Research on the Influence of Grouting Defects on the Tensile Performance of a Fully Grouted Sleeve C

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随着经济的发展,预制装配式混凝土(Prefabricated Concrete,简称PC)结构在土木工程中的应用日益广泛,其安全性也越来越受到关注。节点是预制装配式混凝土结构设计与施工一个重要环节,其受力性能对预制装配式混凝土结构的安全性具有至关重要的影响。预制装配式混凝土结构的连接形式有很多,套筒灌浆连接是其中具有代表性且应用非常广泛的一种形式;特别是在中国,当前,绝大部分预制混凝土结构采用套筒灌浆连接技术。然而研究结果表明,在施工过程中,套筒灌浆技术可能存在灌浆不密实的情况,导致节点连接处的性能未能达到设计要求,为结构的安全性带来隐患。因此,越来越多的学者开始对灌浆不密实的影响开展了研究。但目前的研究主要集中于半灌浆套筒连接节点,对于全灌浆套筒节点的研究还比较少;同时,对于缺陷形式及其影响程度的研究尚不充分。本文对全灌浆套筒在不同内置缺陷情况下的受力性能开展了试验研究和数值模拟,评估了缺陷对节点力学性能的影响;并对各影响因素(如不同钢筋直径、灌浆料厚度、缺陷位置等)对节点承载力的影响进行了参数化分析,针对全灌浆套筒节点的设计和施工提出建议。主要内容有:(1)对不同内置缺陷的全灌浆套筒节点的受力性能开展了试验研究。根据已有研究资料,针对缺陷的大小和位置,设计了7种可能的缺陷形式。基于中国规范,对72个具有不同缺陷的试件开展了单向拉伸试验,并与无缺陷试件的试验结果进行对比。试验结果显示,全灌浆套筒连接节点主要有钢筋被拉断和钢筋滑移两种失效模式。对比分析了无缺陷和有缺陷试件的载荷—位移曲线,结果表明,当缺陷尺寸不超过3d(d为钢筋直径)时,缺陷造成承载力降低的程度最大约为18%;而节点受力性能对缺陷所在的位置很敏感。如对于缺陷尺寸为3d的情况,当缺陷位于套筒两端时,节点承载力降低约为2%;但当缺陷位于钢筋锚固长度的中间部位时,会使得节点承载力降低18%,并且使节点的失效模式由钢筋被拉断转为钢筋滑移。本文根据节点对缺陷位置的影响情况,将节点分为三个主要区域,以显示缺陷位置对节点承载力的影响程度。(2)试验模型的数值模拟与验证。基于试验模型,在Abaqus中建立相应的有限元模型并对试验过程进行了分析模拟。荷载—位移曲线和节点的破坏模式的对比分析显示有限元模型的结果与试验结果基本一致,可以准确地反映试件的承载力和破坏情况。此外,有限元模型的应力分布显示,套筒内钢筋应力分布并不均匀,呈现两端小中间大的分布模式,从而导致节点的破坏通常先发生于套筒中间部位。(3)缺陷影响的参数化分析。基于已验证的有限元模型,分别对不同钢筋直径、不同套筒与钢筋直径比(ds/d,ds为套筒直径)和不同缺陷位置的影响进行了参数化分析。研究结果表明,随着钢筋直径的增大,节点的承载力也逐渐增强,但对缺陷的敏感性基本相同,即相同缺陷对大直径和小直径钢筋的影响相差不大。相比之下,不同套筒与钢筋直径比对节点受力性能的影响比较显著。随着ds/d的增大,承载力显著降低,如对于缺陷尺寸为3d(位于钢筋锚固长度的中间部位),ds/d为2.66的情况,节点承载力比无缺陷的情况降低12%,而ds/d为3.55时,节点承载力降低约为44%。此外,随着ds/d的增加,节点的破坏模式更多转变为钢筋滑移。不同缺陷位置对节点性能也有显著的影响,缺陷位于套筒内钢筋锚固长度的中间部位时,其对节点受力性能的影响最大;而当相同的缺陷出现在套筒两端时,其对节点受力性能的影响最小。(4)节点受力性能的监测和设计建议。基于上文的研究结果,本文对套筒灌浆连接节点在施工过程中的监测提出了建议,首先通过无损检测技术确定套筒中缺陷的大小和位置,由此确定缺陷的严重程度,再开展进一步的补强措施。同时,本文提出了一个确定平均粘结强度的安全常数以考虑了缺陷位置和约束对粘结强度的影响,对套筒灌浆连接节点的设计和施工提出了建议,为套筒灌浆连接技术和预制装配式混凝土结构的发展提供参考。
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