樁板式無土路基預制板新型鋼筋連接研究

刁凱，慈偉主，汪志甜

（1.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 前言

隨著我國建設事業的飛速發展，工業化建造理念在交通運輸建設中得到探索和實踐，預制裝配是工業化建造的重要環節，其建造工藝采用工廠預制、現場拼裝的施工方法，能在保證工程質量的前提下，減少現場混凝土澆筑工程量、減少施工占地和工期，使交通運輸建設更環保、更安全、高質量和低消耗[1]。

裝配化樁板式無土路基結構是一種新型路基結構，相比于土質路基有工后沉降小，整體剛度大的優點。樁板結構是處理深厚軟土、松軟土和深厚濕陷性黃土的有效方法。這種結構形式適應性很強，在不同地段可以靈活應用[2]。

預制板鋼筋之間的構造連接是裝配化樁板式無土路基結構的關鍵位置，是確保結構整體性能的主要部位，其質量直接影響到板結構承載力和使用性能。本文將對裝配式樁板式無土路基的預制板新型鋼筋連接構造開展相應的研究工作。

1 預制板新型鋼筋連接形式

近年來隨著預制裝配式結構的深入發展，國內外提出了很多應用于裝配式預制結構鋼筋連接新技術，包括套筒灌漿連接、環形鋼筋連接等[3]。

1.1 套筒灌漿連接

鋼筋套筒灌漿連接技術是通過鑄造的中空型套筒，鋼筋從兩端插入套筒內部，不進行搭接、融接，鋼筋與套筒間灌注高強度微膨脹灌漿料。其連接機理是借助砂漿微膨脹特性加強套筒對其的圍束作用，使灌漿料與鋼筋、套筒內側間的正向作用力得到增強，連接的鋼筋通過該正向力與粗糙表面產生摩擦力，來傳遞鋼筋應力，如圖1所示。目前套筒灌漿連接在預制裝配式結構鋼筋連接中被廣泛應用，是目前比較成熟的預制混凝土構件連接技術。但這種構造仍存在允許誤差小，接頭尺寸大，對于板厚及鋼筋間距較小的板，常難以滿足構造要求。

圖1 灌漿套筒連接構造

1.2 環形鋼筋搭接連接

環形鋼筋搭接連接是指鋼筋連接時上下層鋼筋采用同一根鋼筋，通過彎成180°的半圓弧，再與對應另一側的半圓弧鋼筋進行搭接，在重合環內設置橫向鋼筋，以此實現鋼筋之間的可靠傳力，如圖2所示。環形鋼筋以其無需焊接施工方便，重合長度短可減小接縫尺寸的優勢，在預制板中得到廣泛應用，在國內的預制板連接中也逐漸得到應用，但國內規范尚未對這種連接方式進行規定，其受力性能和構造要求也有待研究。

圖2 環形鋼筋連接構造

2 套筒灌漿連接研究現狀

目前，套筒灌漿連接接縫在預制板鋼筋連接中逐漸得到廣泛應用。套筒灌漿連接適應工業化建造預制安裝方式，受力性能安全可靠，施工方便快捷、綠色環保。

2.1 構造參數

套筒灌漿連接套筒材料宜選用球墨鑄鐵，也可選用合金結構鋼，選用球墨鑄鐵時通過鑄造工藝制造，選用低合金結構鋼、合金結構鋼時通過機械加工制造，其性能參數需符合國家行業標準[4]的規定，如表1所示。

套筒材料性能參數表 表1

國內外已有很多種套筒灌漿接頭，可分為全套筒灌漿接頭和半套筒灌漿接頭[5]。如美國的NMB灌漿套筒[6]、LENTON INTERLOK 灌漿套筒[7]、日本的東京鐵鋼灌漿套筒[8]、澳大利亞的ReidBar Grouter灌漿套筒[9]、中國臺灣潤泰[10-12]、北京JM灌漿套筒[13-14]等。幾種灌漿套筒連接公稱直徑25mm鋼筋產品參數如表2所示。由表可知，不同國家的套筒灌漿產品參數差別很大，國內的灌漿料強度等級偏高，建議套筒與灌漿料配套使用。

