一種新型鋼筋連接的關鍵技術研究

霍健棠，范炳禮，朱桂濱，陳俊豪，顧錦全

（廣東省建工設計院有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引言

目前在建筑施工過程中，鋼筋的連接方式主要有3種：綁扎連接、焊接連接、機械連接。但這3 種連接都有各有不足，如綁扎搭接長度太長，浪費鋼筋過多；焊接易受多雨天氣影響，影響工期，還需要較多設備；機械連接成本較高，勞動強度大。改良傳統的鋼筋連接方式，減少浪費、縮短工期、減輕勞動強度，做到安全，高效，經濟的推進項目，就是本項的目的。這些傳統的連接方式通常需要在構件連接處進行開洞、鉆孔或是焊接等，而這些措施在一定程度上會造成構件損傷或結構破壞，影響結構的安全性，加之開洞或焊接處往往是應力集中處，正是構件的受力薄弱處，這無論對于錨固栓釘還是焊縫都有較高的強度和變形能力要求，稍處理不好就會造成構件脫節甚至結構破壞。

最近幾年鋼筋連接方式在機械連接上有了新的技術，如剝肋滾軋直螺紋連接技術使機械連接前進了不少，但也仍在不同程度上存在著不足。

建設部和國家科委1997 年制定的“九五”推廣重點項目“魯班工程”中，首先啟動的項目就是“新型鋼筋與鋼筋連接技術”。新型鋼筋指的是冷軋帶肋鋼筋，鋼筋連接技術指的是鋼筋焊接技術和機械連接技術，國家科委和建設部很重視這一新技術[1]。

為彌補上述目前常用的3 種鋼筋連接方式的不足，此次研究擬設計一種新型的鋼筋連接方式，創新性地利用傳統的榫卯技術改良現有的機械連接方式，既以榫卯連接方式連接鋼筋，設計一種新型的鋼筋榫卯鏈接件，并通過強度實驗，證明新型連接件的強度滿足建筑施工的需要。

1 鋼筋榫卯連接的設計

1.1 連接理論

鋼筋榫卯連接理論是指為在建筑工程中，鋼筋榫卯連接的設計、計算和施工等方面的理論基礎。這些理論基礎主要包括以下內容。

（1）鋼筋的力學性能。鋼筋的強度、韌性、彈性模量等力學性能對于鋼筋榫卯連接的承載能力非常重要。因此，在設計和施工過程中，需要對鋼筋的力學性能進行充分的考慮和計算[2]。

（2）榫頭和卯眼的設計。榫頭和卯眼的設計對于鋼筋榫卯連接的牢固性和可靠性也非常關鍵。在設計過程中，需要考慮到榫頭和卯眼的強度、剛度、厚度等因素，以確保連接的穩定性和可靠性。

（3）鋼筋連接的施工技術。鋼筋連接的施工技術對于鋼筋榫卯連接的質量和可靠性也有很大的影響。在施工過程中，需要確保鋼筋的尺寸和形狀符合設計要求，同時要進行必要的防腐和防銹處理。此外，還需要選擇合適的連接方式和工具，確保連接的牢固性和可靠性。

總之，鋼筋榫卯連接理論是建筑工程中非常重要的一部分，它涉及鋼筋的力學性能、榫頭和卯眼的設計、鋼筋連接的施工技術等多個方面。只有在理論基礎上充分考慮和計算，并結合實際情況進行操作，才能確保鋼筋榫卯連接的質量和可靠性，從而保障建筑工程的安全和穩定性。

1.2 鋼筋榫卯連接件的設計思路及目標

主要設計思路如下：設計鋼筋榫卯接頭的具體形式、設計接頭應力的補強方式。榫卯連接件接頭形式為：采用兩個扣接連接在一起的連接頭以及一個固定兩連接頭的擠緊件組成一個高強度、可拆分的鋼筋連接件。該連接件能夠將一對鋼筋快速連接起來，結構簡單、安裝方便；榫卯連接件的補強形式為增加榫卯連接件截面使其大于鋼筋截面。

