鋼套筒-螺栓-結構膠混合連接的鋼筋性能研究

亢晉軍，韓建強，2，唐江明，褚金亮，張歡鸞

(1.華北理工大學 建筑工程學院，河北 唐山 063210；2.河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063210；3.邯鄲建工集團有限公司，河北 邯鄲 056001)

引言

在我國，預制裝配式建筑也曾短暫出現過一段時間，但當時由于社會生產力低下，裝配式理論研究不足，建造技術落后，加之中國地震災害頻發，只要有地震發生的地方，建造的裝配式房屋均無法抵抗地震的作用而發生坍塌。如1976年唐山大地震[1]和2008年汶川大地震均造成了大批人員遇難與不可估量的國民經濟損失[2-3]。

究其根本原因，是因為裝配結構的節點連接方式不夠牢固，未能表現出良好的抗震性能，國內外學者也進行了相關的抗震耗能的研究[4]。裝配式結構中鋼筋連接的方式主要有2種：套筒灌漿連接與約束漿錨連接[5]。以中國建筑科學研究院吳廣彬等[6]人為代表的套筒灌漿研究，對115個錨固在混凝土中的預埋件鋼筋進行拉拔破壞試驗，最終試驗結果證明：帶錨固板的鋼筋的錨固性能明顯優于同條件下不帶錨固板的鋼筋。并可以大幅減少鋼筋在混凝土中的錨固長度，達到在實際工程中減少鋼筋浪費的目的。姜洪斌、張海順等[7]研究了81個不同鋼筋錨固長度的構件，對所有構件進行拉伸加載破壞。結果表明，全部構件的破壞形態均為鋼筋屈服產生頸縮現象或者鋼筋自身被拉斷。

美國的Jirsa等[8]對18個鋼筋套筒灌漿連接的試件做了拉伸試驗，研究出套筒灌漿連接的受力模型，為灌漿套筒的設計提供了堅實的理論分析。后藤幸正[9]采用特殊方法通過拔出試驗揭示了變形鋼筋與混凝土通過機械咬合作用傳遞應力的機理，他的做法是在試件預留的孔道中壓注紅墨水，混凝土開裂后，紅墨水進入各條縫隙，卸載后，將試件剖開，可以清晰地看到裂縫開展的情況以及裂縫的形狀。

1鋼套筒-螺栓-結構膠連接鋼筋的設計原理

借鑒預制裝配式結構中鋼筋的套筒灌漿連接方式，探究出一種新型的、便于實際施工的“鋼套筒-螺栓-結構膠”混合連接的鋼筋接頭形式。首先通過有限元模擬軟件ABAQUS，模擬試驗過程，如下圖1所示，進行數據分析，進而不斷改進完善試驗接頭設計。然后通過試驗，進一步驗證接頭連接可靠性。本試驗分別以螺栓個數和套筒長度為變化參數，設計相互對照組進行對比研究。且按照規范要求，對每組試件進行單向拉伸破壞試驗，測量其殘余變形值和最大力下總伸長率。通過分析對比，為這種新型的連接方式提供設計建議。

圖1 試件模型

1.1 接頭連接的受力要求

圖2所示為接頭傳力受力圖

圖2 接頭傳力示意圖

鋼筋連接保證接頭強度的要求，實質上就是保證區段L的傳遞鋼筋受力的能力。在鋼筋接頭單向受拉過程中，在接頭一側施加拉力1，該力通過連接區段L后，將被傳遞到右側鋼筋上，此時測得右側鋼筋上的拉力2，且關系式拉力1等于拉力2成立。隨后增大拉力1至鋼筋的屈服強度fy，乃至極限抗拉強度fu，上述關系式將始終成立。

參照鋼筋灌漿套筒的連接形式，發現接頭因強度破壞形態主要有以下3種：鋼筋被拉斷、連接鋼筋用的套筒破壞以及鋼筋錨固不實，致使鋼筋連同結構膠一起從套筒內拔出。一般情況下，理想的破壞形式是鋼筋在接頭外部被拉斷，即拉斷處位于鋼筋外露位置上，而非接頭或接頭內部，這就要求鋼套筒的強度高于鋼筋的強度。

(1)

1.2 接頭連接的剛度變形要求

圖3所示為鋼筋連接接頭的變形。

圖3 鋼筋連接接頭的變形

圖3所示總距離L1為接頭在單向拉伸試驗下，變形量測量的標距。

L1=L+4d

(2)

式中：

L—鋼筋連接接頭長度，mm；

d—鋼筋公稱直徑，mm。

ΔLa為套筒外鋼筋的形變，隨著拉力的不斷增大，產生的形變會由彈性變形、非彈性變形及塑性殘余變形組成。

ΔLb為套筒內部鋼筋的形變，由于套筒內部的鋼筋與粘鋼結構膠存在機械咬合作用及粘結作用，所以鋼筋上的應力由外側向內測逐漸減弱，直至鋼筋內部端頭，應力為零。由此推斷，套筒內部的鋼筋形變規律與應力分布規律相同，由外側向內部端部鋼筋的形變越來越小。

