帶螺紋套管灌漿連接的新型鋼管連接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究

帶螺紋套管灌漿連接的新型鋼管連接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究

1預(yù)制裝配式鋼管混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用中的工程應(yīng)用研究在2014年全國(guó)輿論促進(jìn)會(huì)議上，新城市化建設(shè)成為受關(guān)注的焦點(diǎn)。在高質(zhì)量推進(jìn)城鎮(zhèn)化的進(jìn)程中,城市群建設(shè)是其中一大重點(diǎn),而作為城市群建設(shè)的中堅(jiān)力量,建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展方向日趨明確。建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化是以綠色發(fā)展為理念,以住宅建設(shè)為重點(diǎn),以新型建筑工業(yè)化為核心,充分運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代化管理模式,將房屋建造全過(guò)程聯(lián)結(jié)為完整的一體化產(chǎn)業(yè)鏈,實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)生產(chǎn)方式向現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變,并實(shí)現(xiàn)社會(huì)化大生產(chǎn),從而全面提升建筑工程的效率、效益和質(zhì)量。我國(guó)傳統(tǒng)的住宅建造方式基本上采用現(xiàn)澆方式,因?yàn)楝F(xiàn)澆結(jié)構(gòu)在技術(shù)方面比預(yù)制結(jié)構(gòu)成熟,在工程界已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可。但是現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)體系明顯存在著一個(gè)問(wèn)題:造價(jià)高、施工周期長(zhǎng)。相比之下,裝配式住宅體系采用工業(yè)化的方式來(lái)建造,將建筑物的部分或全部構(gòu)件在工廠預(yù)先制作完成,然后運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng),通過(guò)可靠的連接方式將構(gòu)件組裝成一體,具有施工周期短,質(zhì)量穩(wěn)定、可靠和環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn),能夠極大地緩解市場(chǎng)的壓力。預(yù)制裝配式鋼管混凝土剪力墻(圖1)是一種將圓形鋼管混凝土作為邊框和墻板結(jié)合起來(lái)發(fā)揮其組合效應(yīng)的剪力墻結(jié)構(gòu),能夠進(jìn)一步提高剪力墻的抗震能力。這種結(jié)構(gòu)體系是符合建筑節(jié)能減排和建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展要求的。但裝配式預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:構(gòu)件的連接方式和節(jié)點(diǎn)的抗震性能。目前,鋼管及鋼管混凝土的連接方式主要有以下幾種:灌漿套筒連接、焊接空心球節(jié)點(diǎn)連接、螺栓球節(jié)點(diǎn)連接、焊接連接、溝槽式連接以及法蘭連接。