一种可提高连接强度的钢筋灌浆套筒设计.pdf

机械与动力工程河南科技Henan Science and Technology总第807期第13期2023年7月收稿日期：2023-03-07基金项目：江苏省建设系统科技项目“新型钢套筒灌浆技术”（2018ZD116）。作者简介：王艳（1987），女，硕士，讲师，研究方向：装配式建筑。一种可提高连接强度的钢筋灌浆套筒设计王艳1王卿松2陈连彬3（1.江苏建筑职业技术学院，江苏徐州221116；2.江苏省第一工业设计院，江苏徐州221000；3.徐州市市政管理中心，江苏徐州221006）摘要：【目的目的】为解决现有装配式建筑钢筋套筒连接中存在的钢筋定位难、灌浆饱满度难以保证等问题，提高连接强度。【方法方法】对现有套筒进行加装改造，通过增加灌浆组件和连接组件，设计出一种新型钢筋灌浆套筒。【结果结果】对灌浆套筒使用过程进行研究及试验验证，可知所设计的钢筋灌浆套筒能有效提高钢筋强度，减小所需套筒的尺寸。【结论结论】该设计具有明显的有益效果，既提高连接强度，又减少施工成本，对建筑节能具有重要意义。关键词：灌浆套筒；连接组件；固定部；拉丝中图分类号：TU3文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）13-0043-04DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.13.008Design of a Reinforcement Grouting Sleeve Improving theConnection StrengthWANG Yan1WANG Qingsong2CHEN Lianbin3（1.Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology,Xuzhou 221116,China;2.Jiangsu First IndustrialDesign Institute Co.,Ltd.,Xuzhou 221000,China;3.Xuzhou Municipal Management Center,Xuzhou 221116,China）Abstract:Purposes The purpose of this paper is to solve the problems existing in the connection of steelsleeves in existing prefabricated buildings,such as difficulty in positioning the steel bars and ensuringthe fullness of grouting,which affect the connection strength.Methods In this study,the existing sleevewas retrofitted and a new type of steel bar grouting sleeve design was proposed by adding grouting components and connecting components.Findings Through the research on the use process of the groutingsleeve and experimental verification,it can be seen that the designed reinforcement grouting sleeve caneffectively improve the strength of the reinforcement and reduce the size of the