預(yù)制混凝土插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋搭接試驗(yàn)

姜洪斌，張海順，2，劉文清，閆紅纓

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，150090哈爾濱，3260787@hit.edu.cn;2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，300072天津;3.黑龍江宇輝建設(shè)集團(tuán)，150090哈爾濱)

“插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋搭接連接”是課題組研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的預(yù)制裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋連接方法[1]，該方法具有連接簡(jiǎn)便、質(zhì)量易保障、成本低廉等優(yōu)勢(shì)[2－4].插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋搭接連接基本原理是:搭接鋼筋之間能夠傳力是由于鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)錨固[5－7].兩根相向受力的鋼筋分別錨固在搭接連接區(qū)段的混凝土中而將力傳遞給混凝土，從而實(shí)現(xiàn)鋼筋之間應(yīng)力的傳遞[8－9].鋼筋的搭接長(zhǎng)度是插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋連接的受力性能關(guān)鍵[10－12].

1 試驗(yàn)概況

1.1 插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋連接具體實(shí)施方式

如圖1所示，在預(yù)制混凝土構(gòu)件預(yù)埋鋼筋旁邊的孔洞內(nèi)，插入被連接鋼筋至設(shè)定搭接長(zhǎng)度，通過(guò)向孔洞內(nèi)灌入灌漿料并經(jīng)其凝結(jié)硬化后即可將2根鋼筋連接成為一體.在鋼筋搭接長(zhǎng)度范圍內(nèi)沿周邊布置約束螺旋筋，用以加強(qiáng)鋼筋的搭接連接性能.

圖1 鋼筋搭接示意

1.2 鋼筋搭接試驗(yàn)試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)為住宅產(chǎn)業(yè)化下裝配式施工模式的鋼筋搭接，鋼筋搭接接頭面積百分率均為100%，鋼筋搭接長(zhǎng)度ll=1.6 la，la為規(guī)范要求的基本錨固長(zhǎng)度.考慮螺旋筋套箍作用的有利影響，搭接長(zhǎng)度分別減少20%、30%、40%，即搭接長(zhǎng)度確定為0.8 ll、0.7 ll、0.6 ll.混凝土采用 C20、C30、C40，鋼筋為 HRB335，直徑分別為 12、14、16 mm.同時(shí)制備一些 0.5 ll、0.4 ll、0.3 ll的試件，以便確定搭接長(zhǎng)度極限和可靠度分析.

鋼筋搭接試驗(yàn)試件尺寸見(jiàn)圖2和表1.試件截面為150 mm×150 mm，長(zhǎng)度為鋼筋搭接左右各增加20 mm的非粘結(jié)段.預(yù)埋鋼筋的尺寸為混凝土內(nèi)部的鋼筋左右分別伸出20和190 mm，后插鋼筋的尺寸為混凝土內(nèi)部的鋼筋左右分別伸出20和460 mm.內(nèi)部螺旋箍筋采用4鋼筋，環(huán)內(nèi)徑80 mm.

圖2 鋼筋搭接試驗(yàn)試件尺寸(mm)

表1 鋼筋搭接試驗(yàn)試件尺寸

1.3 鋼筋搭接試驗(yàn)試件制備

1)將螺紋鋼管，預(yù)埋鋼筋和螺旋筋放入特制鋼模中，預(yù)埋鋼筋的一端伸出鋼模20 mm，螺旋筋的1/4處應(yīng)變片的位置靠近預(yù)埋筋伸出鋼模較短的一側(cè)，見(jiàn)圖3.

圖3 螺紋鋼管、預(yù)埋鋼筋和螺旋筋放入鋼模中

2)澆筑混凝土，在混凝土初凝后抽出螺紋鋼管，形成預(yù)留孔，見(jiàn)圖4.

3)插入后插鋼筋，灌入灌漿料，養(yǎng)護(hù)28 d，見(jiàn)圖5.

1.4 鋼筋搭接試驗(yàn)方案

采用單向拉伸的方法進(jìn)行鋼筋搭接性能試驗(yàn)，用于加載的鋼架為長(zhǎng)度可調(diào)，加載設(shè)備采用200 kN穿心式液壓千斤頂，見(jiàn)圖6.就位后試件的加載端鋼筋分別伸出加載鋼架，其中一端采用夾片式錨具錨固于加載鋼架底板，另一端穿過(guò)千斤頂并用夾片式錨具錨固.試件的自由端鋼筋架設(shè)千分表測(cè)量滑移量.