2008年王毅紅等通過(guò)芯鋼管連接的鋼管混凝土半連通角節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究,提出了一種芯鋼管連接的鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁的新型節(jié)點(diǎn)形式。武振宇等對(duì)直接焊接T型CR、RR節(jié)點(diǎn)的靜力工作性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并把試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。張峰等在2004年利用有限元計(jì)算比較了鼓型鋼管節(jié)點(diǎn)在加勁和無(wú)加勁條件下的極限承載力和剛度,并通過(guò)若干算例比較了在不同內(nèi)加勁環(huán)參數(shù)組合下X型鋼管節(jié)點(diǎn)的極限承載力。結(jié)果表明,內(nèi)加勁環(huán)可以提高鋼管節(jié)點(diǎn)極限承載力和剛度。陳建偉等對(duì)兩層鋼管混凝土帶水平縫剪力墻進(jìn)行了抗震性能試驗(yàn)研究,并對(duì)復(fù)式鋼管混凝土柱軸壓承載力的計(jì)算方法進(jìn)行了對(duì)比分析,然后著重研究了預(yù)制結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處的構(gòu)造問(wèn)題,包括墻體豎向鋼筋的連接方式,邊框鋼管與剪力墻結(jié)合面抗剪承載力研究以及邊框連接裝置的力學(xué)性能。因此,設(shè)計(jì)一種受力合理、施工簡(jiǎn)單、可靠的節(jié)點(diǎn)連接形式是至關(guān)重要的。通過(guò)對(duì)幾種連接方式的分析,再結(jié)合預(yù)制裝配式鋼管混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系本身的特點(diǎn),本文提出了一種新型的帶螺紋套管灌漿連接方式。為了確定這種鋼管連接方式的可靠性,本文對(duì)5個(gè)鋼管連接節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行擬靜力試驗(yàn),通過(guò)對(duì)滑動(dòng)位移、承載力以及鋼管應(yīng)變等數(shù)據(jù)的采集,研究套筒連接的鋼管的連接性能。2一般介紹2.1次壓壓試件及試驗(yàn)測(cè)量第一批試驗(yàn)制作了3個(gè)相同的鋼管連接節(jié)點(diǎn)試件,編號(hào)為ZPGJ-1~ZPGJ-3(見(jiàn)圖2(a))。試件由試驗(yàn)結(jié)構(gòu)墻體邊框鋼管和連接鋼管(套管)組成。墻體邊框鋼管為長(zhǎng)度為250mm的Ф102×5的無(wú)縫鋼管;連接鋼管為長(zhǎng)度為250mm的Ф133×4的無(wú)縫鋼管。墻體邊框鋼管灌注C60自密實(shí)混凝土。在墻體邊框鋼管外壁和連接鋼管內(nèi)壁都焊接了5圈Ф3的螺旋鉛絲,螺距為25mm。兩鋼管中心對(duì)齊連接,中間的環(huán)形縫隙灌注為唐山北極熊建筑材料有限公司生產(chǎn)的早強(qiáng)型灌漿料。為了更深入研究連接縫處的破壞形態(tài),繼續(xù)進(jìn)行了第二批試驗(yàn)。制作了編號(hào)為ZPGJ-4(見(jiàn)圖2(b))和ZPGJ-5(見(jiàn)圖2(c))的2個(gè)試件,其尺寸與構(gòu)造與第一次試驗(yàn)試件基本相同。其主要區(qū)別在于灌漿料的灌入方法以及是否設(shè)置了加強(qiáng)區(qū)域(見(jiàn)表1)。為了保證連接鋼管能夠承受足夠大的壓力,使連接縫處灌漿料與鋼管先發(fā)生滑移破壞,ZPGJ-4和ZPGJ-5在連接鋼管底部設(shè)置了145mm長(zhǎng)度的鋼板加強(qiáng)區(qū)域,鋼板厚度為4mm。