中等直径钢筋焊搭混合连接的受拉性能

冯 鹏，周正海，田 野，叶列平

（1.清华大学 土木工程系，北京 100084；2.中国建筑技术集团有限公司，北京 100013）

钢筋连接是混凝土结构施工中量大面广、不可避免的工作，如何有效、简便、经济地实现钢筋连接是一项意义重大、影响面广的研究。

目前，中国规范规定，受力钢筋连接包括机械连接、绑扎搭接或焊接连接3种方式。绑扎搭接施工方便，操作难度低，但需要设置较长的锚固长度，搭接接头连接区段内必须按要求布置箍筋［1－3］，箍筋用量较大。另外，当钢筋较粗时，绑扎搭接施工困难且容易产生裂缝，因此规范对其直径的适用范围进行了限制［4］。机械连接需要对钢筋接头进行机械处理，操作工艺复杂，直径较小的钢筋不适用机械连接，且费用昂贵。焊接连接效果最好，连接强度可以达到甚至超过钢筋自身强度，但是施工要求高，受施工现场天气条件等影响较大，而且焊接位置处形成的热影响区和残余应力等对连接的性能影响较大；《钢筋焊接及验收规程》（JGJ 18－2003）规定，搭接焊时，焊接端钢筋应预弯，并应使两钢筋的轴线在同一直线上，消除偏心作用的影响［5］。

实际工程中，直径10～16mm的钢筋应用量很大，其连接方式主要以绑扎搭接为主，尤其是12和14mm的钢筋几乎全部采用绑扎搭接。受力纵筋的绑扎搭接对搭接区横向配筋有较高的要求［2］，且钢筋直径越小，横向配筋越多，这就使得在实际工程中，由于钢筋绑扎搭接产生了一部分额外的用钢量。随着HRB500钢筋等高强钢筋的应用，钢筋抗拉强度增大，钢筋搭接长度也相应增大，这部分额外增加的用钢量将相应增加。例如在C40混凝土柱中，直径14mm的HRB335钢筋基本搭接长度为413mm，而HRB500钢筋则需要598mm。针对这种情况，笔者提出了2种钢筋混凝土竖向结构构件中的钢筋连接结构（专利号分别为：200920163870.5和201020166469.x）［6－7］。这是一种钢筋焊搭混合连接，希望实现有效、简便、经济的钢筋连接方式。这种连接与传统的钢筋绑扎搭接、机械连接和焊接连接相比，可节省材料，且施工方便、造价低，如果在钢筋混凝土结构尤其是剪力墙等钢筋用量较大的结构中推广使用，可以取得很好的经济效益和社会效益。

关于钢筋混合连接的相关试验研究较少，Chun等［8］通过48根轴压柱试验研究横截面箍筋对于受压钢筋连接强度的影响；Bashandy［9］通过16个在弯曲梁跨中受拉区布置钢筋连接的弯曲试验，研究在总截面面积不变的情况下并筋对于钢筋连接强度的影响；Hassan等［10］进行了20个足尺梁模型弯曲试验，研究了受拉区纵向主筋搭接连接强度的影响因素及大小。Issa等［11］通过试验研究，认为钢筋焊接连接的焊脚尺寸应取为钢筋直径的0.3倍，焊缝最小长度应为15倍钢筋直径，并且认为焊接连接在高强度钢筋、低强度混凝土或者大直径钢筋等特殊情况下具有较好的经济性。Hosny等［12］进行了66个大尺寸钢筋连接试验，探讨了常规的计算公式对于无约束高强钢筋的适用情况，认为在某些情况下可能会过高的估计钢筋与混凝土之间的粘结强度，并提出一种适用于无约束高强钢的延伸长度计算公式。Xiao等［13］对高强钢筋（HPB500）在高性能混凝土（C60）中的锚固性能进行了静力和疲劳试验研究，并结合有限元对试验结果进行了分析。Simons等［14］对比现浇混凝土中钢筋连接，研究了后植筋在地震激励下的粘结性能，并根据试验结果提出了地震荷载作用下后植筋的设计模型。对于搭接混合连接的受力性能的研究未见有文献涉及。

