基于強(qiáng)搭接理念的鋼筋連接技術(shù)試驗(yàn)研究

楊新磊，陸韻蕓，趙 虎

（天津城建大學(xué) 天津市土木建筑防護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是指預(yù)制混凝土構(gòu)件通過可靠的連接方式裝配而成的混凝土結(jié)構(gòu).相對(duì)于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)效率、施工進(jìn)度、構(gòu)件質(zhì)量等方面具有良好的優(yōu)勢，所以我國正大力推行在建筑中使用裝配式混凝土結(jié)構(gòu).對(duì)于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)而言，連接節(jié)點(diǎn)的可靠性是保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量的關(guān)鍵，是結(jié)構(gòu)安全的基本保障.預(yù)制構(gòu)件之間良好的連接方式既可以保證裝配式混凝土結(jié)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性，又能夠?qū)崿F(xiàn)施工快速便捷，同時(shí)也不會(huì)大幅度提高工程成本，因此，連接方式一直以來都是裝配式結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn).

《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ1—2014）[1]將鋼筋漿錨搭接連接和鋼筋套筒灌漿連接作為裝配式混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋連接的主要連接方式.鋼筋漿錨搭接連接[2-8]指在預(yù)制混凝土構(gòu)件中預(yù)留孔道，在孔道中插入需搭接的鋼筋，并灌注水泥基灌漿料而實(shí)現(xiàn)的鋼筋搭接連接方式.鋼筋套筒灌漿連接指在預(yù)制混凝土構(gòu)件內(nèi)預(yù)埋的金屬套筒中插入鋼筋并灌注水泥基灌漿料而實(shí)現(xiàn)的鋼筋連接方式[9-12].由于上述兩種常用連接方式存在運(yùn)輸施工難度大、建筑成本過高、對(duì)工人素質(zhì)要求較高等缺陷，在一定程度上限制了其在裝配式建筑中的發(fā)展.

本文提出一種基于強(qiáng)搭接理念的預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋連接技術(shù)，即利用一種套管連接件實(shí)現(xiàn)鋼筋搭接連接，該搭接技術(shù)不依靠鋼筋周圍混凝土進(jìn)行應(yīng)力傳遞，構(gòu)件拼裝后通過鋼筋端部直螺紋錨固實(shí)現(xiàn)鋼筋搭接連接，鋼筋外套管連接件提供應(yīng)力傳遞路徑.

1 套管連接件接頭拉伸試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)及制作

套管連接件接頭拉伸試驗(yàn)共3種試件類型，每一種類型含有3個(gè)平行件，試件類型一為材性鋼筋對(duì)比試件，試件類型二為套管連接件非灌漿搭接鋼筋試件，類型三為套管連接件灌漿搭接鋼筋試件.各試件所使用鋼筋均為直徑16 mm的HRB400級(jí)熱軋帶肋螺紋鋼，鋼管為內(nèi)徑22 mm，壁厚5 mm，長度為150 mm的冷拉無縫精密鋼管.試件具體參數(shù)見表1所示，其中D16指直徑為16 mm的材性鋼筋，TG15指采用150 mm長的套管連接件非灌漿搭接，GJ15指試件采用150 mm長的套管連接件灌漿搭接，1、2、3分別為各類型試件的編號(hào).

表1 試件具體參數(shù)