另外,試件ZPGJ-1~ZPGJ-4,邊框鋼管與連接鋼管之間的灌漿料均從連接鋼管上方靠高位差灌入,但ZPGJ-5試件是借助灌漿裝置,通過(guò)氣泵給壓,以一定的壓力將配置好的灌漿料從連接鋼管的底部灌入連接縫,以此來(lái)研究灌漿方式對(duì)試件極限承載力的影響。表2列出了墻體邊框鋼管(Ф102)與連接鋼管(Ф133)的屈服強(qiáng)度f(wàn)y、抗拉強(qiáng)度f(wàn)u和屈服應(yīng)變?chǔ)舮實(shí)測(cè)值,實(shí)測(cè)值分別為3根邊框鋼管、連接鋼管母材的平均值。表3列出了按照《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》(GB175-1999)技術(shù)要求制作的3塊40×40×160mm的灌漿料長(zhǎng)方形試塊,在溫度為20℃±1℃、相對(duì)濕度大于90%的濕氣養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)3天的抗折和抗壓強(qiáng)度,其實(shí)測(cè)值見(jiàn)表3。2.2試驗(yàn)加載和測(cè)量方案試驗(yàn)加載裝置示意圖見(jiàn)圖3所示,采用2500kN的電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)施加軸向壓力。壓力機(jī)端部裝有200t的力傳感器,傳感器另一端放置在試件邊框鋼管頂端,與其中心對(duì)齊,測(cè)量壓力機(jī)施加的力的大小。安裝試件完畢后,用游標(biāo)卡尺手動(dòng)測(cè)量測(cè)點(diǎn)w1兩根Ф6鋼筋的垂直距離,作為初始標(biāo)距,然后以2.5~4.0kN/s的速度手動(dòng)施加軸力,采用荷載控制,以鋼管屈服承載力fyk作為特征值,0.6fyk、0.9fyk、1.25fyk作為每級(jí)加載的控制值。對(duì)于ZPGJ-1,分4級(jí)加載,分別為220kN,310kN,460kN和640kN,前兩級(jí)荷載單向加載10次,后兩級(jí)荷載單向加載4次;對(duì)于ZPGJ-2~ZPGJ-5試件,分三級(jí)加載,分別為320kN,460kN和640kN,前兩級(jí)荷載單向加載10次,第三級(jí)荷載單向加載4次。固定加載完成后,壓力機(jī)繼續(xù)施加軸向壓力直至達(dá)到試件極限承載力,記錄極限荷載值。加載完畢后仍用游標(biāo)卡手動(dòng)測(cè)量測(cè)點(diǎn)w1的標(biāo)距,作為試驗(yàn)后標(biāo)距。各試件的引伸計(jì)和應(yīng)變片布置相同(見(jiàn)圖4)。兩個(gè)引伸計(jì)YSY-1和YSY-2,對(duì)稱軸向布置在邊框鋼管和連接鋼管環(huán)形連接縫頂端;四個(gè)應(yīng)變片,分別為y1,y2,y3和y4;橫向布置在連接鋼管上,沿圓管環(huán)向均勻布置,應(yīng)變片距連接鋼管上邊緣60mm,用來(lái)測(cè)量連接鋼管的應(yīng)變。此外,在兩鋼管連接縫w1處設(shè)置了兩根Ф6的光圓鋼筋,上下鋼管各一根,距離在25mm左右,以此來(lái)更直觀地了解試驗(yàn)中兩鋼管的相對(duì)位移變化情況。3試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1第二次試驗(yàn)結(jié)果軸向壓力第一次達(dá)到640kN時(shí),在ZPGJ-1連接縫處沒(méi)有發(fā)生明顯裂縫或者相對(duì)位移,測(cè)點(diǎn)w1的距離和引伸計(jì)變化也不明顯,但連接鋼管的中下部出現(xiàn)略微屈曲。反復(fù)施加640kN的壓力,試件變化沒(méi)有明顯發(fā)展。