sleeve required.Conclusions This design not only improves connection strength,but also reduces construction costs,which hasobvious beneficial effects and is of great significance for the energy conservation of building.Keywords:grouting sleeve;connecting components;fixed part;wire drawing0引言随着我国经济社会建设的飞速发展及科学技术的突飞猛进，各领域及产业对能源的需求量也越来越大，有限的能源与愈发膨胀的需求量形成鲜明的对比，二者的矛盾也日渐凸显。习近平总书记在党的二十大报告提出：“积极稳妥推进碳达峰碳中和。立足我国能源资源禀赋，坚持先立后破，有计划分步骤实施碳达峰行动。”近年来，我国大力提倡发展绿色建筑，着力推动低碳环保，从对既有建筑的绿色化改造到绿色建材，再到装配式建筑，中国已全面实现新建建筑节能。随着装配式建筑的发展，“装配率”也开始出现在每一项工程中。灌浆套筒是由专门加工成的套筒、配套灌浆料和钢筋组装44第13期成的组合体，在连接钢筋时通过注入快硬无收缩灌浆料，依靠材料间的黏结咬合作用来连接钢筋与套筒。灌浆套筒常用于装配式建筑的纵向结构（如墙、柱等）施工中，是装配整体式混凝土结构构件安装过程中的一个重要环节1，其接头质量将直接影响到结构的安全性。同时，由于钢筋连接位置的结构复杂，又属隐蔽工程，灌浆质量难以控制，这也是一个施工难点。因此，其被称为装配整体式混凝土结构理论上的一个“薄弱环节”，尤其是针对钢筋受力要求高的部位，保障其接头强度更是至关重要的。随着钢筋套筒灌浆连接技术的广泛应用，众多学者在该领域展开研究。陈萌等2对聚丙烯纤维灌浆料及其钢筋套筒连接受力性能进行研究；郑永峰3提出一种利用低合金无缝钢管经滚压工艺冷加工而成的新型变形灌浆套筒；曹永明等4对灌浆料的配置与优化进行研究；郑俞等5研究了钢筋直径、加载速率和灌浆连接形式等对钢筋套筒连接性能的影响，并将半灌浆套筒与全灌浆套筒进行对比，提出全灌浆套筒连接动态承载力和刚度的计算公式；王玉等6提出微压充浆灌浆工艺，解决了装配式混凝土结构套筒灌浆不饱满的问题；王彬等7对挤压式灌浆泵的结构形式设计、排量计算方法、轴功率等进行研究，提出一种新的灌浆套筒灌浆泵送原理，并在工程实践中证明其灌浆饱满的优势。综上所述，目前的研究主要集中在钢筋灌浆套筒力学性能指标、灌浆料的优化、灌浆工艺和灌浆工具的研制、灌浆饱满度的控制，对钢筋套筒结构设计的研究相对较少，对高强度钢筋套筒连接的研究更少。对现有灌浆套筒的设计尺寸、规格等考虑的基本出发点是利用套筒和灌浆料的强度来连接两段相互不接触的纵向钢筋，影响因素非常多，如套筒强度、套筒尺寸对混凝土构件的影响、套筒和钢筋的连接尺寸、灌浆料强度等。相关研究的设计目的基本是尽可能减小套筒的尺寸，提高钢筋的连接强度。但现有的灌浆套筒存在两个问题，一是两节钢筋相互不连接，依靠套筒和灌浆料来承载剪应力，为保证强度，对套筒强度、尺寸、结构的设计要求非常高，整体尺寸大、强度要求高，对灌浆料的强度要求高；二是灌浆过程要求非常精细，灌浆的密实度对硬化后整体的强度影响非常大，但在实际操作中，灌浆套筒的顶部和结构间隙较小的位置容易出现气泡，导致结构强度降低。对某些受力大的位置，钢筋套筒的连接强度更是至关重要。因此，研制出一种既能提高结构整体的连续性和强度，又能减小套筒结构尺寸、降低灌浆施工难度的钢筋套筒具有重要意义。1灌浆套筒的结构设计灌浆套筒主要由套筒和连接组件两部分组成。套筒用于放置预制钢筋和预留钢筋，使预制钢筋和预留钢筋相对深入到套筒内，如图1所示。