笔者通过138个连接试件拉伸试验，针对12和14mm两种直径的钢筋，从非埋入混凝土和埋入混凝土两个方面进行试验，分别研究钢筋单独作用的钢筋连接性能和钢筋与混凝土共同作用下的钢筋连接性能，对其破坏模式和受力性能进行分析，对钢筋焊搭混合连接的性能进行研究。

1 非埋入混凝土钢筋连接性能试验

1.1 试验设计

非埋入混凝土钢筋连接性能试验试件共计36个，按焊接方式分为3组：单点焊接、两点焊接和三点焊接。每组又根据钢筋等级和直径不同制作4种试件，每种试件按相同要求制做3个。对所有试件进行拉伸试验（见表1），并对每种母材进行材性试验，共计16种试件。在试验过程中记录屈服承载力、极限承载力，并计算钢筋伸长率［15］。

单点焊试件的搭接长度和施焊长度均为10倍钢筋直径（文中用d表示），搭接区域全部满焊；两点焊组试件的搭接长度为30 d，在搭接区域两端各5 d长度区域内施焊，焊缝总长度为10 d；三点焊组试件的搭接长度同样为30 d，在搭接区域两端和中点处分别施焊三条长度为5 d的焊缝，焊缝总长度为15 d。为了与工程实际相符合，焊接方法单面手工电弧焊，焊缝布满并排放置的钢筋之间的凹槽，根据文献［10］认为焊脚尺寸为0.3倍直径。材料性能见表2。

表2 试验材料性能 MPa

试验使用1000kN拉力试验机进行。试验装置见图1。将试件两端分别夹持在试验机的上下夹具内，施加单调拉伸荷载至试件破坏，观察其破坏模式，记录屈服及极限承载力大小。试件破坏后测量其伸长率。

图1 试验装置

1.2 破坏过程与破坏形态

从试验过程中来看，3种钢筋连接的破坏形态与过程基本相同，都是经历屈服、强化、颈缩的阶段后被拉断而破坏。受到焊接热影响作用导致钢材性能下降，每种连接方式都有断点位于焊缝外侧端部的情况出现，但多数构件破坏模式主要以钢筋拉断为主，试件的破坏都发生在搭接区域以外。构件破坏形态如图2所示。

1.3 试验结果分析

试验结果如表1、表2所示。将试验结果数据整理分析，如图3所示。

图3中的数据选取试验结果的平均值。从图中可以看出，对于相同母材的焊接连接，不同连接方式的极限承载力区别不大。其中 HRB335－Φ14－三点焊连接的极限荷载较低，属于焊接质量问题，3根构件的极限荷载离散较大，不予考虑。从结果中可以看到，3种连接方式均满足要求。三点焊组相比于两点焊组，在承载力的表现上没有明显提高，两点焊的连接强度甚至超过三点焊，说明焊缝长度不是决定承载力的主要因素。而在工程实践中，三点焊的连接方法在没有明显提高连接效果的情况下，增加了施工的成本和复杂程度，因此在下一步实验中，选用两点焊与绑扎进行对比，不再设置三点焊连接对比组。

图2 非埋入混凝土钢筋连接构件破坏形态

图3 不同连接方式的屈服和极限强度对比

2 埋入混凝土钢筋连接性能试验

2.1 试验设计

埋入混凝土钢筋连接性能试验试件共计102个，设计时考虑钢筋混凝土共同作用。按连接方式分为3组：绑扎搭接、单点焊连接和两点焊连接，分别用L、M1和M2表示，其中M2组即为所提出的焊搭混合连接方式。每组有根据钢筋直径和搭接长度不同进行试件设计：选择12和14mm 2种钢筋直径，每组设置6种搭接长度，M2组最短时与M1相同，因此实际包含5种搭接长度，共34种试件，每种试件按照相同要求制作3个（试件具体情况如表3所列）。

表3 埋入混凝土钢筋连接性能试验试件

试件制作使用HRB335钢筋，钢筋实测抗拉屈服强度为364MPa，极限强度为604MPa。各试件的钢筋搭接长度如表3所示，L组不进行焊接，使用火烧丝进行三点绑扎，绑扎位置如图4（a）所示；M1组在钢筋搭接区域中点处施加10 d长的焊缝；M2组在钢筋搭接区域两端设置2条长为5 d的焊缝，焊缝总长为10 d，施焊位置如图4所示。与非埋入混凝土钢筋连接性能试验相同，所有焊缝均使用单面手工电弧焊。

