新型预制板钢筋连接盒承载力计算及试验研究

何 志 潘荣伟 欧天安 张佳佳

(广西建筑材料科学研究设计院有限公司）

0 引言

当前在国家政策推动下，装配式建筑在我国推广应用已经非常普遍，其结构形式主要以混凝土结构、钢结构为主。装配式混凝土结构中构件的连接是基于湿式连接技术发展起来的，根据现行行业标准《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ 1－2014），混凝土构件装配过程中仍存在一部分的现场湿作业，同时对钢筋连接施工质量控制提出较高的要求[1]。钢结构装配式建筑以其快速施工速度，积木式搭建装配案例引起大众关注[2]，不过其存在耗费钢材量较大、同时外露钢材需要做大面积的防腐涂料以及防火涂料、造价高等不足[3]。

装配式混凝土构件干式连接技术与湿式连接技术相对应，目前主要分为螺栓连接、榫卯连接和牛腿连接等[4-5]技术。混凝土梁板柱构件装配一般采用螺栓连接时，目前主要存在两个问题：一是吊装施工时，梁板混凝土构件在立柱立墙的夹缝空间中操作，要做到螺栓孔位对齐以及螺栓施拧存在困难；二是在振动环境下螺栓会有松弛现象，对螺栓的抗剪有不利的影响。在装配式钢结构中，Conxtech 钢框架体系很好地解决了梁柱装配的螺栓连接问题[6]，采用了类似木结构的榫卯连接形式，即采用在柱侧面焊接带楔形插头板，梁端设置带楔形插座的梁端外套板，在套板两侧面设置有高强螺栓连接孔，梁自上而下吊装时通过重力实现梁柱自锁及定位，之后用螺栓紧固。

基于类似钢构件螺栓连接的设计思路，本文提出一种钢制的放置在混凝土预制板端头的新型钢筋连接盒，其在预制板中安放位置如图1 所示。该钢筋连接盒用于连接构件内部钢筋，以及辅助完成构件之间的螺栓紧固。一套连接盒有两个分体，彼此采用螺栓紧固完成后，盒体内空采用高强砂浆灌注砂浆进行填充。砂浆本身只承受断面传递过来的压力，不承受钢筋锚固拉力。盒体中心设置空心筒，用来存放能引导构件精确对位锁定的锁件。锁件一侧锥形端部内部利用钢珠、斜槽管体、弹簧设计出一种自锁的结构，当插销端头深入到锁件特定深度后便实现只可进不可出的锁定状态，并且该锁件自身能抵抗构件接缝断面处的剪力，避免直接由构件接缝处的钢筋、螺栓抗剪，如图2 所示。为进一步研究该新型钢筋连接盒的承载力情况，确保其很好地应用于装配式混凝土构件干式连接，特开展本次研究工作。

图1 预制板连接盒布置位置

图2 预制板连接盒中心锁件对位锁定

1 连接盒承载力研究

1.1 连接盒尺寸规格

连接盒材料采用Q235 的钢材，安装螺栓采用8.8级普通螺栓M12，连接钢筋为4 根直径为12mm等级HRB400 的钢筋，即4C12，钢材和螺栓的弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。

连接盒1、2 主要尺寸如图3～图5 所示，连接盒、螺栓、钢筋、两侧夹具四者组成的连接结构，如图6 所示。

图3 连接盒1 的尺寸

图4 连接盒2 的尺寸

图5 连接盒1、2 的中段剖面主要尺寸

图6 连接盒、钢筋、螺栓、两侧夹具组成的连接结构

1.2 承载力计算

1.2.1 连接盒接缝的受剪承载力设计

连接盒接缝处的剪力由中心的锁件来承担，而中心锁件可简化为圆管，据材料力学可知，圆管断面的最大剪应力位于中性轴，计算公式为：

同时为了满足承载力需求，应满足τmax≤fv，把A=π（d－t）t，代入式⑴，得到：

式⑵中，

τmax——圆管的最大剪应力((N/mm2)；A——锁件断面面积(mm2)；

V——断面的剪力设计值(N)；d——锁件的外径(mm3)；

t——锁件的壁厚(mm3)；

fv——锁件钢材的抗剪强度设计值(N/mm2)。

当预制板的宽度为600mm，跨度为3.0m，板厚100mm，面恒载取1.5kN/m2，面活载取5kN/m2，另外锁件管体尺寸d=60mm，t=4mm，管体钢材用Q235 时，fv=125 N/mm2，一端的剪力设计值计算可得到：

连接盒接缝处的受剪承载力满足设计要求。

1.2.2 连接端板厚度验算

连接盒端板计算可参考钢梁的端板计算思路，当不考虑连接盒核心区域的约束，每个区格可简化为两边支承，如图7 所示。

图7 计算简化尺寸图

连接端部厚度可根据公式[7]计算：

式⑶中，

Nt——C12 钢筋的屈服荷载，即45.24kN；

fy——端板的屈服强度，取235N/mm2。

尺寸信息为ew=15mm，ef=21mm，c=27mm，d=15mm。

计算得到端板厚度t=12mm＜15mm，厚度满足计算最小要求。

2 钢筋连接盒拉伸试验

2.1 实体试验

钢筋拉伸试验在液压式万能试验机上进行，如图8所示，测试连接结构的极限破坏荷载，同时观察失效过程。经过观察及实测，连接盒主体夹具在连接处首先发生了破坏并失效，试验结束时连接盒1、2 主体仍完好且无残余变形，如图9 所示。此时实际加载荷载为162.25KN，接近于4C12 钢筋的屈服荷载标准值之和（180.955kN)。

图8 连接结构拉伸状态

图9 连接结构失效状态

2.2 有限元数值模拟

利用有限元软件建立连接盒的连接结构（不含夹具）的三维有限元模型，如图10 所示，网格尺寸按最大0.003m 的限制条件进行自动划分网格。连接结构整体模型，固定一端4C12 钢筋的端部X、Y、Z 方向位移，另一端在4C12 钢筋头处分别施加钢筋屈服应力标准值对应的荷载值（钢筋C12 的屈服荷载为45.24kN）。

图10 连接结构三维有限元模型

2.3 有限元试验结果分析

应力计算结果表明两侧钢筋连接盒的应力基本均在屈服强度235MPa 内，超过屈服强度的应力点只集中在螺栓和钢筋连接处零星区域，未发生结构性失效破坏，如图11 所示。当拉力荷载继续增加，将出现三种情况之一：第1 种钢筋屈服并发生不可逆的塑性变形，第2 种是钢筋与连接盒连接处发生破坏，第3 种是螺栓失效脱丝。可见，在钢筋达到屈服荷载作用下，钢筋连接盒仍处于弹性变形的范围内，连接盒能满足4C12 钢筋连接受力要求。

图11 连接盒应力计算结果

3 结论

⑴预制板中的钢筋连接盒中的管体锁件在竖向荷载作用下时，计算结果表明锁件能完全抵抗作用于板端部断面处的剪力，降低了对螺栓、钢筋产生的直接剪力作用，从而保证了螺栓和钢筋在构件中能有较充分的抗拉承载力。

⑵钢筋连接盒的钢筋拉伸试验及数值模拟表明在钢筋、螺栓屈服失效之前，钢筋连接盒可以保证整体处于弹性状态，该连接盒能满足钢筋的连接强度要求的同时，也给中心锁件提供足够的安置空间，为后续的装配式构件的干式连接提供了技术支撑。