裝配整體式混凝土結構鋼筋連接技術研究進展探析

詹霖偉

(福建六建集團有限公司 福建福州 350014)

0 引言

隨著我國建設水平的進一步提高，裝配式混凝土結構越來越得到國家和各省市政府的青睞[1-6]。與傳統的混凝土現澆結構相比，裝配式混凝土結構更有利于提高生產效率和節約能源，更能保證現場實體的建筑工程質量，符合綠色節能環保的要求[7]。裝配式混凝土主要分為整體裝配式和裝配整體式結構[8]，裝配整體式由于結合了現澆結構和預制裝配式的特點，在進行現場拼裝時，可以減少模板的投入量，降低工程成本，又能保障工程建設的整體性和結構抗震性能，已成為現階段裝配式結構的主要發展方向[9]。

裝配整體式混凝土結構的預制構件之間通過有效的節點，連接形成一個共同受力體系，節點處的連接質量成為裝配式結構能否夠抵抗外力荷載作用的重點關注部位，是裝配式結構受力的薄弱環節[10-11]。在混凝土結構的破壞過程中，通常表現為預制構件破壞較輕，節點和鋼筋連接處失效，從而是整個受力體系破壞，是裝配式結構破壞的主要原因[9,12-13]。所以，研究節點處鋼筋的連接技術是，進行裝配整體式混凝土結構力學性能研究的重要部分[14]，對推動裝配式建筑的發展有促進作用。

1 裝配式構件連接原理

裝配整體式混凝土結構，是在工廠中進行預制構件的加工和生產，在現場進行構件的拼裝和連接。現場施工時，預制構件之間通過可靠的連接件進行連接，在連接處后澆混凝土、水泥基灌漿料形成整體的裝配式混凝土結構。由于在現場施工時，需要灌注混凝土或者水泥基等灌漿料，因此裝配整體式混凝土結構的連接是濕連接。濕連接的連接質量要求 “等同于現澆形式”。根據連接件連接的對象不同，主要分為：裝配整體式框架結構，裝配整體式剪力墻結構，裝配整體式框架-現澆剪力墻結構，裝配整體式部分框支剪力墻結構等幾種方式。

裝配式結構的濕連接不僅起到固定構件的作用，還使混凝土單個構件受到的荷載通過濕連接進行傳遞，使裝配式結構共同受力。在裝配式混凝土濕連接中，上下層構件之間的鋼筋不是連續的，而通過連接處的混凝土進行力學傳遞。微膨脹的混凝土使鋼筋與混凝土之間的摩擦力增大，使得鋼筋連接處的摩擦力足以抵抗鋼筋受到的極限拉力，而使混凝土構件的破壞發生在連接處以外的鋼筋。

2 鋼筋連接形式和研究現狀

2.1 套筒灌漿連接

(1)構造形式和工作機理

套筒灌漿連接是目前裝配式結構中，運用最多的一種鋼筋連接方式[15]。在上層混凝土預制構件中預留套筒，下層預制構件預留的鋼筋插入上層套筒中，并在套筒中灌注連接漿液，形成一個牢固的連接件，使上下層構件之間共同受力。套筒灌漿連接方式分為全套筒灌漿連接和半套筒灌漿連接兩種方式，如圖1所示。

在外力作用下，荷載通過鋼筋與灌漿料之間的摩擦力，灌漿料對鋼筋的粘結力以及鋼筋外部的螺旋肋對灌漿料的咬合力進行傳遞。同時灌漿料具有微膨脹性質，使得混凝土在三向受力的狀態下，套筒對灌漿料的約束力，摩擦力以及咬合力進一步加強灌漿料對鋼筋的作用力[16]。