試件制作包括套管連接件的焊接、鋼筋套絲、連接件灌漿以及粘貼應(yīng)變片共四部分.套管連接件由兩根鋼管并排焊接而成，焊接時(shí)保證兩鋼管平行無錯(cuò)位現(xiàn)象；鋼筋與套管的錨固方式均為鋼筋一端套絲，套絲端使用鋼筋套筒固定在套管上，其中鋼筋套絲在套絲機(jī)床上完成，套絲機(jī)頭選用16~22 mm機(jī)頭，鋼筋套絲長度為3 cm，鋼筋錨固采用配套套筒，錨固所用墊片的內(nèi)徑為18 mm，外徑為32 mm；套管灌漿料選用中冶建筑研究總院生產(chǎn)的CGM早強(qiáng)灌漿料，灌漿時(shí)，先對(duì)一邊套管進(jìn)行灌漿，保證鋼筋在初凝過程中維持豎直狀態(tài)，由于灌漿料流動(dòng)性大，灌漿后需采取措施避免漏漿現(xiàn)象發(fā)生，待漿料初凝后，使用相同方法對(duì)另一邊套管進(jìn)行灌漿.為測得鋼筋在試驗(yàn)過程中的受力情況和應(yīng)變變化情況，類型一試件在鋼筋的中部豎向粘貼應(yīng)變片，類型二、三需分別在搭接的兩根鋼筋靠近套管端部5 cm處豎向粘貼應(yīng)變片，粘貼應(yīng)變片時(shí)首先采用打磨機(jī)將鋼筋豎向肋附近小部分區(qū)域打磨，再使用砂紙打磨并用丙酮擦拭，最后使用502膠粘貼鋼筋應(yīng)變片，固定后應(yīng)變片外表涂抹702硅膠進(jìn)行保護(hù).試件完成樣式如圖1所示.

圖1 類型二、三試件外觀示意圖

1.2 試驗(yàn)加載與量測

本試驗(yàn)采用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行兩端拉拔加載，應(yīng)變值通過東華測試DH3816靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)采集，加載制度為萬能試驗(yàn)機(jī)以1 kN/s的加載速度加載直至試件破壞，失效標(biāo)準(zhǔn)為鋼筋受拉斷裂或搭接鋼管焊接處斷開.

通過上述布置的鋼筋應(yīng)變片記錄其屈服荷載、極限荷載和拉伸過程中的受力情況，鋼筋屈服荷載的確定是通過觀察試驗(yàn)機(jī)緩慢拉拔鋼筋至一定數(shù)值后，繼續(xù)加載時(shí)力值信號(hào)采集顯示讀數(shù)保持基本不變，可認(rèn)為鋼筋進(jìn)入屈服階段，繼續(xù)加載直至鋼筋受拉斷裂或套管連接件焊接處斷開，該過程荷載峰值即為極限荷載.

1.3 試驗(yàn)現(xiàn)象

試件類型一為材性鋼筋，作為對(duì)比試件.加載初期，鋼筋處于彈性階段，荷載讀數(shù)與應(yīng)變呈正比，隨著加載繼續(xù)，鋼筋開始產(chǎn)生塑性變形，荷載基本保持不變，此時(shí)進(jìn)入屈服階段，變形不斷增大，進(jìn)入強(qiáng)化階段，鋼筋抵抗塑性變形的能力又重新提高，短時(shí)間內(nèi)變形迅速增大，進(jìn)入頸縮階段，隨后鋼筋薄弱處截面顯著縮小，直至斷裂.

試件類型二為鋼筋基于套管連接件連接的試件.加載初期試件整體出現(xiàn)輕微偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，隨著荷載不斷增加，偏轉(zhuǎn)逐漸增大，靠近套管端部處鋼筋出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)，隨著荷載增加至極限承載力，鋼筋于應(yīng)力集中處被拉斷破壞，套管連接件未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象.試件破壞現(xiàn)象如圖2所示.

圖2 TG15-3試件破壞示意圖

試件類型三為鋼筋基于套管連接件灌漿連接試件.此類試件試驗(yàn)現(xiàn)象與試件類型二相似，具體見圖3所示.在加載過程中隨著荷載不斷增加，鋼筋彎曲現(xiàn)象逐漸增大，套管端部灌漿料被壓碎，鋼筋最終于應(yīng)力集中處斷裂破壞.