ΔLc為連接套筒的形變，套筒內帶環形絲扣，通過與粘鋼結構膠的接觸來傳遞鋼筋拉力，因此會產生伸長形變。且套筒的受力正好與所連接鋼筋的受力相反，呈現出套筒中部受力最大，而向兩端逐漸減少，最終減小為零。但套筒的變形計算原理困難，不易直接得出結果，但其形變與鋼筋形變相協調，最終套筒的變形量可由鋼筋推導。

2鋼套筒-螺栓-結構膠連接鋼筋的力學性能試驗

試驗從裝配式結構中鋼筋套筒連接的方式出發，擬探討一種新型、實用的“鋼套筒-螺栓-結構膠混合連接鋼筋”的接頭形式，用于工程上3級鋼的連接。根據鋼筋連接的相關規范，對連接接頭進行單向拉伸的型式檢驗。研究套筒長度及螺栓個數對連接強度及接頭變形的影響，最終確定該接頭的設計方法及相關設計參數。

2.1 試驗材料準備

(1)套筒

套筒采用45號優質碳素結構鋼，其規范力學性能見下表1。

表1 45號鋼力學性能

(2)鋼筋

鋼筋采用公稱直徑為14 mm的HRB400級鋼筋。在實驗前，參照《鋼筋混凝土用鋼 第二部分：熱軋帶肋鋼筋》標準[10]，對鋼筋進行母材拉伸試驗，結果如表2所示。

表2 鋼筋母材力學性能

(3)螺栓

螺栓采用市場上常見的4.8級普通鍍鋅螺栓，螺栓桿直徑為8 mm。其規范中力學性能如表3：

表3 4.8級螺栓力學性能

(4)粘鋼結構膠

粘鋼結構膠是A、B雙組份環氧樹脂膠粘劑，該膠可操作性好，常溫固化不分層，不離析，不沉淀，觸變性好，施工不流淌，可節省用膠量。固化后材料具有優良的機械連接性能，良好韌性的抗震及沖擊能力，耐介質(酸、堿、鹽)、耐老化等性能優異，該材料綠色環保不含有揮發性溶劑，安全無毒。相關力學性能參數如表4。

表4 結構膠力學性能參數

2.2 試件制作準備

(1)探討套筒連接長度L對接頭連接的影響

為探討套筒連接長度L對接頭連接的影響，分別設置了6組3種不同長度的套筒構件。依據理論計算可知，若要保證結構膠錨固直徑14 mm的HRB400級鋼筋，則需要套筒最短尺寸為210 mm，同時為研究套筒長度變化對構件的承載能力影響。分別選取套筒長度150 mm、210 mm以及250 mm，且套筒內徑均為20 mm，外徑均為30 mm。對每組試件均進行單向受拉試驗，每組試件選取3個以防止單個試件試驗出現偶然性。試驗的每組情況如表5所示，螺栓開孔示意圖如圖4所示。

圖4 不同套筒長度(150 mm、210 mm、250 mm)開孔(4個)示意圖

表5 試件分組情況(按不同套筒長度L)

(2)探討螺栓個數對接頭連接的影響

為探討套筒接頭所用螺栓個數對于連強度的影響，分別設置了5組2類螺栓個數(4個、8個)的套筒構件。同樣，對每組試件均進行單向受拉試驗，分析螺栓個數對于套筒受力性能的影響。為保證試驗合理性，防止出現單個試件的偶然性而對試驗產生影響，每組試件為3個。

螺栓開孔總數為8的套筒(210 mm、250 mm)開孔示意圖如圖5所示。

圖5 不同套筒長度(210 mm、250 mm)開孔(8個)示意圖

試驗的每組情況如表6所示。

表6 試件分組情況(按不同螺栓個數)

3鋼套筒-螺栓-結構膠連接鋼筋的性能試驗結果分析

3.1 不同套筒長度(無螺栓)對鋼筋連接性能的影響

圖6所示為無螺栓作用構件“p-Δ”關系圖。

理論分析中，結構膠的粘結應力為τ，鋼筋直徑為d，鋼筋錨固總長度為I，連接試件抵抗外拉力最大值為F，則有公式：

F=τ×π×d×l

(3)

表示結構膠發揮粘結應力的折減系數。則公式變為：

F=ε×τ×π×d×l

(4)

