移模型计算实际钢筋-灌浆料粘结力P_b；

步骤S3：根据接头钢筋的抗拉承载力计算公式计算接头钢筋的抗拉承载力T_b；

步骤S4：通过比较钢筋-灌浆料粘结力P_b和接头钢筋的抗拉承载力T_b给出套筒接头的抗拉承载力P_u。

进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21：测试大批量的不同灌浆密实度的套筒的横向拉应变ε_t,sl’、大批量的不同灌浆密实度的套筒弹性模量E_sl’、大批量的不同灌浆密实度的灌浆料平均抗压强度f_u,g’、大批量的不同灌浆密实度的套筒壁厚t_sl’、大批量的不同灌浆密实度的套筒内径d_sl’、大批量的不同灌浆密实度的接头钢筋的直径d_b’、大批量的不同灌浆密实度的钢筋锚固长度l_b’、大批量的不同灌浆密实度的钢筋-灌浆料粘结力P_b’；

步骤S22：采用下式计算不同灌浆密实度的灌浆料作用于钢筋的切向约束应力u_n：

其中，T_t,sl为套筒接头横向拉力，d_sl为套筒内径，l_b为钢筋锚固长度；

步骤S23：采用下式计算不同灌浆密实度的灌浆料作用于钢筋的法向约束应力u_n,b：

其中，d_b为接头钢筋直径，ε_t,sl为套筒应变，t_sl为套筒壁厚，E_sl为套筒弹性模量；

进而得出大批量试验中考虑不同灌浆密实度的各构件的灌浆料作用于钢筋的法向约束应力u_n,b'为：

其中，d_b’为大批量试验中单个接头钢筋直径；ε_t,sl’为大批量试验中套筒的横向拉应变；E_sl为大批量试验中套筒弹性模量；t_sl’为大批量试验中套筒壁厚；

步骤S24：采用下式计算大批量不同灌浆密实度的钢筋-灌浆料粘结应力u_b'：

步骤S25：根据u_b的增长与u_n,b的关系函数并结合S23和S24测试计算的u_b'、u_n,b'和大批量测试的灌浆料平均抗压强度f_u,g’，通过最小二乘法拟合参数A和B；

其中，u_b与u_n,b的关系函数为：

其中，f_u,g为灌浆料平均抗压强度；

步骤S26：采用下式计算实际灌浆套筒的钢筋-灌浆料粘结力P_b：

进一步地，所述步骤S3具体为：采用下式计算接头钢筋的抗拉承载力T_b：

其中，k₂为钢筋抗拉强度和屈服强度的比值，f_y为接头钢筋的屈服强度。

进一步地，所述步骤S4具体为：采用下式计算套筒接头的抗拉承载力P_u：

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1、本发明仅通过套筒及钢筋的设计参数即可评估套筒接头的抗拉承载力。

2、本发明考虑了套筒灌浆的密实度，但又无需知道实际结构中套筒的灌浆密实度。

3、本发明不会对构件造成任何损伤，能够对建筑产品的质量实现监控，防止因连接失效引起的灾难性后果。

附图说明

图1为本发明实施例中套筒-灌浆料应力示意图。

图2为本发明实施例中灌浆料应力示意图。

图3为本发明实施例中套筒应力示意图。

图4为本发明实施例中接头钢筋拉断破坏示意图。

图5为本发明实施例中钢筋-灌浆料粘结滑移破坏示意图。

图6为本发明实施例中4种灌浆工况示意图。

图7为本发明实施例中与的拟合示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施例提供了一种考虑灌浆密实性的套筒接头抗拉承载力评估方法，是一种通过对不同灌浆密实度套筒(含钢筋)的试验测试对实际装配式结构的灌浆套筒(含钢筋)的抗拉承载力进行评估计算的方法。

首先根据试验给出关键参数A和B值，随后通过所提的钢筋-灌浆料粘结力滑移模型计算实际钢筋-灌浆料粘结力P_b，同时根据接头钢筋的抗拉承载力计算公式计算接头钢筋的抗拉承载力T_b，最终通过比较钢筋-灌浆料粘结力P_b和接头钢筋的抗拉承载力T_b给出套筒接头的抗拉承载力P_u。

具体的，其中，根据接头钢筋的抗拉承载力计算公式计算接头钢筋的抗拉承载力T_b，最终通过比较钢筋-灌浆料粘结力P_b和接头钢筋的抗拉承载力T_b，给出套筒接头的抗拉承载力P_u。具体包括以下步骤：

S1：测试大批量的不同灌浆密实度的套筒(含钢筋)的横向拉应变ε_t,sl’、套筒弹性模量E_sl’、灌浆料平均抗压强度f_u,g’、套筒壁厚t_sl’、套筒内径d_sl’、接头钢筋的直径d_b’、钢筋锚固长度l_b’、钢筋-灌浆料粘结力P_b’、钢筋抗拉强度值等套筒和接头钢筋参数。