(a)全套筒灌漿連接頭

(b)全套筒灌漿連接頭

(2)研究現狀

華北理工大學地震工程研究中心設計了一種成本較低、套筒取材方便的新型半灌漿套筒連接構件，如圖2 所示。套筒采用普通無縫鋼管，并在鋼管內部加工出用于增強約束的內螺紋。套筒的一端直接跟鋼筋進行連接。王寧[17]等人利用這個新型的灌漿套筒進行靜力拉伸和動力反復加載試驗，結果均表現出較好的力學特性。連接件的破壞均發生在連接件外的鋼筋上，具有一定的牢固度和市場應用前景。

圖2 新型半灌漿套筒連接構造

王占文[18]對比了三類不同的灌漿套筒初始缺陷，包括灌漿料缺陷(含雜質試件、水膠比)、鋼筋缺陷(剝肋、水泥漿涂層)以及施工連接缺陷(嵌入長度、二次補漿、鋼筋偏心)對灌漿套筒連接件的力學性能影響。通過對157個套筒灌漿試件實驗，得出：三類缺陷的構件中，鋼筋剝肋比率和水膠比對試件的破壞形態影響較大，發生粘結滑移破壞，其他缺陷均發生在連接件外的鋼筋破壞。

楊旭輝[19]發明了一種新型的套筒灌漿密實度檢測器，檢測器主要由一個“L”型的透明塑料管組成，如圖3所示。檢測器主要插入出漿孔，當灌漿液高于出漿孔的水平面時，說明灌漿孔中的漿液已經密實。作者將該技術應用于實際工程項目，通過對灌漿孔抽查，均未出現灌漿不密實情況。

圖3 L型灌漿密實度檢測器

楊思忠[20]配制了一種可以在低溫(-5℃)條件下進行灌漿的水泥基灌漿漿料，對新型灌漿液進行實驗，并設置-5℃,0℃,5℃,10℃,15℃等不同的溫度梯度。實驗結果表明，新型灌漿料可以滿足低溫狀態下的灌漿要求，并符合《鋼筋連接用套筒灌漿料》(JG/T408—2013)規范的要求。新型灌漿液在多個不同實際工程項目中應用，都取得了良好的應用成果。

以上的研究結果表明，目前對于灌漿套筒連接件的研究，主要集中在新型的連接方式、連接質量的影響因素，以及對灌漿密實度的檢測等方面，對于灌漿套筒連接結構在爆炸荷載作用下[21]以及冬季施工等方面研究較少。套筒灌漿是目前在工程實際中運用最廣的一種連接方式。

2.2 漿錨搭接連接

(1)構造形式和工作機理

約束漿錨搭接連接是上下層混凝土構件的非搭接連接，如圖4所示。在上層混凝土構件中預留有內壁粗糙的孔洞，孔洞外圍配有螺旋箍筋。施工時，將下層預制構件預留的鋼筋插入預留孔洞后，進行灌漿，即可實現預制構件之間的連接。除了插入式預留孔漿錨搭接連接，約束漿錨搭接連接，還包含另外一種內置波紋管的NPC漿錨插筋連接[22]。

圖4 預留孔漿錨搭接連接

在外力作用下，漿錨搭接連接的傳力，主要是通過鋼筋與混凝土之間的粘結錨固進行傳遞。連接處鋼筋受到外力作用時，鋼筋將荷載傳遞給漿錨混凝土，漿錨混凝土在約束力的作用下，傳遞到周圍混凝土的界面中，從而傳遞給上部預制構件的鋼筋中[23]。

(2)研究現狀

吳濤[23]分析了插入式預留孔漿錨連接和NPC漿錨插筋連接兩種不同的漿錨連接方式，并對兩種連接方式進行技術要點的對比分析，得出兩種不同的連接方式在滿足對應構造的搭接長度的情況下，其預制構件均表現出與現澆結構相近的承載能力和抗震能力。但是插入式預留孔灌漿搭接由于有橫向約束，則有效地降低鋼筋搭接長度，降低鋼筋浪費。