將表6數據代入公式(4)中，可得ε1=0.30。

3.2 不同長度(4個螺栓)套筒的軸向抗拉性能

如圖7所示為3組不同長度套筒(4個螺栓)連接鋼筋構件的“承載力-位移”關系。

圖6 無螺栓作用構件“p-Δ”關系圖 圖7 4個螺栓作用構件“p-Δ”關系圖

由前述可知，ε表示粘鋼結構膠發揮粘結應力的折減系數。現再引入螺栓對于承載力的影響系數a，用來表示單個螺栓對于承載力提高大小的程度。則有公式：

(5)

根據等式兩側列項相消等運算，求得粘鋼結構膠填充厚度為3 mm時，對于結構膠發揮粘結應力的折減系數ε2=0.38。

3.3 不同長度(8個螺栓)套筒的軸向抗拉性能

圖8所示為2組不同長度套筒(8個螺栓)連接鋼筋構件的“承載力-位移”關系。

圖8 8個螺栓作用構件“p-Δ”關系圖

將表6數據代入公式(4)中，可得ε3=0.22。

綜上所述，將測得ε1，ε2，ε3。取平均值：ε=0.30。即對于套筒外徑30 mm(壁厚為5 mm)，粘鋼結構膠的粘結抗剪極限承載力與鋼筋(d=14mm)的錨固長度呈正相關線性關系。大致符合公式：

F=0.3×τ×π×d×l

(6)

3.4 不同螺栓個數(150 mm)套筒的軸向抗拉性能

本組試件中，連接的套筒長度均為150 mm，且構件達到極限承載力時的破壞形式相同，鋼筋均未達到屈服應力，沒有經過強化大變形階段的脆性破壞。假定不考慮套筒上開孔對結構膠粘結能力的削弱作用，同無螺栓作用的構件相比，有螺栓作用構件承載力的提高因素，僅來自螺栓對鋼筋的夾緊作用。

圖9所示為150 mm套筒長構件“p-Δ”關系圖。

圖9 150 mm套筒長構件“p-Δ”關系圖

代入公式(5)可得螺栓對于承載力的影響系數a1=0.81。

3.5 不同螺栓個數(210mm)套筒的軸向抗拉性能

圖10所示為210 mm套筒長構件“p-Δ”關系圖。

圖10 210 mm套筒長構件“p-Δ”關系圖

由圖10可直觀看出，隨著螺栓個數的增加，構件極限承載力也在變大，0個和4個螺栓作用的套筒構件曲線形狀較為一致，破壞形式均為脆性破壞，即鋼筋未進入屈服階段，8個螺栓作用下的套筒連接件鋼筋屈服前的曲線形狀同其它2條線段一致，當鋼筋進入屈服階段后，表現出良好的變形性能，承載能力繼續提高。但強化階段的受力未達到鋼筋極限抗拉承載力。套筒兩側鋼筋均未出現徑縮現象。

由式(5)可以解得a2=0.76。

3.6 不同螺栓個數(250mm)套筒的軸向抗拉性能研究

圖11所示為250 mm套筒長構件“p-Δ”關系圖。

圖11 250 mm套筒長構件“p-Δ”關系圖

8個螺栓作用下的套筒連接構件承載力為90.05 kN，已經達到了鋼筋的極限抗拉承載力。套筒一側鋼筋發生徑縮現象，且最終破壞時鋼筋未從套筒內拔出，只是在鋼筋屈服后，套筒端部結構膠有輕微撕裂脫落現象，直至構件達到極限承載力時鋼筋出現徑縮現象，結構膠并未發生進一步破化。

由式(5)可以解得a3的值為0.72。

綜上所述，將測得a1，a2，a3。取平均值：a=0.76。即對于套筒外徑30 mm(壁厚為5 mm)的構件，螺栓作用下對于承載力的影響公式可以表示為：n為螺栓個數。

(7)

4結論

(1)粘鋼結構膠提供的抗剪承載力方面：結構膠無法完全發揮理論計算的粘結抗剪承載力，故需要對抗剪承載力公式進行修正。則最終修正系數 。修正后的公式見式(6)。

(2)螺栓提供的抗剪承載力方面：若干雙螺栓對稱夾緊鋼筋作用下，使構件的抗拉承載力有了明顯的提升。最終修正系數a=0.76。修正后的公式見式(7)。

(3)無螺栓作用的灌膠套筒鋼筋連接試件承受拉力作用時，由于制作缺陷導致鋼筋存在偏心，進而產生附加彎矩，會削弱構件的承載能力，使構件承載力降低5%左右。

(4)試驗對于鋼套筒上開螺栓孔的位置及直徑限制條件，均僅參考了鋼板上開孔的限制要求，在試驗過程中鋼套筒并未在開孔的不利截面處發生凈截面撕裂破壞。說明鋼板開孔的限制條件對鋼套筒是完全適用的，并存在一定的安全儲備量，其開孔位置距離套筒端部的限值可進一步減小。