本連接件的設計目標如下。

（1）高強度。它采用高強度連接件和鋼筋制成，具有較高的強度和抗拉、抗壓強度。

（2）可拆卸。連接件可以拆卸，方便施工和維護。

（3）方便施工。連接件的組裝方式簡單，施工速度快，有利于加快施工進度。

（4）耐久性好。連接件的材料經過嚴格的質量控制，耐久性好，可以長期使用。

（5）環保。連接件的制造過程少產生有害物質，對環境污染小。

鋼筋榫卯連接研究內容應包括連接構件尺寸大小、榫頭和卯眼的設計等，其中榫頭和卯眼的設計是研究關鍵內容[3]。

1.3 鋼筋榫卯連接件的設計成果

榫卯連接件，包括第一連接頭，第一連接頭插接有第二連接頭，第一連接頭和第二連接頭之間設有銷釘擠緊件，銷釘擠緊件的兩側分別向第一連接頭和第二連接頭施加推力，將第一連接頭和第二連接頭鎖緊，第一連接頭和第二連接頭的末端還設有連接結構，連接結構用于連接鋼筋。

第一連接頭和第二連接頭均包括連接本體，連接本體的上端設有一對凸臺，兩凸臺之間形成插槽，其中一凸臺低于另一凸臺，另一凸臺的上部設有插板，插板的上端突出于另一凸臺，第一連接頭和第二連接頭的插板分別插入對方的插槽中連接。榫卯連接件示意圖如圖1 所示。

圖1 榫卯連接件示意圖

其中一凸臺和另一凸臺的高度比為（7:1）~（10:1），插槽的深度為1~3cm，凸臺和插板的內壁均為粗糙面，連接結構包括連接套管。所述的連接套管的一端和第一連接頭或第二連接頭的末端連接，連接套管的長度為5~20cm，內壁上開設有連接螺紋，擠緊件為一條形件，所述條形件的長度小于等于凸臺的寬度。榫卯連接件尺寸如圖2 所示。

圖2 榫卯連接件尺寸（單位：mm）

1.4 鋼筋榫卯連接件的優勢

本次研究的鋼筋榫卯鏈接技術的優勢如下。

（1）相對綁接技術，減少不必要的綁扎搭接的搭接長度從而降低用鋼量，創造經濟效益。

（2）相對焊接技術，不需要焊接節約能源減少有害氣體產生，做到節能環保，且不受鋼筋成分及種類影響。

（3）相對傳統機械鏈接技術，可以工廠化生產，提前預制，不占用工期，全天候施工。連接方式操作便利、快捷，施工速度快，可大大縮短工期。

本項擬設的新型鋼筋榫卯連接方式改進了傳統鋼筋的連接方式，通過簡單快捷的施工安裝，適合在目前大部分的工程建設中推廣與應用。它可廣泛應用于建筑、橋梁、隧道、鐵路、高速公路等工程中，可以提高工程的施工質量和施工效率，同時也能有效降低工程成本。因此，在未來的建筑施工中，鋼筋榫卯連接技術將擁有十分廣泛的應用前景。

2 強度實驗方法及結果

2.1 單向拉伸實驗目的

測定實驗試件鋼筋母材為標準HRB400，直徑為20mm 符合鋼筋各項質量標準，為后續奠定實驗數據真實有效需檢驗：榫卯連接件連接鋼筋極限抗拉強度與對比鋼筋極限抗拉強度，榫卯連接件連接鋼筋抗拉變形對比鋼筋抗拉變形；探索榫卯連接件的危險截面與應力集中點的位置，榫卯連接件對比直螺紋套筒連接件受力與變形情況[4]。

2.2 單向拉伸實驗試件

2.2.1 試驗試件材料及長度

鋼筋種類：HRB400。

試件類型：A 型試件為鋼筋母材，長600mm，直徑為20mm；B 型試件為HRB400 榫卯連接件連接鋼筋母材，長718mm，每側長359mm；C 型試件為HRB400 滾軋直螺紋套筒連接鋼筋母材，長651mm，每側長325.5mm。

2.2.2 實驗試件

（1）采用同樣規格、材料、工藝的鋼筋連接接頭，各種檢驗試件均為3 個/套；其中A 型鋼筋母材試件3 個；連接鋼筋母材的B 型榫卯接頭試件（外徑31mm，壁厚5.5mm，長度118mm）3 個；連接母材鋼筋的C 型一級滾軋直螺紋套筒試件（外徑31mm，壁厚5.5mm，長度51mm）3 個。

