中等直徑鋼筋焊搭混合連接的受拉性能

馮 鵬，周正海，田 野，葉列平

（1.清華大學 土木工程系，北京 100084；2.中國建筑技術集團有限公司，北京 100013）

鋼筋連接是混凝土結構施工中量大面廣、不可避免的工作，如何有效、簡便、經濟地實現鋼筋連接是一項意義重大、影響面廣的研究。

目前，中國規范規定，受力鋼筋連接包括機械連接、綁扎搭接或焊接連接3種方式。綁扎搭接施工方便，操作難度低，但需要設置較長的錨固長度，搭接接頭連接區段內必須按要求布置箍筋［1－3］，箍筋用量較大。另外，當鋼筋較粗時，綁扎搭接施工困難且容易產生裂縫，因此規范對其直徑的適用范圍進行了限制［4］。機械連接需要對鋼筋接頭進行機械處理，操作工藝復雜，直徑較小的鋼筋不適用機械連接，且費用昂貴。焊接連接效果最好，連接強度可以達到甚至超過鋼筋自身強度，但是施工要求高，受施工現場天氣條件等影響較大，而且焊接位置處形成的熱影響區和殘余應力等對連接的性能影響較大；《鋼筋焊接及驗收規程》（JGJ 18－2003）規定，搭接焊時，焊接端鋼筋應預彎，并應使兩鋼筋的軸線在同一直線上，消除偏心作用的影響［5］。

實際工程中，直徑10～16mm的鋼筋應用量很大，其連接方式主要以綁扎搭接為主，尤其是12和14mm的鋼筋幾乎全部采用綁扎搭接。受力縱筋的綁扎搭接對搭接區橫向配筋有較高的要求［2］，且鋼筋直徑越小，橫向配筋越多，這就使得在實際工程中，由于鋼筋綁扎搭接產生了一部分額外的用鋼量。隨著HRB500鋼筋等高強鋼筋的應用，鋼筋抗拉強度增大，鋼筋搭接長度也相應增大，這部分額外增加的用鋼量將相應增加。例如在C40混凝土柱中，直徑14mm的HRB335鋼筋基本搭接長度為413mm，而HRB500鋼筋則需要598mm。針對這種情況，筆者提出了2種鋼筋混凝土豎向結構構件中的鋼筋連接結構（專利號分別為：200920163870.5和201020166469.x）［6－7］。這是一種鋼筋焊搭混合連接，希望實現有效、簡便、經濟的鋼筋連接方式。這種連接與傳統的鋼筋綁扎搭接、機械連接和焊接連接相比，可節省材料，且施工方便、造價低，如果在鋼筋混凝土結構尤其是剪力墻等鋼筋用量較大的結構中推廣使用，可以取得很好的經濟效益和社會效益。

關于鋼筋混合連接的相關試驗研究較少，Chun等［8］通過48根軸壓柱試驗研究橫截面箍筋對于受壓鋼筋連接強度的影響；Bashandy［9］通過16個在彎曲梁跨中受拉區布置鋼筋連接的彎曲試驗，研究在總截面面積不變的情況下并筋對于鋼筋連接強度的影響；Hassan等［10］進行了20個足尺梁模型彎曲試驗，研究了受拉區縱向主筋搭接連接強度的影響因素及大小。Issa等［11］通過試驗研究，認為鋼筋焊接連接的焊腳尺寸應取為鋼筋直徑的0.3倍，焊縫最小長度應為15倍鋼筋直徑，并且認為焊接連接在高強度鋼筋、低強度混凝土或者大直徑鋼筋等特殊情況下具有較好的經濟性。Hosny等［12］進行了66個大尺寸鋼筋連接試驗，探討了常規的計算公式對于無約束高強鋼筋的適用情況，認為在某些情況下可能會過高的估計鋼筋與混凝土之間的粘結強度，并提出一種適用于無約束高強鋼的延伸長度計算公式。Xiao等［13］對高強鋼筋（HPB500）在高性能混凝土（C60）中的錨固性能進行了靜力和疲勞試驗研究，并結合有限元對試驗結果進行了分析。Simons等［14］對比現澆混凝土中鋼筋連接，研究了后植筋在地震激勵下的粘結性能，并根據試驗結果提出了地震荷載作用下后植筋的設計模型。對于搭接混合連接的受力性能的研究未見有文獻涉及。