试件制作使用的混凝土150mm立方体抗压强度平均值为54.2MPa。试件混凝土部分为截面100mm×100mm，长度为钢筋搭接长度加100mm的棱柱体，搭接钢筋端部距离混凝土表面50mm，钢筋夹持端的端部距离混凝土表面150mm。钢筋穿过棱柱体上下表面的中心，无横向配筋约束。试件构造图见图4。

使用1000kN拉力试验机对试件进行加载。将试件的夹持端分别夹持在试验机的上下夹具，施加单调拉伸荷载，加载至试件彻底丧失承载力。观察试件在破坏过程中混凝土的裂缝发展情况和破坏模式，记录其屈服及极限承载力大小，试验结果取平均值。

2.2 破坏过程与破坏形态

2.2.1 绑扎搭接 绑扎搭接的构件在拉伸过程中，首先出现微小的横向裂缝，大多分布在钢筋搭接区域内的两侧。当横向裂缝发展到一定程度后，裂缝开始向斜向发展，形成斜向裂缝，然后钢筋一般会进入屈服阶段，与此同时，多条斜向裂缝共同发展，连结成一条主劈裂裂缝，最终由于主裂缝发展过宽导致混凝土发生破坏。绑扎搭接的传力主要依靠钢筋与混凝土之间的粘结锚固。当混凝土破坏后，粘结锚固失效，钢筋绑扎搭接丧失承载力。另外，对于长度较小的构件，由于锚固长度不足，会出现混凝土没有横向裂缝，而钢筋直接被拔出的情况；在搭接长度较小的情况下，试件会出现钢筋未进入屈服阶段，连接就直接发生破坏的现象，而且搭接长度越小，钢筋连接跳过屈服阶段直接破坏的现象越明显。裂缝发展过程及破坏的典型形式如图5所示。

图4 埋入混凝土钢筋连接性能试验试件构造图（单位：mm）

图5 绑扎搭接

2.2.2 单点焊连接 单点焊连接的构件在拉伸过程中，钢筋搭接范围内会出现横向裂缝。随着荷载进一步增加，混凝土的端部出现斜裂缝，并发展成为端部破坏，部分构件端部破坏呈现锥形破坏形态，甚至发生端部脱落；荷载继续增加，钢筋屈服、颈缩直至被拉断，最终破坏。钢筋的断点多位于混凝土包裹范围外，少数破坏发生在混凝土内部。钢筋搭接区域内混凝土破坏不明显。裂缝发展过程及破坏的典型形式如图6。

从破坏现象分析，试验开始初期，在受拉荷载作用下，钢筋与混凝土协调变形，导致混凝土出现均匀的横向裂缝，随着荷载继续增加，裂缝持续发展，由于焊接钢筋的偏心受拉作用，导致钢筋搭接区域未焊接部位开始张开，形成对搭接区域边缘混凝土由内向外的张力，混凝土开始出现斜裂缝，并继续发展，端部混凝土劈裂后开始剥落，最终进入钢筋单独工作状态，依次出现屈服，颈缩和破坏，试件最终破坏。

2.2.3 两点焊连接 M2组试件的焊缝分为两部分，位于搭接区域的两端。试件在加载过程中，混凝土表面几乎没有观察到裂缝出现；钢筋在混凝土未发生明显破坏的情况下直接屈服、颈缩直至被拉断，钢筋的断点均位于混凝土外。在钢筋与混凝土界面交界的地方有少许混凝土松动。裂缝发展过程及破坏的典型形式如图7。

图7 两点焊连接

根据以上现象可以看出，3种连接方式的破坏模式表现出明显的不同。绑扎搭接连接由于仅靠粘结锚固传力，所以连接发生破坏也就是钢筋与混凝土的界面发生破坏，破坏模式的主要特点为混凝土先后出现横向裂缝和斜裂缝，并发展为劈裂裂缝，直至混凝土完全破坏。而M1组试件大部分荷载由焊缝传递，且焊缝附近热影响区刚度较大，导致钢筋连接在两端的应变大于中央，钢筋与混凝土的界面破坏主要集中在两端，破坏模式主要为混凝土横向裂缝发展至混凝土被拉坏。两点焊组试件的2条焊缝将连接钢筋的搭接区域连结成为一个整体，其纵向刚度为2根钢筋相加，大于搭接区域外的单根钢筋，所以在加载过程中，搭接区域纵向应变小于非搭接区域，混凝土破坏主要发生在非搭接区域以外，破坏模式为混凝土出现轻微角部破坏，钢筋在混凝土外部某点被拉断。