圖3 GJ15-1試件破壞示意圖

1.4 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

1.4.1 鋼筋受力情況分析

各承載力值均取3個(gè)平行件的平均值.由試驗(yàn)結(jié)果可知，試件類型一材性鋼筋的屈服承載力為102.47 kN，極限承載力為136.04 kN；試件類型二為套管連接件未灌漿試件，其屈服承載力和極限承載力分別為93.67 kN、125.68 kN；試件類型三為套管連接件灌漿試件，相應(yīng)的屈服、極限承載力值分別為98.04kN、131.65 kN.與材性鋼筋試件的承載力相比，類型二和類型三試件承載力稍有下降，未灌漿連接試件鋼筋屈服承載力折減8.5%，灌漿連接試件僅折減4.3%，而就極限承載力而言，未灌漿試件和灌漿試件分別比材性鋼筋承載力折減了7.6%和3.4%.灌漿料在加載過程中能夠固定套管和鋼筋的相對(duì)位置，灌漿有利于鋼筋接頭有效傳力.由于類型二、三試件的鋼筋出現(xiàn)應(yīng)力集中破壞，導(dǎo)致此二類試件鋼筋的承載力相比于材性鋼筋的承載力有所下降.

1.4.2 鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線

由于平行樣鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線類似，因此不同試件類型各挑選1個(gè)試件繪圖比較.

圖4所示為鋼筋測點(diǎn)1所測得的應(yīng)力應(yīng)變曲線.試件類型二和類型三的測點(diǎn)1曲線與材性鋼筋試驗(yàn)曲線類似，基本符合鋼筋拉拔破壞過程中的四個(gè)工作階段.由圖可知，在彈性階段未灌漿試件的斜率較其余兩種試件稍小，證明試件類型二的剛度略有降低，并且由于此類試件缺少灌漿料用以固定套管和鋼筋相對(duì)位置，在加載過程中鋼筋出現(xiàn)輕微偏心受力，因此試件類型二最先達(dá)到屈服平臺(tái)進(jìn)入屈服階段，強(qiáng)化階段荷載的增大幅度較其余兩試件更為明顯.

圖4 各試件鋼筋測點(diǎn)1應(yīng)力應(yīng)變曲線

2 預(yù)制混凝土墻板拉拔試驗(yàn)

2.1 試件設(shè)計(jì)

類型一為材性鋼筋外包預(yù)制混凝土墻板試件，類型二是套管連接件非灌漿連接鋼筋試件，類型三是套管連接件灌漿連接鋼筋試件.墻板拉拔試驗(yàn)所用鋼筋、鋼管同上述套管連接件接頭拉伸試驗(yàn)，混凝土墻板的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，預(yù)制墻板厚150 mm.各試件配筋見圖5所示.試件詳細(xì)參數(shù)同上述拉伸試驗(yàn)（見表1），類型一試件編號(hào)分別為CS16-1/2/3，類型二分別為WGJ15-1/2/3，類型三分別為YGJ15-1/2/3.其中CS16表示鋼筋直徑為16 mm，WGJ15指長150 mm的套管連接件非灌漿搭接，YGJ15指長150mm的連接件灌漿搭接鋼筋.

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2002）[13]中規(guī)定，當(dāng)充分利用鋼筋的抗拉強(qiáng)度時(shí)，此試驗(yàn)中受拉鋼筋的基本錨固長度為500 mm.

圖5 試件配筋詳圖

2.2 材料性能

2.2.1 鋼筋參數(shù)

試驗(yàn)所用鋼筋性能根據(jù)規(guī)定辦法在試驗(yàn)機(jī)上測得，Φ14鋼筋作為墻板配筋，屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度分別為427.3 MPa、620.3 MPa，Φ16鋼筋屈服強(qiáng)度為486.6 MPa，極限強(qiáng)度為675.1 MPa.

2.2.2 混凝土強(qiáng)度

本試驗(yàn)所用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，試件澆筑過程中，預(yù)留兩組試樣，每組3個(gè)混凝土試塊（100 mm×100 mm×100 mm），根據(jù)規(guī)定辦法在壓力試驗(yàn)上測得兩組試塊28 d的平均抗壓強(qiáng)度值分別為31.1 MPa和32.6 MPa.