S2：首先计算不同灌浆密实度的灌浆料作用于钢筋的切向约束应力u_n为：

由于套筒横向拉应力f_t,sl是套筒应变ε_t,sl和套筒弹性模量E_sl的函数：

f_t,sl＝ε_t,slE_sl；

而f_t,sl由套筒纵截面面积控制，即：

式中：t_sl为套筒壁厚，l_b为钢筋锚固长度；T_t,sl为套筒接头横向拉力；

即可得出：

T_t,sl＝ε_t,sll_bt_slE_sl；

结合图1至图3，根据静力平衡原理有：

2T_t,sl＝u_nd_sll_b；

式中：d_sl为套筒内径；u_n套筒对对灌浆料作用的约束应力；

那么：套筒对灌浆料作用的约束应力u_n为：

S3：计算不同灌浆密实度的灌浆料作用于钢筋的法向约束应力u_n,b：

由于套筒对灌浆料作用的约束力F_n是套筒对灌浆料作用的约束应力u_n和套筒内表面积A_c,sl的乘积，即：

F_n＝u_nA_c,sl＝u_nπd_sll_b；

又因为套筒对灌浆料作用的约束力等于灌浆料作用于钢筋的约束力，所以灌浆料作用于钢筋的法向约束应力u_n,b：

式中：d_b为接头钢筋直径；

那么试验测试中考虑不同灌浆密实度的各构件的灌浆料作用于钢筋的法向约束应力u_n,b′为：

式中：d_b’为大批量试验中单个接头钢筋直径；ε_t,sl’为大批量试验中套筒的横向拉应变；E_sl为大批量试验中套筒弹性模量；t_sl’为大批量试验中套筒壁厚；

S4：计算不同灌浆密实度的钢筋-灌浆料粘结应力u_b：

由于钢筋-灌浆料粘结力P_b通过粘结应力u_b和钢筋-灌浆料接触面积的乘积来计算，即：

P_b＝πd_bl_bu_b；

那么，根据测试的不同灌浆密实度的钢筋-灌浆料粘结力P_b’可以计算所对应的钢筋-灌浆料切向粘结应力u_b’：

S5：根据钢筋-灌浆料切向粘结应力u_b与灌浆料作用于钢筋的法向约束应力u_n,b的关系函数，即结合S3和S4测试计算的u_b’和u_n,b’和测试的灌浆料平均抗压强度f_u,g’，通过最小二乘法拟合参数A和B；

S6：计算实际灌浆套筒的钢筋-灌浆料粘结力P_b：

由于：

以及P_b＝πd_bl_bu_b；

可得：

又由于：

那么最终实际灌浆套筒的钢筋-灌浆料粘结力P_b为：

S7：计算接头钢筋的抗拉承载力T_b：

式中：k₂取钢筋抗拉强度和屈服强度的比值，一般取1.5；f_y为接头钢筋的屈服强度；d_b为接头钢筋的直径；

S8：结合图4与图5，可知套筒接头失效包含两种失效模式，故评估套筒接头的抗拉承载力P_u，可由下式计算：

至此，根据以上步骤，可评估密实度未知的套筒接头的抗拉承载力。

具体的，在本实施例中，首先对灌浆密实度下4种套筒接头(D18、D20、D22、D25)进行单调拉伸，图6为4种灌浆工况。试件的尺寸参数见表1。每种套筒接头对应4种工况(100％密实、90％密实、70％密实、50％密实)均分别灌制3个接头试件。

表1套筒尺寸参数

(1)通过材料性能试验获得灌浆料平均抗压强度f_u,g’为88.5MPa。

(2)通过构件单调拉伸试验测试钢筋-灌浆料粘结力P_b’结果见表2。

(3)通过公式和分别计算各试件的钢筋-灌浆料粘结应力u_b’与灌浆料作用于钢筋的约束应力u_n,b’，并计算和结果见表2。

表2 A和B计算相关参数

(4)通过最小二乘法拟合函数中的A和B。拟合结果如图7，那么：A＝0.3612，B＝0.2101。

(5)利用本发明提出的套筒接头的抗拉承载力计算方法计算套筒接头的抗拉承载力。表3为根据本发明所提的方法计算的套筒接头的抗拉承载力P_u,c与实测的套筒接头抗拉承载力的试验值P_u,e。

表3实测结果与计算结果比较

表中：T_b,c,P_b,c,P_u,c分别为计算的接头钢筋承载力、灌浆套筒的钢筋-灌浆料粘结力和套筒接头的抗拉承载力。R_r为套筒接头抗拉承载力的试验值P_u,e与计算值P_u,c的比值即P_u,e/P_u,c。

从表3可以看出套筒接头的抗拉承载力P_u,c与实测的套筒接头抗拉承载力的试验值P_u,e二者较为吻合。说明利用本发明可以在套筒灌浆密实度未知时，不对套筒破坏的情况下，评价套筒接头抗拉承载力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。