圖4 混凝土試件和孔洞

圖5 鋼筋混凝土搭接試件完成

圖6 試驗(yàn)裝置

拉伸試驗(yàn)加載為連續(xù)方式，直到鋼筋屈服或破壞為止.露出試件外部的縱筋、及內(nèi)部螺旋筋在試件長(zhǎng)度1/4和1/2處貼有應(yīng)變片，試驗(yàn)中記錄了拉伸力、鋼筋應(yīng)變和鋼筋自由端滑移.

2 鋼筋搭接試驗(yàn)數(shù)據(jù)和處理

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

每組試件共3個(gè)，其中1個(gè)加載至鋼筋拉斷，2個(gè)加載至鋼筋屈服.試驗(yàn)時(shí)試件混凝土破壞現(xiàn)象有所不同，見(jiàn)圖7，當(dāng)混凝土試件長(zhǎng)度較長(zhǎng)(0.8 ll)時(shí)，加載端和自由端的混凝土開(kāi)裂較小;而長(zhǎng)度中等(0.7 ll)時(shí)，開(kāi)裂較大;當(dāng)長(zhǎng)度更短(0.6 ll)時(shí)，加載端和自由端混凝土壓碎破壞.

將各個(gè)試件的試驗(yàn)結(jié)果匯總，見(jiàn)表2.在各個(gè)試驗(yàn)中，所有受拉鋼筋均達(dá)到屈服或拉斷，但鋼筋均未被抽出，未發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土粘結(jié)段出現(xiàn)粘結(jié)滑移.試驗(yàn)結(jié)果充分證明，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的搭接形式和搭接長(zhǎng)度滿足搭接要求.

圖7 搭接試件破壞圖

表2 鋼筋搭接長(zhǎng)度屈服強(qiáng)度值

2.2 螺旋筋應(yīng)力應(yīng)變分析

圖8 各個(gè)試件螺旋筋拉力－應(yīng)變折線

圖8為不同鋼筋直徑各試件內(nèi)部螺旋筋應(yīng)變.試件1/2處應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較快，邊界1/4處應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較慢，原因?yàn)槎瞬刻坠孔饔脧?qiáng)，約束較多，所以端部應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較慢.但是總體應(yīng)變值均很小，都在1 ×10－4以內(nèi).

在鋼筋搭接拉拔試驗(yàn)中，螺旋筋主要作用是側(cè)向約束混凝土開(kāi)裂，而拉拔力在鋼筋混凝土交界面形成的剪切力很大部分由混凝土內(nèi)部粘結(jié)力消耗傳遞，所以螺旋筋受力較小，其應(yīng)變值也就很小.同時(shí)發(fā)現(xiàn)從12、14、16 mm的鋼筋直徑逐漸增加，其螺旋筋的應(yīng)變值也逐漸變得不穩(wěn)定，原因?yàn)殡S著鋼筋直徑的增加，屈服拉力也變大，同時(shí)鋼筋表面積的也逐漸增加，粘結(jié)應(yīng)力分布也越來(lái)越不規(guī)則，導(dǎo)致混凝土對(duì)鋼筋的握裹力不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致螺旋箍筋的應(yīng)變變化不規(guī)則.

3 鋼筋極限搭接長(zhǎng)度分析

3.1 極限搭接長(zhǎng)度試驗(yàn)

為了深入研究極限鋼筋搭接長(zhǎng)度，試驗(yàn)進(jìn)行了鋼筋搭接長(zhǎng)度繼續(xù)減小到0.5 ll、0.4 ll、0.3 ll的拉拔試驗(yàn).如表3所示，混凝土采用C30，鋼筋HRB335，直徑分別為 12、14、16 mm.混凝土試件截面尺寸為150 mm×150 mm，試件分別每組為3個(gè)、共9組，計(jì)27個(gè)試件.

表3 極限搭接長(zhǎng)度試驗(yàn)參數(shù) mm

3.2 極限搭接長(zhǎng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

表4列出了鋼筋搭接長(zhǎng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，各個(gè)拉力值均為屈服拉應(yīng)力，在試驗(yàn)中，0.5 ll的所有試件在鋼筋屈服時(shí)未發(fā)現(xiàn)千分表有讀數(shù)，即認(rèn)為鋼筋混凝土之間未發(fā)生粘結(jié)滑移.而0.4 ll和0.3ll的試件在鋼筋未達(dá)到屈服時(shí)就已經(jīng)有很大的滑移量，即認(rèn)為0.4 ll和0.3 ll搭接長(zhǎng)度失敗且不可取.可初步認(rèn)定極限搭接長(zhǎng)度為0.5 ll.