筆者通過138個連接試件拉伸試驗，針對12和14mm兩種直徑的鋼筋，從非埋入混凝土和埋入混凝土兩個方面進行試驗，分別研究鋼筋單獨作用的鋼筋連接性能和鋼筋與混凝土共同作用下的鋼筋連接性能，對其破壞模式和受力性能進行分析，對鋼筋焊搭混合連接的性能進行研究。

1 非埋入混凝土鋼筋連接性能試驗

1.1 試驗設計

非埋入混凝土鋼筋連接性能試驗試件共計36個，按焊接方式分為3組：單點焊接、兩點焊接和三點焊接。每組又根據鋼筋等級和直徑不同制作4種試件，每種試件按相同要求制做3個。對所有試件進行拉伸試驗（見表1），并對每種母材進行材性試驗，共計16種試件。在試驗過程中記錄屈服承載力、極限承載力，并計算鋼筋伸長率［15］。

單點焊試件的搭接長度和施焊長度均為10倍鋼筋直徑（文中用d表示），搭接區域全部滿焊；兩點焊組試件的搭接長度為30 d，在搭接區域兩端各5 d長度區域內施焊，焊縫總長度為10 d；三點焊組試件的搭接長度同樣為30 d，在搭接區域兩端和中點處分別施焊三條長度為5 d的焊縫，焊縫總長度為15 d。為了與工程實際相符合，焊接方法單面手工電弧焊，焊縫布滿并排放置的鋼筋之間的凹槽，根據文獻［10］認為焊腳尺寸為0.3倍直徑。材料性能見表2。

表2 試驗材料性能 MPa

試驗使用1000kN拉力試驗機進行。試驗裝置見圖1。將試件兩端分別夾持在試驗機的上下夾具內，施加單調拉伸荷載至試件破壞，觀察其破壞模式，記錄屈服及極限承載力大小。試件破壞后測量其伸長率。

圖1 試驗裝置

1.2 破壞過程與破壞形態

從試驗過程中來看，3種鋼筋連接的破壞形態與過程基本相同，都是經歷屈服、強化、頸縮的階段后被拉斷而破壞。受到焊接熱影響作用導致鋼材性能下降，每種連接方式都有斷點位于焊縫外側端部的情況出現，但多數構件破壞模式主要以鋼筋拉斷為主，試件的破壞都發生在搭接區域以外。構件破壞形態如圖2所示。

1.3 試驗結果分析

試驗結果如表1、表2所示。將試驗結果數據整理分析，如圖3所示。

圖3中的數據選取試驗結果的平均值。從圖中可以看出，對于相同母材的焊接連接，不同連接方式的極限承載力區別不大。其中 HRB335－Φ14－三點焊連接的極限荷載較低，屬于焊接質量問題，3根構件的極限荷載離散較大，不予考慮。從結果中可以看到，3種連接方式均滿足要求。三點焊組相比于兩點焊組，在承載力的表現上沒有明顯提高，兩點焊的連接強度甚至超過三點焊，說明焊縫長度不是決定承載力的主要因素。而在工程實踐中，三點焊的連接方法在沒有明顯提高連接效果的情況下，增加了施工的成本和復雜程度，因此在下一步實驗中，選用兩點焊與綁扎進行對比，不再設置三點焊連接對比組。

圖2 非埋入混凝土鋼筋連接構件破壞形態

圖3 不同連接方式的屈服和極限強度對比

2 埋入混凝土鋼筋連接性能試驗

2.1 試驗設計

埋入混凝土鋼筋連接性能試驗試件共計102個，設計時考慮鋼筋混凝土共同作用。按連接方式分為3組：綁扎搭接、單點焊連接和兩點焊連接，分別用L、M1和M2表示，其中M2組即為所提出的焊搭混合連接方式。每組有根據鋼筋直徑和搭接長度不同進行試件設計：選擇12和14mm 2種鋼筋直徑，每組設置6種搭接長度，M2組最短時與M1相同，因此實際包含5種搭接長度，共34種試件，每種試件按照相同要求制作3個（試件具體情況如表3所列）。

表3 埋入混凝土鋼筋連接性能試驗試件

試件制作使用HRB335鋼筋，鋼筋實測抗拉屈服強度為364MPa，極限強度為604MPa。各試件的鋼筋搭接長度如表3所示，L組不進行焊接，使用火燒絲進行三點綁扎，綁扎位置如圖4（a）所示；M1組在鋼筋搭接區域中點處施加10 d長的焊縫；M2組在鋼筋搭接區域兩端設置2條長為5 d的焊縫，焊縫總長為10 d，施焊位置如圖4所示。與非埋入混凝土鋼筋連接性能試驗相同，所有焊縫均使用單面手工電弧焊。