當(dāng)壓力繼續(xù)增大,試件連接鋼管中下部以及底部出現(xiàn)明顯屈曲、鼓脹現(xiàn)象,當(dāng)壓力達(dá)到最大703kN時(shí),連接縫處灌漿料仍然沒(méi)有破壞,但連接鋼管底部屈曲無(wú)法再承受更大的荷載,試驗(yàn)結(jié)束。試件破壞后的照片見(jiàn)圖5(a)。ZPGJ-2在壓力達(dá)到640kN時(shí),沒(méi)有明顯變化。隨著壓力的繼續(xù)增加,試件連接鋼管中下部以及底部出現(xiàn)屈曲,并不斷增大,直到壓力達(dá)到最大值729kN,連接鋼管無(wú)法承受更大的承載力,但連接縫處的灌漿料仍然沒(méi)有破壞(見(jiàn)圖5(b))。ZPGJ-3的破壞過(guò)程及現(xiàn)象基本與ZPGJ-1相同,但連接鋼管下部發(fā)生的屈曲與ZPGJ-1相比較大(見(jiàn)圖5(c))。由于ZPGJ-1~ZPGJ-3都是下部連接鋼管屈曲,連接縫處的連接鋼管和灌漿料都沒(méi)有破壞,已經(jīng)證明該體系鋼管連接節(jié)點(diǎn)采用的這種帶螺紋套管連接方法是可靠的。但為了研究該連接方法連接縫處的破壞過(guò)程與破壞形態(tài),對(duì)于連接鋼管下部進(jìn)行了加固,以保證其能夠承受足夠大的軸向壓力。整個(gè)第二次試驗(yàn)過(guò)程中,ZPGJ-4(圖5(d))和ZPGJ-5(圖5(e))的試驗(yàn)現(xiàn)象基本一致。壓力達(dá)到640kN時(shí),整個(gè)試件沒(méi)有明顯變化。當(dāng)壓力繼續(xù)增大時(shí),連接縫處灌漿料開(kāi)始出現(xiàn)裂縫并不斷發(fā)展,測(cè)點(diǎn)w1的距離逐漸變小,當(dāng)壓力達(dá)到最大值時(shí),連接縫處灌漿料與墻體邊框鋼管發(fā)生明顯相對(duì)位移,測(cè)點(diǎn)w1處與墻體邊框鋼管焊接的鋼筋已經(jīng)與連接鋼管相接觸。3.2試驗(yàn)結(jié)果的分析3.2.1試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果試件ZPGJ-1~ZPGJ-5軸心壓力與兩鋼管相對(duì)滑動(dòng)位移(由引伸計(jì)量測(cè))的關(guān)系曲線見(jiàn)圖6。隨著荷載的增大,滑動(dòng)位移不斷增大;對(duì)于ZPGJ-1~ZPGJ-3,當(dāng)荷載超過(guò)650kN后,隨著荷載的增大,滑動(dòng)位移的增長(zhǎng)速度變大;當(dāng)荷載接近極限值時(shí),連接縫表面并沒(méi)有產(chǎn)生裂縫,但曲線有明顯的拐點(diǎn),說(shuō)明灌漿料內(nèi)部已經(jīng)開(kāi)裂;荷載繼續(xù)增大,直到連接鋼管底部屈曲膨脹達(dá)到極限承載力,但邊框鋼管與連接縫處灌漿料的粘結(jié)狀態(tài)并沒(méi)有破壞,此時(shí)卸載,結(jié)束試驗(yàn),因此曲線沒(méi)有明顯的下降段。在0~700kN的加載過(guò)程中,試件ZPGJ-4滑動(dòng)位移增長(zhǎng)速度較慢;當(dāng)荷載達(dá)到700kN時(shí),灌漿料內(nèi)部出現(xiàn)裂縫;當(dāng)荷載超過(guò)700kN后,隨著荷載的增大,滑動(dòng)位移的增長(zhǎng)速度變大;當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí),其滑動(dòng)位移達(dá)到最大值1.2mm。當(dāng)荷載達(dá)到750kN左右時(shí),試件ZPGJ-5連接縫處灌漿料內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)裂縫,滑動(dòng)位移的增長(zhǎng)速度也變快,但較其他試件來(lái)說(shuō),其增長(zhǎng)速度最慢。