吳東岳[24]對一漿錨連接裝配式剪力墻空間結構模型進行了低周反復加載試驗，試驗結果表明，連梁先于剪力墻發生破壞，因此在進行結構設計時應重視連梁的設計。另外研究表明，漿錨連接在搭接區的邊緣存在兩個新的薄弱面,建議在裝配式剪力墻中，應重視連梁的合理設計。

武章印[25]采用金屬波紋管和螺旋箍筋加強漿錨鋼筋的搭接，并設計和制作了6組18個試件進行單向拉拔試驗，試驗結果表明，鋼筋直徑和搭接長度對試件的破壞模式起決定性作用;混凝土強度和波紋管直徑是極限搭接長度計算中重要影響參數;并在試驗結果的基礎上，建立極限搭接長度計算公式。

劉一龍[26]對36個預埋金屬波紋管漿錨搭接連接件進行單調連續加載試驗和重復加載試驗，結果表明，試件的極限承載能力隨鋼筋直徑和錨固長度的增大而增大，而構件的平均粘結強度隨鋼筋直徑和錨固長度的增大而減小。試件的黏結能量均隨著鋼筋錨固長度的增大而增大，且隨著鋼筋直徑的增大而減小。

從以上研究結果可知，漿錨搭接連接是一種新型的裝配式混凝土鋼筋連接方式，目前對這類連接方式的研究也較多，鋼筋的直徑、搭接長度以及橫向約束力對于連接件的力學性能影響較大。在進行實際工程設計或者實際工程項目建設時，應考慮這些因素對工程實體質量的影響。

2.3 套箍連接

(1)構造形式和工作機理

套箍連接主要是在上下層預制混凝土構件中，預埋“U”型的鋼筋連接件，在上下層預制構件拼和的過程中，在重疊部分插入縱向鋼筋并固定后進行混凝土的澆筑，如圖5所示。

圖5 套箍連接示意圖

由于連接處的混凝土屬于現澆，上下層預制構件鋼筋之間進行搭接，并設置有貫通鋼筋。現澆處鋼筋與混凝土受力明確。

(2)研究現狀

余志武[27]設置箍筋直徑和箍筋的錨固長度兩個參數，研究對套箍連接的力學性能影響，研究結果表明:U型鋼筋的直徑越大，鋼筋的錨固長度要越深。鋼筋錨固長度直接影響了裝配式連接區域的破壞形式。當U型鋼筋深埋時,試件延性良好,性能可靠，構件破壞主要發生在鋼筋處斷裂，當U型箍筋埋深較淺時，主要發生在混凝土破壞。余志武在文獻[27]提出利用U型箍對預制構件進行連接，并且對連接的構件進行低周反復荷載試驗。試驗主要驗證U型箍連接試件的破壞及裂縫發展規律、在反復荷載下的滯回曲線、骨架曲線、試件極限承載力及耗能能力等。試驗結果表明，通過U型箍連接的裝配式構件與現澆結構具有相同的承載能力和抗震性能。

焦安亮[28]對15個套箍連接的預制混凝土構件進行低周反復荷載試驗，研究不同連接形式，不同鋼筋配置，以及不同軸壓比對套箍連接試件的承載力和抗震性能的影響。試驗結果表明，預制套箍連接的混凝土構件與現澆試件的破壞模式一樣，均為壓彎破壞。箍筋加密預制構件的承載力、耗能、延性等性能與現澆結構試件基本相同，運用套箍連接的剪力墻試件具有良好的抗震性能。

焦安亮[29]對24個套箍預制混凝土構件進行擬靜力試驗，研究套箍的扣合錨固性能。研究橫向鋼筋直徑，套箍扣合位置，套箍高度等參數對預制構件承載力的影響。試驗結果表明，套箍扣合均布和套箍扣合相鄰分布的連接方式均良好，套箍扣合均布效果更優。套箍扣合的高度對錨固性能影響較大，高度越高，錨固性能越好。在一定范圍內，插筋直徑對錨固性能影響較小。