表4 鋼筋搭接長(zhǎng)度屈服強(qiáng)度及滑移

建議搭接長(zhǎng)度ll=1.25×0.5×1.6la=la，其中1.25為可靠度安全系數(shù);la為規(guī)范要求的基本錨固長(zhǎng)度.由于螺旋筋的套箍作用，搭接長(zhǎng)度可以減短為基本錨固長(zhǎng)度，即插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋搭接長(zhǎng)度計(jì)算公式為

3.3 極限搭接長(zhǎng)度機(jī)理分析

如圖9所示，將螺旋箍筋約束的搭接縱筋作為力學(xué)分析模型，在縱筋受拉時(shí)產(chǎn)生沿鋼筋表面的切向粘結(jié)應(yīng)力τ，由于鋼筋表面變形凸起而產(chǎn)生法向應(yīng)力σ，該法向應(yīng)力σ是引起搭接范圍內(nèi)混凝土受拉開(kāi)裂并導(dǎo)致縱筋搭接破壞的原因，因此以混凝土達(dá)到抗拉強(qiáng)度為標(biāo)志，建立力的平衡方程為

式中:σs為混凝土即將開(kāi)裂時(shí)約束螺旋箍筋應(yīng)力值，σs=αEftk;Asv為約束螺旋加強(qiáng)箍筋截面面積，mm2;ftk為混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm2;Dcor為螺旋筋約束核心混凝土直徑，mm;d為縱筋直徑，mm;Sv為約束螺旋加強(qiáng)箍筋間距，mm;σ為縱筋表面法向應(yīng)力，N/mm2.

圖9 螺旋筋約束力學(xué)模型

如圖10所示，宏觀上在鋼筋搭接長(zhǎng)度ll范圍內(nèi)，當(dāng)縱筋受拉達(dá)到抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fyk時(shí)，可建立力平衡方程為

圖10 螺旋筋約束力學(xué)模型

另外假設(shè)，縱筋表面的切向粘結(jié)應(yīng)力τ等于法向應(yīng)力σ，則有

由式(3)和式(4)聯(lián)立得法向應(yīng)力為

式(5)代入式(2)有

經(jīng)整理，得縱筋搭接長(zhǎng)度為

式(7)的意義為，建立起了縱筋搭接連接時(shí)，搭接長(zhǎng)度ll與約束螺旋箍筋配筋量之間的關(guān)系.

由式(7)計(jì)算的本試驗(yàn)試件的理論搭接長(zhǎng)度見(jiàn)表5.表中計(jì)算值較為接近式(1)的試驗(yàn)結(jié)論值，且有一定的安全貯備，式(7)可作為螺旋箍筋約束情況下的縱筋搭接長(zhǎng)度設(shè)計(jì)計(jì)算公式.

表5 理論搭接長(zhǎng)度計(jì)算

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)不同鋼筋直徑、混凝土強(qiáng)度、不同搭接長(zhǎng)度等因素完成了108個(gè)試件的搭接試驗(yàn)，對(duì)規(guī)范要求搭接長(zhǎng)度進(jìn)行折減20% ～70%設(shè)計(jì)并試驗(yàn)，得到了插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋搭接連接的破壞模式及各因素的影響規(guī)律，分析了螺旋箍筋約束情況下縱筋搭接連接機(jī)理，給出了考慮螺旋箍筋配筋量的縱筋搭接長(zhǎng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法.經(jīng)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，在配置螺旋箍筋情況下，縱筋的搭接長(zhǎng)度可以減短為基本錨固長(zhǎng)度，即ll=la.

本文僅在單根鋼筋搭接并配置螺旋筋的情況下，進(jìn)行了單向拉伸試驗(yàn)的探索性初步研究，下一步試驗(yàn)研究擬補(bǔ)充不設(shè)螺旋筋套箍的對(duì)比試驗(yàn)、及多種受力工況試驗(yàn)，并將這種鋼筋連接方式應(yīng)用到構(gòu)件試驗(yàn)中，以檢驗(yàn)多根鋼筋搭接下的受力情況.

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