試驗(yàn)結(jié)束后,量測(cè)測(cè)點(diǎn)w1的垂直距離,得到滑移位移見(jiàn)表4,由于ZPGJ-1~ZPGJ-3邊框鋼管與連接縫處灌漿料的粘結(jié)狀態(tài)并沒(méi)有破壞,因此滑動(dòng)位移較小,與第一批時(shí)間相比,ZPGJ-4和ZPGJ-5滑動(dòng)位移較大。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明:(1)當(dāng)軸心壓力達(dá)到650kN左右時(shí),曲線有明顯的拐點(diǎn),說(shuō)明連接縫處灌漿料與墻體邊框鋼管的粘結(jié)狀態(tài)開(kāi)始發(fā)生破壞,但試件還能夠承受更大的荷載。(2)試件ZPGJ-5的極限荷載最大,而且滑動(dòng)位移發(fā)展較慢,說(shuō)明從底部灌注灌漿料會(huì)更加密實(shí),粘結(jié)應(yīng)力分布比較均勻,所以試驗(yàn)表明:鋼管節(jié)點(diǎn)連接縫處的灌漿料應(yīng)該采用底部灌注的方式。3.2.2灌漿料灌注部位的連接鋼管應(yīng)變分析圖7(a)~7(e)分別為試件ZPGJ-1~ZPGJ-5的軸心壓力F與連接鋼管應(yīng)變平均值ε的關(guān)系曲線。試件開(kāi)始受力后,壓力與鋼管應(yīng)變按比例增長(zhǎng)。此后,隨著壓力的增大,鋼管應(yīng)變逐漸加快發(fā)展,曲線的斜率漸減。所有曲線都沒(méi)有明顯的屈服臺(tái)階,當(dāng)曲線呈水平時(shí)達(dá)到極限承載力,但灌漿料灌注部位的連接鋼管應(yīng)變并沒(méi)有達(dá)到屈服應(yīng)變。ZPGJ-1~ZPGJ-4應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率基本相同,但ZPGJ-5應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)相對(duì)緩慢。第一批ZPGJ-1~ZPGJ-3的極限承載力較低,分別為703KN、729KN、723KN,但其殘余應(yīng)變都較高,都在400μe左右,而第二批ZPGJ-4和ZPGJ-5的極限承載力較高,分別為926kN和960kN,殘余應(yīng)變都在200μe左右。分析試驗(yàn)結(jié)果,第一批ZPGJ-1~ZPGJ-3試件隨著軸心壓力的增大,下部鋼管發(fā)生屈曲,無(wú)法再承受更大的荷載,但鋼管連接縫處的灌漿料并沒(méi)有與邊框鋼管發(fā)生明顯的滑移破壞。而第二批ZPGJ-4和ZPGJ-5由于加強(qiáng)區(qū)域的存在,保證了連接鋼管不會(huì)先屈曲,因此,當(dāng)連接縫處的灌漿料與墻體邊框鋼管的粘結(jié)狀態(tài)完全破壞時(shí),達(dá)到的極限荷載值較大;灌漿料與墻體邊框鋼管的粘結(jié)狀態(tài)完全破壞時(shí),試件灌漿料灌注部位的連接鋼管并沒(méi)有屈服,說(shuō)明這種鋼管連接方式是可靠的。3.2.3基層墻體邊界鋼管抗剪強(qiáng)度通過(guò)試驗(yàn),試件ZPGJ-4~ZPGJ-5連接縫處發(fā)生了明顯的滑移破壞,因此取ZPGJ-4~ZPGJ-5軸心壓力—鋼管應(yīng)變曲線波峰對(duì)應(yīng)的荷載值作為試件破壞時(shí)的極限荷載值Nu,灌漿料抗壓強(qiáng)度取其平均值fc=86.87MPa,將墻體邊框鋼管混凝土看成直徑為d=102mm的帶肋鋼筋,則鋼筋埋長(zhǎng)為l1=120mm,底部灌漿料厚度l2=35mm(見(jiàn)圖8)。灌漿料抗剪強(qiáng)度底部灌漿料承載力因此,底部灌漿料無(wú)法單獨(dú)承擔(dān)全部荷載而率先破壞,承載力全部由連接縫處灌漿料與邊框鋼管的粘結(jié)力承擔(dān)。由文獻(xiàn)知連接縫處的極限粘結(jié)強(qiáng)度式中:τu為灌漿料與邊框鋼管的極限粘結(jié)力;Nu為極限荷載;d為邊框鋼管外徑;l1為灌漿料與邊框鋼管粘結(jié)長(zhǎng)度。由上述公式計(jì)算出的連接縫處灌