（2）全部試件的鋼筋母材均應該在同一根鋼筋上截取。

（3）同一操作人員按相同的接頭構件連接方法進行安裝。

2.3 單向拉伸實驗方法

2.3.1 試驗的加載過程

試驗項目如表1 所示。所有試件均按此加載。

表1 試驗項目

2.3.2 試件性能檢驗的儀表布置和變形測量標距

（1）單向拉伸的變形測量儀表應在鋼筋兩側對稱布置，兩側測點的相對偏差不宜大于5mm，且兩側儀表應能獨立讀取各自變形值。應取鋼筋兩側儀表讀數的平均值計算殘余變形值。

（2）變形測量標距。單向拉伸殘余變形測量應按式（1）計算：

式中：L1——變形測量標距，mm；L——連接接頭長度，mm，本試驗L=48mm；β——系數，取1~6，本試驗β 取5；d——鋼筋公稱直徑，mm，本實驗d 為20mm；本試驗的L1=L+βd=148mm。

2.3.3 性能檢驗試件最大力下總伸長率As 的測量方法

（1）試件加載前，應在其接頭兩側的鋼筋表面分別用細劃線A、B 和C、D 標出測量標距為L01的標記線，L01不應<100mm，標距長度應用最小刻度值≤0.1mm 的量具測量。本次試驗L=48mm，L01取100mm，接頭兩端至B、C 點的距離均取40mm，A、D 點至夾持區的距離均取40mm。最大力下總伸長率As 的測點布置如圖3 所示。

圖3 最大力下總伸長率As 的測點布置

（2）試件應按單向拉伸加載方式加載并拉斷，再次測量A、B 和C、D 間標距長度為L02最大力下總伸長率Asgt應按式（2）計算。

式中：fmst——試件實測極限抗拉強度；E——鋼筋理論彈性模量；L01——加載前A、B 或C、D 間的實測長度；L02——卸載后A、B 或C、D 間的實測長度。

應用式（2）計算時，當試件頸縮發生在接頭一側的鋼筋母材時，L01和L02應取另一側標記間加載前和卸載后的長度。當破壞發生在接頭長度范圍內時，L01和L02應取接頭兩側各自讀數的平均值。

2.4 實驗前理論預測結果

在單向拉伸實驗中，同一根鋼筋母材與榫卯連接件材料均為HRB400，其實測屈服強度值、極限強度值、拉伸率與最大力拉伸長率均符合質量標準。鋼筋母材截面面積為314mm2；榫卯連接件中的d-d 截面為單向拉伸試驗受壓截面，截面面積為346mm2；軋直螺紋套筒連接件中環截面為單向拉伸試驗受壓截面，截面面積為441mm2。

抗拉結果預測：對比截面面積，按單向壓軸考慮榫卯連接件d-d 截面強度/鋼筋母材截面強度=1.1，因此預測單向拉伸試驗將以鋼筋拉斷結束，d-d 截面不會受壓破壞；按單軸抗拉考慮，軋直螺紋套筒連接件環截面/鋼筋母材截面強度=1.4，因此預測單向拉伸試驗將以鋼筋拉斷告終，套筒截面不會受拉破壞。

2.5 實驗實測數據

此次實驗由廣東省建工設計院有限公司于2023 年6月1 日送檢廣東穗科建設工程檢測技術服務有限公司于2023 年6 月16 日受檢，對A 型試件、B 型試件和C 型試件進行單向拉伸實驗各3 次：A 型試件的屈服強度合格標準為400MPa，實驗結果分別為450MPa、435MPa 和440MPa；抗拉強度合格標準為540MPa，實驗結果分別為625MPa、615MPa、620MPa；B 型試件抗拉強度合格標準為540MPa，實驗結果分別為620MPa、610MPa、615MPa；C 型試件抗拉強度合格標準為540MPa，實驗結果分別為625MPa、615MPa、610MPa；A、B 和C 型各3 次實驗均以鋼筋拉斷告終。實驗評定為：所檢項目均符合《鋼筋機械連接技術規程》（JGJ 107—2016）標準要求。

3 實驗結果與分析

3.1 實驗分析

3.1.1 A 型實驗試件

0→0.6fyk→0（檢測殘余應變）階段，屬于彈性階段，此階段中伸長量與加載荷載之間成正比，滿足胡克定律，卸載后試樣恢復其原長，其中變形拉伸完全屬于彈性狀態。

0（檢測殘余應變）→最大拉力（記錄極限抗拉強度）→破壞（測定最大力下總伸長率）階段，試樣從彈性階段進入屈服階段再到強化階段，由彈性變形進入塑型變形，其變形量遠大于彈性變形，在強化階段中可明顯觀察到試件縱向拉長，橫向縮小。繼續以最大拉力繼續加載拉伸實驗，試件伸長到一定程度后，試件某一段發生頸縮現象橫截面積急劇縮小，荷載讀數降低，直至試件拉斷。