与传统套筒相比，该套筒还多了一个灌浆组件，套筒内部空间狭小，常规振捣基本不可能实现，利用灌浆组件所带的振动发声器及连带设备来实现套筒内部的灌浆振捣。由于气泡主要自套筒顶部出现，因此可将灌浆组件设置在套筒上部。连接组件用于连接预制钢筋和预留钢筋，包括钢丝、顶端固定部、底端固定部、拉丝四个部分。钢筋在进入套筒后，通过连接组件进行对准固定，既可提升钢筋同轴对齐精确度，又可提高整个套筒灌浆后受力的连续性，进而提高套筒的结构强度。1.套筒；2.注浆管；3.排浆管；4.顶部管；5.连接组件；6.拉丝。图1套筒结构示意1.1套筒套筒包括注浆管、排浆管、顶部管及灌浆组件，如图1所示。注浆管位于套筒下部，用于向套筒内腔注入灌浆料，排浆管位于套筒上部，用于灌浆料的溢流，顶部管为排浆管与套筒顶端间的一段套管。灌浆组件包括金属套管、灌浆套管、软管、端盖，如图2 所示。端盖用于排浆管固定、承载其他部件，其顶部带有排浆口。金属管渗入套筒内，位于套筒外的一端穿过端盖，带有震动发生器，金属管相当于震动传导器。拉丝从金属管中穿出，金属管位于端盖外的一端带有挂钩等固定结构，用于固定拉丝。灌浆套管带有一个弯头，弯头能深入套筒内，另一端穿过端盖伸出，软管沿灌浆套管伸入套154326王艳，等.一种可提高连接强度的钢筋灌浆套筒设计第13期45筒内，软管位于套筒内的一端抵触套筒内顶面，以便震动发生时更好地传递震动，达到振捣效果。1.预制钢筋；2.预留钢筋；3.金属套管；4.灌浆套管；5.软管；6.端盖；7.拉丝。图2灌浆组件示意1.2连接组件连接组件用于连接预制钢筋和预留钢筋，包括钢丝、顶端固定部、底端固定部、拉丝四个部分，如图3所示。钢丝至少有4根，数量范围为48根，其中4根与固定部的圆环连接点间隔90，这4根钢筋的直径比其他钢丝的直径要大，既能保证连接组件与钢筋连接的灵活性（即连接强度），又能进一步提高结构强度。顶端固定部和底端固定部均为环形，用于固定钢丝的两端，顶端固定部与底端固定部同轴状态作为钢丝安装的基准，钢丝与顶端固定部、钢丝与底端固定部在同轴状态时，固定点的纵向直线间的夹角为1530，钢丝与顶端固定部、钢丝与底端固定部的固定点是均匀间隔分布的。顶端固定部和底端固定部形成的环的内径是预制钢筋和预留钢筋直径的1.11.5倍，使钢筋能通过顶端固定部和底端固定部进入到钢丝围成的空间内。顶端固定部和底端固定部形成的环带有缺口，缺口一端固定一个拉环，另一端与拉丝固定，拉丝空余端从拉环中穿过。顶端固定部和底端固定部固定在套筒的中部，使连接部的轴向中心与套筒轴向中心重合。顶端固定部通过拉簧与套筒内顶端连接在一起，底端固定部通过拉簧与套筒内底端连接。当顶端固定部和底端固定部固定在套筒内壁上时，拉簧处于拉伸状态，且拉力小于连接部与套筒间固定点的抗拉强度。拉簧的内径大于预制钢筋和预留钢筋的直径，使钢筋能顺利通过拉簧。位于顶端的拉簧，在无外力拉伸状态下，底端位于排浆管管口上侧。同样的，位于底端的拉簧，在无外力拉伸状态下，顶端位于注浆管管口下侧。与顶端固定部固定的拉丝从排浆管伸出不同的是，与底端固定部固定的拉丝从注浆管伸出。为保证预制钢筋和预留钢筋的连接更加可靠，在其上焊接同轴的紧固台，紧固台由多个同轴且外形为圆台形的环组成，所有圆台的顶端外径逐级减小，最大直径是钢筋的1.31.5倍，最小直径比钢筋直径大23 mm，直径最大的一段朝向钢筋的空余端。可在同一个钢筋上设置多个紧固台。1.钢丝；2.顶端固定部；3.底端固定部；4.拉丝。图3连接组件示意2灌浆套筒的使用过程根据预制钢筋、预留钢筋的粗细和强度，结合设计结构强度的要求，准备合适的套筒、连接组件及灌浆组件材料，将连接组件及灌浆组件加入到原有套筒中，对其进行改装。首先，将预制钢筋插入到套筒内制成预制构件，与预留钢筋对接，预留钢筋从套筒的底端插入到套筒内，通过拉簧和底端固定部后进入到钢丝围成的空间内，与预制钢筋相对。等钢筋位置确定后，将排浆管和注浆管中的拉丝向外拉，使顶端固定部和底端固定部脱离套筒的连接，拉动拉簧使连接组件上下移动。