公稱直徑25mm套筒灌漿產品參數表 表2

2.2 受力性能

Einea A[15]等考慮套筒直徑、鋼筋直徑及灌漿料抗壓強度等對于灌漿套筒連接強度的影響，試驗研究了14根灌漿套筒試件的連接強度。試驗結果表明灌漿套筒鋼筋的錨固長度可以縮短為7倍鋼筋直徑，對套筒灌漿料施加約束可以提高灌漿套筒的連接強度。

A.Alias[16]等通過試驗研究了8跟灌漿套筒試件的拉伸破壞模式。研究表明，套筒灌漿連接破壞模式有三種，分別為鋼筋拉出破壞、鋼筋拉斷破壞、灌漿料拉出破壞。試驗結果表明套筒直徑減小會提高對灌漿料的環向約束作用從而提高試件的拉伸強度，鋼筋的錨固長度為10倍鋼筋直徑時，試件的破壞模式為鋼筋拉斷破壞模式。

吳小寶[17]等研究了灌漿料齡期和鋼筋級別對套筒連接強度的影響。試驗結果表明灌漿料齡期為1天、4天、7天、28天時，灌漿套筒的連接強度分別達到了最終的50%、90%、96%和100%。鋼筋等級越高，套筒連接強度越高，HRB500級鋼筋的連接強度比HRB400級鋼筋套筒的連接強度要提高5.4%～23.7%。

2.3 理論分析模型及承載力計算

Ling[18]等設計了兩種不同的全灌漿套筒（WBS、THS）并進行了拉伸試驗研究。研究發現THS套筒連接接頭具有更高的連接強度，并通過線性回歸方法進行推導，得到連接鋼筋的連接強度計算方法。

Sayadi[19-20]等考慮碳纖維的影響設計了40根試件，包括8跟普通灌漿套筒試件及32根GFRP灌漿套筒試件。對灌漿套筒彈性段和非彈性段的受力連接性能進行了研究分析，研究得到在套筒的彈性段增加灌漿料與套筒的機械咬合作用會降低鋼筋的連接強度，并推導提出了普通灌漿套筒和GFRP套筒連接強度計算公式。

3 環形鋼筋連接研究現狀

在預制板中，環形鋼筋搭接連接施工方便，構造要求低，施工質量易保證，在交通運輸建設中越來越受到工程師們的歡迎。

3.1 構造參數

對于鋼筋的彎曲直徑，國外關于環形鋼筋的連接較為成熟，已經有相應的規范和設計指南。

美國的AASHTO規范[21]考慮鋼筋彎曲后的開裂以及鋼筋彎曲內側混凝土的壓碎，對鋼筋的最小彎曲直徑進行了相應規定，如表3所示。該規范還規定，相鄰受力主筋的間距不超過150mm，同時不小于25mm和鋼筋公稱直徑以及1.33倍最大粗骨料尺寸；除特殊情況，板所有鋼筋間距均不能超過1.5倍最小板厚和450mm；彎曲鋼筋基本錨固長度不小于8倍鋼筋直徑和150mm。

鋼筋最小彎曲直徑 表3

同濟大學李銳等[22]參考國際結構混凝土協會的《模式規范》MC2010，建立了鋼筋彎弧錨固與搭接的受力機理模型，提出了錨固彎弧的最小半徑與間接搭接附加橫向鋼筋的計算方法，并根據力平衡原理，推導出了鋼筋彎弧最小半徑應滿足的條件及附加橫向鋼筋截面面積的計算公式。