3.1.2 B 型實驗試件

0→0.6fyk→0（檢測殘余應變）階段，榫卯連接件與鋼筋母材都屬于彈性階段，鋼筋母材與榫卯連接件同時變形拉伸，鋼筋母材變形拉伸比榫卯連接件變形拉伸較長，且兩者變形伸長量與加載荷載之間成正比，滿足胡克定律，卸載后兩者都可以恢復其原長，其中兩者變形拉伸都完全屬于彈性狀態。

0（檢測殘余應變）→最大拉力（記錄極限抗拉強度）→破壞（測定最大力下總伸長率）階段，榫卯連接件與鋼筋母材從彈性階段進入屈服階段再到強化階段，由彈性變形進入塑型變形，鋼筋母材變形拉伸量比榫卯連接件大，在強化階段中可明顯觀察到榫卯連接件與鋼筋母材縱向拉長，橫向縮小。繼續以最大拉力繼續加載拉伸實驗，榫卯連接件與鋼筋母材伸長到一定程度后，鋼筋母材先某一段發生頸縮現象橫截面積急劇縮小，荷載讀數降低，在鋼筋母材發生頸縮現象后榫卯連接件也發生頸縮現象，榫卯連接件拉伸變形速率開始降緩，直至鋼筋母材拉斷，榫卯連接件停止形變，沒有發生斷裂或破壞。

3.1.3 C 型實驗試件

0→0.6fyk→0（檢測殘余應變）階段，套筒連接件與鋼筋母材都屬于彈性階段，鋼筋母材與套筒連接件同時變形拉伸，鋼筋母材變形拉伸比套筒連接件變形拉伸較長，且兩者變形伸長量與加載荷載之間成正比，滿足胡克定律，卸載后兩者都可以恢復其原長，其中兩者變形拉伸都完全屬于彈性狀態。

0（檢測殘余應變）→最大拉力（記錄極限抗拉強度）→破壞（測定最大力下總伸長率）階段，套筒連接件與鋼筋母材從彈性階段進入屈服階段再到強化階段，由彈性變形進入塑型變形，鋼筋母材變形拉伸量比榫卯連接件大，在強化階段中可明顯觀察到套筒連接件與鋼筋母材縱向拉長，橫向縮小。繼續以最大拉力繼續加載拉伸實驗，套筒連接件與鋼筋母材伸長到一定程度后，鋼筋母材先某一段發生頸縮現象橫截面積急劇縮小，荷載讀數降低，在鋼筋母材發生頸縮現象后套筒連接件也發生頸縮現象，套筒連接件拉伸變形速率開始降緩，直至鋼筋母材拉斷，套筒連接件停止形變，沒有發生斷裂或破壞[5]。

3.2 實驗結論

實驗以HRB400 直徑為20mm 的鋼筋標準參數做對比，通過鋼筋自身、傳統的螺紋套筒與新型榫卯連接件做了一次對比實驗，對比螺紋套筒得證出榫卯連接件在強度和拉伸變形兩方面，強度略低、拉伸形變略小；對比鋼筋得證出榫卯連接件在強度和拉伸變形兩方面，強度略低、拉伸形變略小，至鋼筋完全被拉斷后榫卯連接件仍未破壞，強度符合要求。同時榫卯連接這種新型的機械連接方式在單向拉伸實驗中如本次實驗前預測結果。本次研究的新型鋼筋連接技術可靠、安全。

4 結語

本次研究的新型鋼筋連接方式，具有創新與改良性。創新性用傳統的榫卯技術改良現有的機械連接方式，減少不必要綁扎搭接的搭接長度從而降低用鋼量創造經濟效益、不需要焊接節約能源減少有害氣體產生做到節能環保，不受鋼筋成分及種類影響。而且還可以工廠化生產，提前預制，不占用工期，全天候施工。操作便利、快捷，施工速度快，可大大縮短工。在實際施工可行性高，可節省成本以達到創造經濟效益，又對環境做到節能環保，實用性與可推行性較高。