錢稼茹[30]對套箍連接的混凝土構件進行擬靜力試驗，并對比了套筒灌漿連接構件、漿錨連接構件以及現澆混凝土構件。試驗結果表明，預制構件的軸壓比不大的情況下，構件的整體破壞形態基本與現澆結構相同，破壞的形態為構件豎向鋼筋受拉屈服，底部的混凝土被壓碎。當預制構件的豎向鋼筋采用套箍連接時，交界面的混凝土密實度難以得到保證，形成水平縫，構件的耗能能力和極限位移同其他構件相比最低。

從以上的研究結果可知，套箍連接方式屬于新型的預制構件連接方式，套箍連接預制構件與現澆結構表現出一致的破壞形態，預制構件的承載能力和現澆結構基本相同，與現澆結果表現出一樣的力學特性。但是在進行連接處現澆時，連接處的混凝土密實度難以得到保證，并且濕作業較多，現場污染多。

2.4 插筋連接

(1)構造形式和工作機理

插筋連接一般應用于空心模剪力墻，或者雙面疊合預制墻，如圖6所示。上下層空心模剪力墻之間通過插筋進行連接，插筋與預制構件的豎向鋼筋之間形成間接搭接。

圖6 插筋連接示意圖

預制混凝土空心模剪力墻的墻身，包含預制空心模以及在空心模中后澆形成的混凝土組成。預制空心模剪力墻的水平相鄰墻體通過水平分布筋在現場穿插在預制墻體的水平孔中。豎向連接通過插筋插入空心?？變葷仓炷恋男问?，形成上下層預制墻體之間的拼接。在預制空心模構件中，豎向分布筋位于空心模一側，插筋與豎向分布筋之間存在一定距離。上下構件之間通過后澆混凝土，形成一個相互連接的整體。

(2)研究現狀

趙作周[31]對上下層插筋連接預制空心模剪力墻建立了ABAQUS有限元分析模型，并通過試驗驗證試驗結果，并與有限元分析結果進行對比，驗證有限元模型的正確性與實際情況的吻合性。對插筋連接的預制構件進行插筋搭接長度、插筋端頭位置、插筋總受拉承載力、后澆混凝土強度和軸壓比的參數分析。分析結果表明，1.2 倍錨固長度的插筋長度能夠符合承載力的要求，墻體承載力可以通過增大插筋總受拉承載力，建議后澆混凝土強度不應低于預制混凝土強度。

初明進[32]建立了1個鋼筋混凝土試件和5個橫向孔洞為矩形的空心模預制構件進行試驗。研究軸壓比、剪跨比、水平鋼筋配筋量等參數對預制混凝土構件承載能力的影響。試驗結果表明，空心模剪力墻具有更好的耗能能力，避免發生脆性剪切破壞。同現澆混凝土結構相比，空心模預制剪力墻受剪荷載承載能力平均降低了20.9%，位移延性系數達到了4.5。預制與現澆結合面無剛度折減現場，設計時可以不考慮。降低水平鋼筋配筋量對墻體的受剪荷載和變形能力影響較小。

劉繼良[33]對預制空心模剪力墻試件進行試驗，共設計了1個鋼筋混凝土試件，以及3個預制混凝土空心模試件。通過試件結果表明，預制空心剪力墻與現澆混凝土構件表現出相似的破壞形態和破壞過程?？招哪＜袅Φ氖軓澇休d能力與現澆構件基本相當，空心模構件表現出更優的變形能力和延性。提高約束邊緣的縱筋配筋率和軸壓比，可提高空心模剪力墻的受彎承載力及剛度,改善水平接縫抵抗滑移的性能。

從以上的研究結果可知，空心模預制構件同現澆結構構件相比，具有更優的耗能能力和位移延性?？招哪ｎA制構件的受彎承載能力同現澆結構相當，但是受剪承載能力下降較大。

2.5 鋼筋套筒擠壓連接

(1)構造形式和工作機理

鋼筋套筒擠壓連接，主要是通過對上下層構件預留的鋼筋之間進行套筒擠壓連接，在鋼筋連接處設置后澆段。上下層構件通過后澆混凝土后，形成一個共同受力的整體。鋼筋套筒擠壓連接,是通過徑向擠壓力使連接件鋼套筒產生塑性變形后，與帶肋鋼筋緊密咬合從而傳遞受力。