Daniel de Lima Araújo等[23]研究了鋼纖維加強混凝土中鋼纖維含量、橫向鋼筋的有無以及鋼筋彎曲直徑對于鋼筋環形連接試件抗拉性能的影響。試驗結果表明：彎曲半徑從160mm減少到100mm時不會導致鋼筋環接強度的下降；鋼纖維含量增加到2%時能提高連接的極限抗拉能力；當沒有鋼纖維加強或者含有1%鋼纖維但沒有橫向鋼筋時試件破壞模式為核心混凝土失效，說明接縫寬度為110mm時鋼筋環接不能有效的傳遞軸向荷載；合理使用鋼纖維含量能減小鋼筋環接接縫的寬度，同時保證連接的有效性。

3.2 受力性能

Lewis S等[24]中設計了六個接縫連接試件，模擬了橫向及縱向濕接縫的拉拔和彎曲。同時為了對比鋼筋不同的連接方式和材料性質對受力性能的影響，每三個試件中有一個為T形端頭鋼筋連接，另兩個為環形鋼筋連接。通過試驗得出以下結論：三種連接接頭在拉拔和彎曲的作用下都有足夠的強度和延性，環形接頭在延性不折減的情況下能有更大的承載能力；相較于T形端頭鋼筋連接，在正常使用狀態下環形接頭的裂縫寬度更小。而從施工性能和接頭所需費用的程度來看，環形鋼筋接頭優于T形鋼筋連接。

操禮林等[25]提出了一種環形鋼筋連接的節點構造，利用交錯咬合對接的U型鋼筋環片、圓鋼棒和高強灌漿料，來實現預制板的橫向拼接連接，如圖3所示，并設計了9根該種連接構造的預制板進行抗彎試驗和抗剪試驗，試驗結果表明，該節點能夠保證通過拼縫有效地傳遞內力(彎矩、剪力和軸力等)，且具有較高的抗彎、受剪及受拉承載力，裝配拼接后的試件表現出良好的整體工作性能。試驗結束后，在鑿開的節點區未見交錯布置的U型鋼筋環片發生脫落、滑移及其他錨固連接失效的破壞現象，表明拼接節點構造是安全可靠的。

圖3 大型預制板裝配拼接節點示意圖

3.3 理論分析模型及承載力計算

朱玉等[26]借鑒開孔板連接件的經驗數據，以單剪切面核心混凝土柱抗剪承載力與環形鋼筋抗拉承載力等強為控制條件，提出了環接鋼筋接縫的承載力公式。

Joergensen H B等[27]以橫向鋼筋直徑、環接鋼筋直徑、環接鋼筋橫向間距及環接鋼筋重合長度為參數，設計了15組總共30個試驗試件，進行拉拔加載試驗研究。研究發現試件破壞模式分為環接鋼筋屈服和核心混凝土失效兩種破壞模式。并推導得到此種失效模式下的抗拉承載力計算公式。

Dragosavic等[28]在U形鋼筋連接形式的接縫試驗的基礎上，總結了該種類型接縫的三種破壞模式：鋼筋屈服破壞、受壓區混凝土壓碎以及U形鋼筋間混凝土開裂。并針對前兩種破壞模式總結了鋼筋應力及抗彎承載能力的計算方法。

4 總結與展望

①本文對裝配式樁板式無土路基預制板新型鋼筋連接方式，套筒灌漿連接和環形鋼筋連接的構造參數、受力性能、理論分析模型及承載力計算以及研究不足進行了總結和分析，研究成果可為預制板新型鋼筋連接的設計計算提供更多選擇，為裝配式樁板式無土路基結構的進一步推廣應用提供技術支撐；

②預制板鋼筋套筒灌漿連接產品形式多樣，不同國家的套筒灌漿產品參數差別很大，國內的灌漿料強度等級偏高，建議套筒與灌漿料配套使用；

③預制板鋼筋連接形式多樣，環形鋼筋連接是最近幾年發展起來的新型連接形式，相比焊接連接，搭接連接等傳統連接方式施工方便，構造要求低，施工質量易保證，但規范尚無相關規定，因此需要對其構造要求和受力性能進行進一步的研究以形成系統性的規范指導文件，促進環形鋼筋搭接形式在我國的推廣應用。