試件制作使用的混凝土150mm立方體抗壓強度平均值為54.2MPa。試件混凝土部分為截面100mm×100mm，長度為鋼筋搭接長度加100mm的棱柱體，搭接鋼筋端部距離混凝土表面50mm，鋼筋夾持端的端部距離混凝土表面150mm。鋼筋穿過棱柱體上下表面的中心，無橫向配筋約束。試件構造圖見圖4。

使用1000kN拉力試驗機對試件進行加載。將試件的夾持端分別夾持在試驗機的上下夾具，施加單調拉伸荷載，加載至試件徹底喪失承載力。觀察試件在破壞過程中混凝土的裂縫發展情況和破壞模式，記錄其屈服及極限承載力大小，試驗結果取平均值。

2.2 破壞過程與破壞形態

2.2.1 綁扎搭接 綁扎搭接的構件在拉伸過程中，首先出現微小的橫向裂縫，大多分布在鋼筋搭接區域內的兩側。當橫向裂縫發展到一定程度后，裂縫開始向斜向發展，形成斜向裂縫，然后鋼筋一般會進入屈服階段，與此同時，多條斜向裂縫共同發展，連結成一條主劈裂裂縫，最終由于主裂縫發展過寬導致混凝土發生破壞。綁扎搭接的傳力主要依靠鋼筋與混凝土之間的粘結錨固。當混凝土破壞后，粘結錨固失效，鋼筋綁扎搭接喪失承載力。另外，對于長度較小的構件，由于錨固長度不足，會出現混凝土沒有橫向裂縫，而鋼筋直接被拔出的情況；在搭接長度較小的情況下，試件會出現鋼筋未進入屈服階段，連接就直接發生破壞的現象，而且搭接長度越小，鋼筋連接跳過屈服階段直接破壞的現象越明顯。裂縫發展過程及破壞的典型形式如圖5所示。

圖4 埋入混凝土鋼筋連接性能試驗試件構造圖（單位：mm）

圖5 綁扎搭接

2.2.2 單點焊連接 單點焊連接的構件在拉伸過程中，鋼筋搭接范圍內會出現橫向裂縫。隨著荷載進一步增加，混凝土的端部出現斜裂縫，并發展成為端部破壞，部分構件端部破壞呈現錐形破壞形態，甚至發生端部脫落；荷載繼續增加，鋼筋屈服、頸縮直至被拉斷，最終破壞。鋼筋的斷點多位于混凝土包裹范圍外，少數破壞發生在混凝土內部。鋼筋搭接區域內混凝土破壞不明顯。裂縫發展過程及破壞的典型形式如圖6。

從破壞現象分析，試驗開始初期，在受拉荷載作用下，鋼筋與混凝土協調變形，導致混凝土出現均勻的橫向裂縫，隨著荷載繼續增加，裂縫持續發展，由于焊接鋼筋的偏心受拉作用，導致鋼筋搭接區域未焊接部位開始張開，形成對搭接區域邊緣混凝土由內向外的張力，混凝土開始出現斜裂縫，并繼續發展，端部混凝土劈裂后開始剝落，最終進入鋼筋單獨工作狀態，依次出現屈服，頸縮和破壞，試件最終破壞。

2.2.3 兩點焊連接 M2組試件的焊縫分為兩部分，位于搭接區域的兩端。試件在加載過程中，混凝土表面幾乎沒有觀察到裂縫出現；鋼筋在混凝土未發生明顯破壞的情況下直接屈服、頸縮直至被拉斷，鋼筋的斷點均位于混凝土外。在鋼筋與混凝土界面交界的地方有少許混凝土松動。裂縫發展過程及破壞的典型形式如圖7。

圖7 兩點焊連接

根據以上現象可以看出，3種連接方式的破壞模式表現出明顯的不同。綁扎搭接連接由于僅靠粘結錨固傳力，所以連接發生破壞也就是鋼筋與混凝土的界面發生破壞，破壞模式的主要特點為混凝土先后出現橫向裂縫和斜裂縫，并發展為劈裂裂縫，直至混凝土完全破壞。而M1組試件大部分荷載由焊縫傳遞，且焊縫附近熱影響區剛度較大，導致鋼筋連接在兩端的應變大于中央，鋼筋與混凝土的界面破壞主要集中在兩端，破壞模式主要為混凝土橫向裂縫發展至混凝土被拉壞。兩點焊組試件的2條焊縫將連接鋼筋的搭接區域連結成為一個整體，其縱向剛度為2根鋼筋相加，大于搭接區域外的單根鋼筋，所以在加載過程中，搭接區域縱向應變小于非搭接區域，混凝土破壞主要發生在非搭接區域以外，破壞模式為混凝土出現輕微角部破壞，鋼筋在混凝土外部某點被拉斷。