(2)研究現狀

朱東烽[34]建立一種新型的鋼筋擠壓套筒+鋼管定位連接的梁柱節點體系，并設計了6個梁柱節點試件進行低周反復實驗。實驗結果表明，預制構件與現澆結構的耗能能力，承載能力相當。提高梁的縱筋配筋率，可以顯著提高節點的承載能力，而提高柱縱筋配筋率、降低節點區箍筋間距和柱軸壓比對節點承載力的影響較小。

陳慶軍[35]對7個裝配式梁柱節點和1個現澆節點試件進行擬靜力試驗。實驗結果表明，在相同參數設計下，擠壓套筒連接的能耗能力、綜合抗震性能與現澆結構相當。擠壓套筒連接裝配式結構的等效極限層間位移角均大于1/33，梁端破壞的延性系統大于3.6，總滯回耗能大于4.5，等效黏滯阻尼系數均大于0.2。柱段破壞的構件的延性系數均小于3.0，總滯回耗能均小于2.2，黏滯阻尼系數均小于0.15。利用擠壓套筒進行預制構件的拼裝具有良好的抗震性能。

張微敬[36]設計了7個鋼筋混凝土預制柱和1個現澆結構柱的擬靜力試驗。試驗結果表明，通過套筒擠壓連接的鋼筋連接，能夠有效地傳遞鋼筋的拉、壓力。擠壓套筒預制柱與現澆柱具有相似的破壞過程和破壞形態。預制柱試件的水平力-位移滯回曲線飽滿，偏心受壓承載力試驗值為計算值的1.26倍1.42倍，極限位移角為1/421/26，抗震性能滿足規范要求。套筒擠壓連接可用于抗震設計的鋼筋混凝土柱的縱向鋼筋連接。

從以上研究結果可知，利用擠壓套筒進行預制機構的連接，預制結構與現澆結構具有相似的破壞過程和破壞形態，耗能能力與綜合抗震能力相當。

3 結語

裝配式混凝土結構是近年來國家發展和推廣的方向，不同的鋼筋連接技術對裝配式的整體結構性能具有很大的影響。以對常用5種鋼筋連接方式的研究進展進行總結，并提出對不同連接技術的展望：

(1)套筒灌漿連接目前運用最廣，連接性能與現澆結構相似，但存在現場灌漿密實度檢測困難等問題。應加強對灌漿密實度檢測技術的研究，使裝配式混凝土結構節點的連接質量可以在施工過程中控制。

(2)漿錨搭接連接是一種新型的裝配式混凝土鋼筋連接方式，并且鋼筋的直徑、搭接長度以及橫向約束力，對于連接件的力學性能影響較大。在后期的施工過程中，應加強對原材質量驗收程序的控制，減少這些關鍵因素對連接質量的影響。

(3)套箍連接預制構件與現澆結構表現出一致的破壞形態，承載能力和現澆結構基本相同，但存在混凝土密實度難以得到保證，現場濕作業多。

(4)空心模預制構件同現澆結構構件相比，具有更優的耗能能力和位移延性?？招哪ｎA制構件的受彎承載能力同現澆結構相當，但是受剪承載能力下降較大。應加強對空心模預制構件受剪承載力的研究，提高受剪承載力。

(5)利用擠壓套筒進行預制機構的連接，預制結構與現澆結構具有相似的破壞過程和破壞形態，耗能能力與綜合抗震能力相當。所以，應加大對擠壓套筒的推廣力度。

(6)目前裝配整體式混凝土結構，主要偏向于構件級的結構試驗，建議加強對整體性結構性能的研究。