钢管套筒灌浆连接原理及概述

钢管套筒灌浆连接原理及概述

王秋宇

华北理工大学建筑工程学院唐山063000

摘要：随着我国城市化进程的不断加速以及建筑结构设计及施工水平的不断完善，钢管混凝土结构得到了极大的发展。同时钢管混凝土节点的安全可靠性能愈发成为装配式钢管混凝土结构得到广泛应用的关键技术问题和重要决定因素。本文阐述了钢管套筒灌浆连接的形式与破坏形态同时介绍了业界的研究现状。

关键词：装配式结构；钢管套筒灌浆连接；破坏形态

0.引言

21世纪以来，随着我国城市化进程的不断加速以及建筑结构设计、施工水平的不断完善，装配式混凝土结构以其便于工业化生产等得天独厚的优势已经越来越多的应用于实际工程之中。

装配式钢管混凝土结构是一种近些年兴起的装配式结构的一种。在钢管中灌注混凝土，利用了两种材料的优点。装配式结构在安装过程中会产生大量的接缝和节点，这些节点的力学性能决定了整个装配式结构的稳定性及抗震性能。因此，节点的稳定性与否决定了装配式结构能否大量投入使用。

1.连接形式及破坏形态

传统的钢管混凝土柱连接多采用焊接连接或者法兰连接，但由于安装过程中的限制较多均难以采用。套筒灌浆连接方式具有施工安全、操作简便、连接可靠等优点。

1.1连接形式

套筒灌浆最初应用于海洋平台中桩腿和基础钢管桩的连接，如图1所示。钢管与套筒间灌注水泥基灌浆料，以减少钢管挠曲变形并防止腐蚀。连接强度的大小主要取决于钢管和灌浆料接触面上的粘结强度。钢管和灌浆料之间的粘结力主要由钢管和水泥浆之间的化学胶着力、摩擦力和机械咬合力三部分组成。套筒灌浆连接主要有半套筒式、内套筒式、外套筒式三种构造形式。

套筒灌浆连接包括设置抗剪键和不设置抗剪键两种结构形式，如图1所示。

图1设置和不设置抗剪键的套筒灌浆连接结构示意图

Fig.1Groutedsleeveconnectiondiagramwithandwithoutshearkeys

1.2破坏形态

在不设置抗剪键时，破坏通常是钢管外侧与灌浆料接触面间的滑移。一般在轴向力作用下分为两个阶段：第一个阶段是粘结破坏前；第二个阶段是粘结破坏后（如2图所示）。

（a）粘结破坏前（b）粘结破坏后

图2不设置抗剪键时粘结破坏的不同阶段

Fig.2Thefailuremodelsindifferentstagesofgroutedsleevewithshearkeys

当无抗剪键套筒灌浆连接构件承受荷载时，首先是胶结力起作用，当灌浆料与钢管之间的剪应力超过粘结应力之后，粘结破坏且不可恢复，无抗剪键的套筒灌浆连接承载力只能靠钢管表面不平整度产生的机械咬合力和摩擦力承担。

当设置抗剪键的套筒灌浆连接构件承受荷载时，破坏主要分为四个阶段[1,2]如图3所示。

1）开裂阶段：图中0~τcr段，连接的应力增长方式近似线性增长，随着荷载值的不断增大，灌浆料开始出现破坏，此时在锚固长度上钢管与灌浆料的化学粘着力失效，转为由灌浆料及钢管间的摩擦力及抗剪键与灌浆料之间的机械咬合作用共同承担着连接的承载力。

2）发展阶段：图中τcr~τu段，此时荷载值已达到极限承载力的90%左右，已十分接近极限承载力。此时承载力的增长速度再度降低，进入缓慢增长阶段，由这一阶段横轴上的发展情况来看，连接的位移增长速度加剧。

3）下降段：图中τu~τr段，荷载值已加至极限荷载，但加载仍在继续，此时连接的承载力降低，仅由钢管与灌浆料间的机械咬合作用承担。

4）残余段：随着加载继续，钢管与套筒间的灌浆料被压碎，荷载值下降，并最终稳定在较小的荷载值，直至钢管与灌浆料完全脱离。

图3套筒灌浆连接粘结力-滑移关系

Fig.3Bondsliprelationshipofsleevegroutingjoint

2.研究现状

蒋首超[3]等对灌注膨胀水泥浆套管连接在纯弯和弯剪两种荷载条件下的试验和有限元分析研究。通过试验发现灌注膨胀水泥浆套管连接在静力荷载作用下具有较高的承载力并且具备较好的延性，在有限元分析研究中建立了合理的分析模型，得到了灌注膨胀水泥浆套管连接灌浆体及内外管在外荷载作用下的应力分布情况，并与试验结果进行了对比，验证了分析模型的可靠性。

蒋首超[4]等基于弹性力学理论，对预应力灌浆套管中由于水泥浆体膨胀引起的初始应力分布进行了推导，给出了其解析解，并通过算例分析讨论了初始应力随水泥浆体自由膨胀率、钢管尺寸、水泥浆体厚度等因素的变化规律。

3.结语

钢管套筒灌浆连接具有优异的性能同时在造价方面也具有很大优势，这种连接方式施工也很便捷。钢管套筒灌浆连接对于装配式钢管混凝土结构的发展具有重要的工程价值和理论意义并将会带来可观的经济效益。

参考文献

[1]于欢,钢管灌浆套筒连接锚固承载力研究[D].唐山:华北理工大学,2016.

[2]刘沫含,钢管混凝土柱灌浆套筒连接承载力试验研究[D].唐山:华北理工大学,2016.

[3]蒋首超,栾健.静力作用下灌注膨胀水泥浆套管连接性能试验研究[J].结构工程师,2013,29(2):161-167.

[4]蒋首超,王震.预应力灌浆套管中初始应力分布理论分析[J].工程力学,2013(4):301-309.