2.3 試驗結果分析

將試驗結果數據整理如圖8所示。

圖8 不同鋼筋連接方式的極限荷載

對數據進行分析可以得出結論：對于埋入式鋼筋連接，也就是在工程中實際應用的鋼筋連接來講，焊接連接的性能遠遠好于綁扎搭接，尤其是對于搭接長度較小的連接，焊接連接能夠保證具有較大的極限荷載，其穩定性優于綁扎搭接。就綁扎搭接的方式而言，Φ14比Φ12的鋼筋連接效果相對較差，Φ12的鋼筋連接在保證搭接長度的前提下，基本可以達到焊接連接的極限強度，而Φ14的鋼筋連接則無法達到焊接連接的極限荷載，說明鋼筋直徑越大，焊搭混合連接的效果更明顯。

3 埋入式鋼筋連接受力分析

3.1 鋼筋連接傳力機理分析

鋼筋連接是將2根獨立的鋼筋連接在一起，所以無論何種形式的連接，與整體鋼筋的直接傳力相比，傳力機理都發生了改變，都是改變了對整體鋼筋傳力效果的一種削弱。所以，要改進鋼筋的連接方法，必須首先明確鋼筋連接的傳力機理。

綁扎搭接連接的實質就是搭接的2根鋼筋分別在混凝土內部的錨固。相向受力的鋼筋分別錨固在搭接連接區段的混凝土中而將力傳遞給混凝土，從而實現鋼筋之間應力的傳遞。但由于2根鋼筋之間拼縫處混凝土受力不利，握裹力受到削弱，因此搭接傳力比錨固受力差，搭接長度應大于錨固長度。此外，搭接鋼筋橫肋斜向擠壓錐楔作用造成的徑向推力引起了2根鋼筋的分離趨勢，2根搭接鋼筋之間容易出現縱向劈裂裂縫，甚至因兩筋分離而破壞，因此必須保證強有力的配箍約束［1］。

焊接是受力鋼筋之間通過熔融金屬直接傳力。若焊接質量可靠，則不存在強度、剛度、恢復性能、破壞形態等方面的缺陷。但是如果將未處理的鋼筋并排焊在一起，沒有對中導致的偏心作用可能會導致混凝土發生劈裂。

將以上2種方法結合，將2根搭接連接的鋼筋通過少量的焊接連接，加強其等效配箍約束。當焊接點在搭接部位中間時，鋼筋搭接區域內焊接部位為焊接傳力，焊接部位之外為粘結傳力，在偏心作用下，非焊接區域會逐漸分開，導致混凝土發生劈裂，端部混凝土脫落，效果較差；而當焊接點位于搭接部位兩端時，兩端受到焊接點的約束，不利于劈裂裂縫的產生，有利于防止混凝土劈裂裂縫的產生；同時，焊縫也可以進行一部分力的傳遞。

3.2 鋼筋連接偏心影響分析

結合試驗，對不同焊搭混合連接方式的偏心影響進行分析。假設焊接區域為剛體，不會發生彎曲變形，焊接區域以外受到拉力作用，也不會發生彎曲變形，所以在拉力作用下，鋼筋連接進行自適應調整時，在焊接區域邊緣由于抗彎剛度突變，該位置會發生轉角變形，如圖9所示。

圖9 不同連接方式鋼筋連接偏心分析

如圖9所示，以直徑14mm，搭接長度319mm的試件為例，計算可得：對于單點焊連接方式，當自適應調節完成以后，焊縫邊緣區域發生轉角大小為4.9°，如果不考慮鋼筋受混凝土約束作用，導致搭接邊緣區域可能發生寬度為0.57 d的分離，將對混凝土產生不利影響。這種效應隨著鋼筋直徑的增加而愈加明顯。而當使用兩點焊連接方式，由于焊縫將整個搭接區域連為一體，剛性區域明顯增大，焊縫邊緣區域轉角減小為2.5°，搭接區域邊緣由于焊縫作用不會張開，對于防止混凝土開裂有利。