2.3 试验结果分析

将试验结果数据整理如图8所示。

图8 不同钢筋连接方式的极限荷载

对数据进行分析可以得出结论：对于埋入式钢筋连接，也就是在工程中实际应用的钢筋连接来讲，焊接连接的性能远远好于绑扎搭接，尤其是对于搭接长度较小的连接，焊接连接能够保证具有较大的极限荷载，其稳定性优于绑扎搭接。就绑扎搭接的方式而言，Φ14比Φ12的钢筋连接效果相对较差，Φ12的钢筋连接在保证搭接长度的前提下，基本可以达到焊接连接的极限强度，而Φ14的钢筋连接则无法达到焊接连接的极限荷载，说明钢筋直径越大，焊搭混合连接的效果更明显。

3 埋入式钢筋连接受力分析

3.1 钢筋连接传力机理分析

钢筋连接是将2根独立的钢筋连接在一起，所以无论何种形式的连接，与整体钢筋的直接传力相比，传力机理都发生了改变，都是改变了对整体钢筋传力效果的一种削弱。所以，要改进钢筋的连接方法，必须首先明确钢筋连接的传力机理。

绑扎搭接连接的实质就是搭接的2根钢筋分别在混凝土内部的锚固。相向受力的钢筋分别锚固在搭接连接区段的混凝土中而将力传递给混凝土，从而实现钢筋之间应力的传递。但由于2根钢筋之间拼缝处混凝土受力不利，握裹力受到削弱，因此搭接传力比锚固受力差，搭接长度应大于锚固长度。此外，搭接钢筋横肋斜向挤压锥楔作用造成的径向推力引起了2根钢筋的分离趋势，2根搭接钢筋之间容易出现纵向劈裂裂缝，甚至因两筋分离而破坏，因此必须保证强有力的配箍约束［1］。

焊接是受力钢筋之间通过熔融金属直接传力。若焊接质量可靠，则不存在强度、刚度、恢复性能、破坏形态等方面的缺陷。但是如果将未处理的钢筋并排焊在一起，没有对中导致的偏心作用可能会导致混凝土发生劈裂。

将以上2种方法结合，将2根搭接连接的钢筋通过少量的焊接连接，加强其等效配箍约束。当焊接点在搭接部位中间时，钢筋搭接区域内焊接部位为焊接传力，焊接部位之外为粘结传力，在偏心作用下，非焊接区域会逐渐分开，导致混凝土发生劈裂，端部混凝土脱落，效果较差；而当焊接点位于搭接部位两端时，两端受到焊接点的约束，不利于劈裂裂缝的产生，有利于防止混凝土劈裂裂缝的产生；同时，焊缝也可以进行一部分力的传递。

3.2 钢筋连接偏心影响分析

结合试验，对不同焊搭混合连接方式的偏心影响进行分析。假设焊接区域为刚体，不会发生弯曲变形，焊接区域以外受到拉力作用，也不会发生弯曲变形，所以在拉力作用下，钢筋连接进行自适应调整时，在焊接区域边缘由于抗弯刚度突变，该位置会发生转角变形，如图9所示。

图9 不同连接方式钢筋连接偏心分析

如图9所示，以直径14mm，搭接长度319mm的试件为例，计算可得：对于单点焊连接方式，当自适应调节完成以后，焊缝边缘区域发生转角大小为4.9°，如果不考虑钢筋受混凝土约束作用，导致搭接边缘区域可能发生宽度为0.57 d的分离，将对混凝土产生不利影响。这种效应随着钢筋直径的增加而愈加明显。而当使用两点焊连接方式，由于焊缝将整个搭接区域连为一体，刚性区域明显增大，焊缝边缘区域转角减小为2.5°，搭接区域边缘由于焊缝作用不会张开，对于防止混凝土开裂有利。