2.3 試件制作

墻板試驗(yàn)試件制作中的套管連接件焊接、鋼筋套絲、連接件灌漿及粘貼應(yīng)變片均同上述接頭拉伸試驗(yàn)，但其在粘貼應(yīng)變片時(shí)待702硅膠硬化后，使用浸潤過環(huán)氧樹脂的紗布將應(yīng)變片包裹，避免澆筑混凝土墻板時(shí)應(yīng)變片與水接觸短路.根據(jù)試件配筋圖進(jìn)行鋼筋的切割綁扎，鋼筋架綁扎完成后固定于模板中間位置，避免澆筑混凝土?xí)r鋼筋架傾斜.澆筑過程中確保不淹沒應(yīng)變片導(dǎo)線，振搗時(shí)盡量避免觸碰應(yīng)變片芯片.

2.4 試驗(yàn)加載與量測

墻板試驗(yàn)主要采用RJ-50/100型錨桿拉力計(jì)進(jìn)行單調(diào)拉伸加載，加載端通過液壓千斤頂加載，加載前用壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)傳感器進(jìn)行示數(shù)標(biāo)定，用來與錨桿拉力計(jì)上壓力表示數(shù)進(jìn)行對(duì)比，保證力值的準(zhǔn)確.試驗(yàn)所用傳感器為量程200 kN的穿心壓力傳感器，東華測試DH3816靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)采集應(yīng)變值，具體試驗(yàn)裝置如圖6所示.

圖6 加載裝置示意圖

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50152—2012）[14]，單向拉伸加載采用連續(xù)加載，直至試件屈服破壞，加載速度應(yīng)根據(jù)鋼筋直徑確定，加載時(shí)保持速度恒定.試驗(yàn)中觀察記錄試件表面混凝土裂縫開展情況和破壞現(xiàn)象，同時(shí)記錄鋼筋的屈服荷載、極限荷載，應(yīng)變采集儀采集鋼筋應(yīng)變，位移計(jì)記錄鋼筋伸長量.

2.5 試驗(yàn)現(xiàn)象

試件類型一為材性鋼筋，作為對(duì)比試件，整個(gè)加載過程中混凝土表面未出現(xiàn)裂縫，鋼筋周圍混凝土被壓碎破壞，最終荷載達(dá)到鋼筋抗拉強(qiáng)度極限值時(shí)加載鋼筋被拉斷破壞；類型二為套管連接件連接鋼筋試件，3個(gè)試件的試驗(yàn)現(xiàn)象類似，以WGJ15-2為例描述其具體現(xiàn)象.初始加載時(shí)混凝土墻板表面無明顯現(xiàn)象，隨著荷載不斷增加，于墻體頂部中間出現(xiàn)較長的豎向裂縫，套管連接件附近出現(xiàn)水平和斜向裂縫，整體呈現(xiàn)中心發(fā)散狀，最終加載鋼筋被拉斷，底部拔出，混凝土試件整體完好（見圖7）.

圖7 WGJ15-2試驗(yàn)現(xiàn)象

類型三為套管連接件灌漿連接鋼筋試件，YGJ15-2初始加載時(shí)混凝土墻板表面無明顯現(xiàn)象，隨著荷載增大套管連接件位置附近出現(xiàn)裂縫，最終混凝土墻體表面無水平和斜裂縫出現(xiàn)，裂縫整體長度較短，混凝土試件的整體保持完好，具體現(xiàn)象如圖8所示.