使用ANSYS中的solid45實體單元建模。幾何模型為兩根截面為正方形的鋼筋模型，截面面積按照面積等效原則將邊長取為a＝12.04mm（以直徑14mm，搭接長度319mm的試件為例）。先按照《鋼筋焊接及驗收規程》（JGJ 18－2003）［5］的做法建立模型，對預彎后的鋼筋建立幾何模型，耦合節點模擬焊接。對于試驗構件，建立長方體幾何模型，每根鋼筋在截面上劃分為4×4的網格，在長度上分為50段，單元的長寬高之比約為1∶1∶3.4。劃分單元后對鋼筋焊接區域進行節點耦合，模擬焊接連接。在鋼筋兩端分別加位移約束和荷載。計算得到如圖10所示結果。

有限元分析驗證了彎曲變形主要發生在焊接區域以外，尤其是在單點焊連接形式中，在搭接焊區域邊緣形成了由彎曲變形引起的楔形開口。通過應力分布圖可以看出，兩點焊連接區域的焊縫撕裂力應力集中區域小于單點焊連接形式。

圖10 有限元計算橫截面應力分布和變形圖（所標數字為橫向截面應力最大值）

經過以上分析可以看出兩點焊連接在減小偏心作用方面具有優勢，應該盡量采用兩點焊鋼筋連接方式。

4 經濟性分析

以沈陽某商住樓小區項目為例，通過簡單計算評價焊搭混合連接方式的經濟性。文中提到的焊搭混合連接方式，已在該工程中得到具體應用。該項目包括回遷樓14棟（22層），住宅建筑面積共108404.48m2，商品樓9棟（20層），住宅建筑面積共78805.92m2，兩者高度皆小于80m，為三級抗震墻。假設層高為2800mm，柱混凝土C30，柱截面尺寸為200mm×400mm，縱筋6Φ12，箍筋為Φ8＠200（以圖11所示暗柱為例），則計算可得每根箍筋的長度為1.214m。

傳統綁扎連接方式下箍筋包括加密區箍筋和非加密區箍筋。在加密區箍筋間距按規范規定取為5 d，即60mm，則加密區箍筋根數為26根。非加密區箍筋間距為200mm，則非加密區箍筋根數為7根，總計33根，總重量15.83kg。

采用焊搭混合連接方式下，不需要考慮箍筋加密布置，所有區域均按箍筋間距200mm計算，則箍筋總根數為15根，重量為7.2kg。將計算結果匯總如表4所示。

表4 兩種方案經濟性分析對比

結合工程實際，可以計算得出面均節省費用指標，如表5所示。

表5 面均節省費用指標計算

從表中可以看出使用焊搭混合連接進行鋼筋連接可以節省大量的柱箍筋用量，節約比例可以達到31.76%。與現行規范相比，雖然雙點焊搭接區多出了12 d的縱筋長度（重量約為0.127kg），但與加密區箍筋的數量相比，這些增加是微不足道的，綜合來看焊搭混合連接有非常好的經濟性。將此數據參考以往工程經驗進行分析，每平米可以節約11.5～13.5元。

對于該工程而言，僅鋼筋材料費用的節省，就可以節約工程造價250余萬元，經濟效益顯著。此外，焊搭混合連接方式還降低了鋼筋連接的操作難度，加快了施工速度，保證了施工質量。在實際應用中，焊搭混合連接方式具有明顯優勢。

5 結論

通過上述對鋼筋連接性能兩部分試驗進行分析總結，得到以下結論：

1）中等直徑鋼筋焊搭混合連接能實現有效的鋼筋受拉連接：承載力滿足要求，破壞模式合理。兩點焊與單點焊相比，破壞模式更為合理，建議優先采用兩點焊。

2）在混凝土中，單點焊與兩點焊在極限強度上高于綁扎搭接的性能，在搭接長度很短（15 d）時就能滿足強度要求。

3）焊搭混合連接的傳力機制與搭接連接不同，焊縫在連接中除了發揮傳力作用外，還起到橫向約束作用，有效地減少了鋼筋偏心對于連接的不利影響，破壞模式中沒有劈裂破壞出現也證明了這一點。

4）焊搭混合連接方式作為一種簡單經濟的鋼筋連接方式，可以應用于大量使用鋼筋的鋼混結構（如剪力墻結構等）中，具有很好的經濟效益與社會效益。

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