松开拉丝，让拉簧带动连接组件自由运动，从而确定位置。其次，拉动拉丝，随着拉丝的拉动，顶端和底端固定部发生变形，钢丝两端逐渐向钢筋靠拢。拉动拉簧，使连接组件始终保持在套筒的中部位置。再次，持续拉松拉丝，直至拉丝将顶端和底端固定部拉紧至不再形变为止，同时固定在钢筋上，使预制钢筋和预留钢筋间形成稳定的连接。最后，进行灌浆操作，为了使套筒震荡更有效、灌浆料更密实，固定在预制构件内的套筒是无法进132745612434王艳，等.一种可提高连接强度的钢筋灌浆套筒设计46第13期行振捣的，但在增加灌浆组件后就有了更灵活的方法。灌浆组件包括金属套管、灌浆套管、软管、端盖。首先，将排浆管内的拉丝从金属管中穿出，盖上端盖后拉紧拉丝，使金属管抵触钢筋或顶端固定部。其次，将软管通过灌浆套管插入到套筒内，顶端抵触套筒内顶面，通过注浆管注浆至端盖排浆口进行排浆，同时开启震动发生器，带动金属管震动，进而带动预制钢筋、连接组件及预留钢筋一起震动。保持震动，在套筒外向软管施加负压，抽吸顶部管内的空气，注浆管保持注浆，直至软管中抽出灌浆料为止。最后，缓慢抽出软管和灌浆套管，在此过程中注浆保持正压，震动不停，抽出金属管后停止震动，完成灌浆。这样使套筒结构的连续性更强，结构强度明显提升。3试验验证制备 6 组相同尺寸的套筒（内径为 43 mm、外径为 50 mm、长度为 315 mm），连接钢筋的直径为12 mm、14 mm、16 mm，锚固长度均为 150 mm。将这 6 组套筒分为两大组进行测试，一组为现有技术组，即无连接组件的组；一组为试验组，包含连接组件、4 根直径 2 mm 的钢丝、夹角为 18、固定部使用钢片（厚度为 1.5 mm、宽度为 3 mm）、拉丝（钢丝）直径为 1.5 mm。两组使用相同的灌浆料，灌浆过程为灌浆至排浆管排浆后，使用超声波震动发生器震荡套筒 30 s，再注浆至排浆管进行排浆，然后震荡套筒 15 s，再注浆至排浆管排浆。相同条件下养护 14 d后进行拉伸测试，加载速率为 2 MPa/s，钢筋断裂或被拔出时终止加载，记录最大载荷，见表1。由最大拉伸荷载可以看出，在增加连接组件和灌浆组件后，套筒整体的抗拉强度提升20%以上。表1最大拉伸荷载组别现有技术组试验组钢筋直径/mm121416121416最大荷载/kN64.3786.45118.2178.18105.37133.664结语经过改造后的套筒具有明显的有益效果，一是通过连接组件利用多根钢丝与预制钢筋和预留钢筋进行连接，能有效提高构件的连续性和力学强度，有利于减小套筒的设计尺寸；二是结构简单，便于对现有套筒进行改造，适用范围广，便于处理施工中个别强度要求高、施工要求高的位置；三是能有效降低对施工要求和套筒材料强度的要求，施工难度降低，成本降低。针对现有灌浆套筒存在的不足，对其进行改造，达到提高强度、节约成本的效果，对建筑节能具有重要意义。参考文献：1 景赵丰，刘波，李翔宇，等.装配整体式混凝土结构钢筋连接技术综述 J.施工技术，2018（10）：24-31.2 陈萌，赵伦，李攀杰，等.聚丙烯纤维灌浆料及其钢筋套筒连接受力性能试验研究 J.复合材料学报，2022（2）：685-694.3 郑永峰.GDPS灌浆套筒钢筋连接技术研究 D.南京：东南大学，2016.4 曹永明，冯恩娟，张伟，等.装配式建筑预制构件套筒灌浆料的配制与优化 J.水泥工程，2019（2）：5-7.5 郑俞，石长洪，杨毅，等.半灌浆与全灌浆套筒连接动态力学性能研究 J.工业建筑，2021（11）：121-126.6 王玉，张学辉.装配整体式混凝土建筑套筒灌浆新工艺的应用 J.工程技术研究，2021（21）：68-69.7 王彬，康学云，刘垚，等.装配式建筑施工中灌浆套筒灌浆泵的设计研究 J.建筑机械化，2022（7）：24-26.王艳，等.一种可提高连接强度的钢筋灌浆套筒设计