圖8 YGJ15-2試驗(yàn)現(xiàn)象

2.6 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.6.1 裂縫現(xiàn)象分析

試件類型一混凝土表面無裂縫出現(xiàn)，初步判斷由于鋼筋錨固深度符合標(biāo)準(zhǔn)，加載過程僅出現(xiàn)鋼筋周圍混凝土輕微壓碎，鋼筋拉斷現(xiàn)象；試件類型二的3個(gè)平行件初始裂縫均出現(xiàn)較早，并且在套管連接件附近均出現(xiàn)了水平和斜裂縫，呈中心向四周發(fā)散狀，最終裂縫的長度較長；試件類型三初始裂縫出現(xiàn)較晚，無水平、斜裂縫出現(xiàn)，最終裂縫的長度較短.相比于類型三，類型二試件套管連接件未灌漿，澆筑混凝土?xí)r鋼筋底部與連接件處未固定，振搗混凝土?xí)r使鋼筋出現(xiàn)滑動(dòng)，錨固鋼筋與連接件未達(dá)到理想的接觸狀態(tài)，導(dǎo)致套管底部因偏轉(zhuǎn)趨勢出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，從而試件更早地出現(xiàn)裂縫并呈現(xiàn)發(fā)散狀，裂縫長度也更長.

2.6.2 鋼筋受力分析

各承載力值均取3個(gè)平行件的平均值.由試驗(yàn)結(jié)果可知，材性鋼筋的屈服承載力為100.03 kN，極限承載力為136.83 kN；套管連接未灌漿試件的鋼筋屈服承載力為100.47 kN，極限承載力為134.53 kN；套管連接件灌漿連接試件鋼筋的屈服承載力為100.13 kN，極限承載力為133.38 kN.通過數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，3種類型試件鋼筋的力學(xué)數(shù)值基本吻合.由于墻板拉拔試驗(yàn)加載過程中試件未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，鋼筋未出現(xiàn)應(yīng)力集中，由此可知外包混凝土墻板能夠約束試件偏轉(zhuǎn).在套管連接件外包混凝土的情況下，試件內(nèi)灌漿與否對(duì)鋼筋接頭傳力無顯著影響.

2.6.3 鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線

墻板試驗(yàn)試件的應(yīng)變片粘貼位置同上述連接件接頭拉伸試驗(yàn)，如圖1所示.測點(diǎn)1為加載端鋼筋的測點(diǎn)，測點(diǎn)2為錨固端鋼筋測點(diǎn).

由于各平行試件鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線類似，故每一類型試件只取1個(gè)試件進(jìn)行分析.圖9所示為類型二和類型三試件鋼筋在測點(diǎn)1測得的應(yīng)力應(yīng)變曲線，二者曲線均與對(duì)比的材性鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線類似，基本符合鋼筋拉拔破壞過程中的4個(gè)階段.各試件測點(diǎn)2錨固鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線走勢與上述各曲線類似，同樣符合鋼筋受拉斷裂的4個(gè)階段.由此可知，在套管連接件外包混凝土的情況下，套管內(nèi)灌漿與否對(duì)鋼筋接頭傳力無顯著影響.

圖9 測點(diǎn)1鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線

3 結(jié)論

本文提出了一種基于強(qiáng)搭接理念的預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋連接技術(shù)，通過套管連接件接頭拉伸試驗(yàn)、預(yù)制墻板拉拔試驗(yàn)，驗(yàn)證該連接方式的有效性，主要結(jié)論如下：

由套管連接件接頭拉伸試驗(yàn)可知：

（1）試驗(yàn)鋼筋均能達(dá)到屈服階段，且屈服前鋼筋未受拉破壞，鋼筋受拉斷裂時(shí)套管連接件完好，證明此連接方式有效.

（2）試件在加載過程中產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，鋼筋于應(yīng)力集中處斷裂，致使類型二、三試件鋼筋的承載力較材性鋼筋承載力有所下降；灌漿料能夠固定套管和鋼筋的相對(duì)位置，類型三試件承載力較類型二稍高，因此使用灌漿套管連接件搭接有利于鋼筋接頭傳力.

由預(yù)制混凝土墻板拉拔試驗(yàn)可知：

（1）在混凝土的約束作用下，連接件加載過程中未發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，證明外包混凝土對(duì)套管連接件試件具有約束偏轉(zhuǎn)的作用.

（2）各類型試件鋼筋的承載力數(shù)值基本吻合且應(yīng)力應(yīng)變曲線類似，表明在套管連接件外包混凝土的情況下，套管內(nèi)灌漿與否對(duì)鋼筋接頭傳力無顯著影響.