使用ANSYS中的solid45实体单元建模。几何模型为两根截面为正方形的钢筋模型，截面面积按照面积等效原则将边长取为a＝12.04mm（以直径14mm，搭接长度319mm的试件为例）。先按照《钢筋焊接及验收规程》（JGJ 18－2003）［5］的做法建立模型，对预弯后的钢筋建立几何模型，耦合节点模拟焊接。对于试验构件，建立长方体几何模型，每根钢筋在截面上划分为4×4的网格，在长度上分为50段，单元的长宽高之比约为1∶1∶3.4。划分单元后对钢筋焊接区域进行节点耦合，模拟焊接连接。在钢筋两端分别加位移约束和荷载。计算得到如图10所示结果。

有限元分析验证了弯曲变形主要发生在焊接区域以外，尤其是在单点焊连接形式中，在搭接焊区域边缘形成了由弯曲变形引起的楔形开口。通过应力分布图可以看出，两点焊连接区域的焊缝撕裂力应力集中区域小于单点焊连接形式。

图10 有限元计算横截面应力分布和变形图（所标数字为横向截面应力最大值）

经过以上分析可以看出两点焊连接在减小偏心作用方面具有优势，应该尽量采用两点焊钢筋连接方式。

4 经济性分析

以沈阳某商住楼小区项目为例，通过简单计算评价焊搭混合连接方式的经济性。文中提到的焊搭混合连接方式，已在该工程中得到具体应用。该项目包括回迁楼14栋（22层），住宅建筑面积共108404.48m2，商品楼9栋（20层），住宅建筑面积共78805.92m2，两者高度皆小于80m，为三级抗震墙。假设层高为2800mm，柱混凝土C30，柱截面尺寸为200mm×400mm，纵筋6Φ12，箍筋为Φ8＠200（以图11所示暗柱为例），则计算可得每根箍筋的长度为1.214m。

传统绑扎连接方式下箍筋包括加密区箍筋和非加密区箍筋。在加密区箍筋间距按规范规定取为5 d，即60mm，则加密区箍筋根数为26根。非加密区箍筋间距为200mm，则非加密区箍筋根数为7根，总计33根，总重量15.83kg。

采用焊搭混合连接方式下，不需要考虑箍筋加密布置，所有区域均按箍筋间距200mm计算，则箍筋总根数为15根，重量为7.2kg。将计算结果汇总如表4所示。

表4 两种方案经济性分析对比

结合工程实际，可以计算得出面均节省费用指标，如表5所示。

表5 面均节省费用指标计算

从表中可以看出使用焊搭混合连接进行钢筋连接可以节省大量的柱箍筋用量，节约比例可以达到31.76%。与现行规范相比，虽然双点焊搭接区多出了12 d的纵筋长度（重量约为0.127kg），但与加密区箍筋的数量相比，这些增加是微不足道的，综合来看焊搭混合连接有非常好的经济性。将此数据参考以往工程经验进行分析，每平米可以节约11.5～13.5元。

对于该工程而言，仅钢筋材料费用的节省，就可以节约工程造价250余万元，经济效益显著。此外，焊搭混合连接方式还降低了钢筋连接的操作难度，加快了施工速度，保证了施工质量。在实际应用中，焊搭混合连接方式具有明显优势。

5 结论

通过上述对钢筋连接性能两部分试验进行分析总结，得到以下结论：

1）中等直径钢筋焊搭混合连接能实现有效的钢筋受拉连接：承载力满足要求，破坏模式合理。两点焊与单点焊相比，破坏模式更为合理，建议优先采用两点焊。

2）在混凝土中，单点焊与两点焊在极限强度上高于绑扎搭接的性能，在搭接长度很短（15 d）时就能满足强度要求。

3）焊搭混合连接的传力机制与搭接连接不同，焊缝在连接中除了发挥传力作用外，还起到横向约束作用，有效地减少了钢筋偏心对于连接的不利影响，破坏模式中没有劈裂破坏出现也证明了这一点。

4）焊搭混合连接方式作为一种简单经济的钢筋连接方式，可以应用于大量使用钢筋的钢混结构（如剪力墙结构等）中，具有很好的经济效益与社会效益。

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