装配整体式混凝土结构钢筋连接技术研究进展探析

2021-08-03詹霖伟

福建建筑 2021年7期

詹霖伟

(福建六建集团有限公司福建福州 350014)

0 引言

随着我国建设水平的进一步提高，装配式混凝土结构越来越得到国家和各省市政府的青睐[1-6]。与传统的混凝土现浇结构相比，装配式混凝土结构更有利于提高生产效率和节约能源，更能保证现场实体的建筑工程质量，符合绿色节能环保的要求[7]。装配式混凝土主要分为整体装配式和装配整体式结构[8]，装配整体式由于结合了现浇结构和预制装配式的特点，在进行现场拼装时，可以减少模板的投入量，降低工程成本，又能保障工程建设的整体性和结构抗震性能，已成为现阶段装配式结构的主要发展方向[9]。

装配整体式混凝土结构的预制构件之间通过有效的节点，连接形成一个共同受力体系，节点处的连接质量成为装配式结构能否够抵抗外力荷载作用的重点关注部位，是装配式结构受力的薄弱环节[10-11]。在混凝土结构的破坏过程中，通常表现为预制构件破坏较轻，节点和钢筋连接处失效，从而是整个受力体系破坏，是装配式结构破坏的主要原因[9,12-13]。所以，研究节点处钢筋的连接技术是，进行装配整体式混凝土结构力学性能研究的重要部分[14]，对推动装配式建筑的发展有促进作用。

1 装配式构件连接原理

装配整体式混凝土结构，是在工厂中进行预制构件的加工和生产，在现场进行构件的拼装和连接。现场施工时，预制构件之间通过可靠的连接件进行连接，在连接处后浇混凝土、水泥基灌浆料形成整体的装配式混凝土结构。由于在现场施工时，需要灌注混凝土或者水泥基等灌浆料，因此装配整体式混凝土结构的连接是湿连接。湿连接的连接质量要求 “等同于现浇形式”。根据连接件连接的对象不同，主要分为：装配整体式框架结构，装配整体式剪力墙结构，装配整体式框架-现浇剪力墙结构，装配整体式部分框支剪力墙结构等几种方式。

装配式结构的湿连接不仅起到固定构件的作用，还使混凝土单个构件受到的荷载通过湿连接进行传递，使装配式结构共同受力。在装配式混凝土湿连接中，上下层构件之间的钢筋不是连续的，而通过连接处的混凝土进行力学传递。微膨胀的混凝土使钢筋与混凝土之间的摩擦力增大，使得钢筋连接处的摩擦力足以抵抗钢筋受到的极限拉力，而使混凝土构件的破坏发生在连接处以外的钢筋。

2 钢筋连接形式和研究现状

2.1 套筒灌浆连接

(1)构造形式和工作机理

套筒灌浆连接是目前装配式结构中，运用最多的一种钢筋连接方式[15]。在上层混凝土预制构件中预留套筒，下层预制构件预留的钢筋插入上层套筒中，并在套筒中灌注连接浆液，形成一个牢固的连接件，使上下层构件之间共同受力。套筒灌浆连接方式分为全套筒灌浆连接和半套筒灌浆连接两种方式，如图1所示。

在外力作用下，荷载通过钢筋与灌浆料之间的摩擦力，灌浆料对钢筋的粘结力以及钢筋外部的螺旋肋对灌浆料的咬合力进行传递。同时灌浆料具有微膨胀性质，使得混凝土在三向受力的状态下，套筒对灌浆料的约束力，摩擦力以及咬合力进一步加强灌浆料对钢筋的作用力[16]。

(a)全套筒灌浆连接头

(b)全套筒灌浆连接头

(2)研究现状

华北理工大学地震工程研究中心设计了一种成本较低、套筒取材方便的新型半灌浆套筒连接构件，如图2 所示。套筒采用普通无缝钢管，并在钢管内部加工出用于增强约束的内螺纹。套筒的一端直接跟钢筋进行连接。王宁[17]等人利用这个新型的灌浆套筒进行静力拉伸和动力反复加载试验，结果均表现出较好的力学特性。连接件的破坏均发生在连接件外的钢筋上，具有一定的牢固度和市场应用前景。

图2 新型半灌浆套筒连接构造

王占文[18]对比了三类不同的灌浆套筒初始缺陷，包括灌浆料缺陷(含杂质试件、水胶比)、钢筋缺陷(剥肋、水泥浆涂层)以及施工连接缺陷(嵌入长度、二次补浆、钢筋偏心)对灌浆套筒连接件的力学性能影响。通过对157个套筒灌浆试件实验，得出：三类缺陷的构件中，钢筋剥肋比率和水胶比对试件的破坏形态影响较大，发生粘结滑移破坏，其他缺陷均发生在连接件外的钢筋破坏。

杨旭辉[19]发明了一种新型的套筒灌浆密实度检测器，检测器主要由一个“L”型的透明塑料管组成，如图3所示。检测器主要插入出浆孔，当灌浆液高于出浆孔的水平面时，说明灌浆孔中的浆液已经密实。作者将该技术应用于实际工程项目，通过对灌浆孔抽查，均未出现灌浆不密实情况。

图3 L型灌浆密实度检测器

杨思忠[20]配制了一种可以在低温(-5℃)条件下进行灌浆的水泥基灌浆浆料，对新型灌浆液进行实验，并设置-5℃,0℃,5℃,10℃,15℃等不同的温度梯度。实验结果表明，新型灌浆料可以满足低温状态下的灌浆要求，并符合《钢筋连接用套筒灌浆料》(JG/T408—2013)规范的要求。新型灌浆液在多个不同实际工程项目中应用，都取得了良好的应用成果。

以上的研究结果表明，目前对于灌浆套筒连接件的研究，主要集中在新型的连接方式、连接质量的影响因素，以及对灌浆密实度的检测等方面，对于灌浆套筒连接结构在爆炸荷载作用下[21]以及冬季施工等方面研究较少。套筒灌浆是目前在工程实际中运用最广的一种连接方式。

2.2 浆锚搭接连接

(1)构造形式和工作机理

约束浆锚搭接连接是上下层混凝土构件的非搭接连接，如图4所示。在上层混凝土构件中预留有内壁粗糙的孔洞，孔洞外围配有螺旋箍筋。施工时，将下层预制构件预留的钢筋插入预留孔洞后，进行灌浆，即可实现预制构件之间的连接。除了插入式预留孔浆锚搭接连接，约束浆锚搭接连接，还包含另外一种内置波纹管的NPC浆锚插筋连接[22]。

图4 预留孔浆锚搭接连接

在外力作用下，浆锚搭接连接的传力，主要是通过钢筋与混凝土之间的粘结锚固进行传递。连接处钢筋受到外力作用时，钢筋将荷载传递给浆锚混凝土，浆锚混凝土在约束力的作用下，传递到周围混凝土的界面中，从而传递给上部预制构件的钢筋中[23]。

(2)研究现状

吴涛[23]分析了插入式预留孔浆锚连接和NPC浆锚插筋连接两种不同的浆锚连接方式，并对两种连接方式进行技术要点的对比分析，得出两种不同的连接方式在满足对应构造的搭接长度的情况下，其预制构件均表现出与现浇结构相近的承载能力和抗震能力。但是插入式预留孔灌浆搭接由于有横向约束，则有效地降低钢筋搭接长度，降低钢筋浪费。

吴东岳[24]对一浆锚连接装配式剪力墙空间结构模型进行了低周反复加载试验，试验结果表明，连梁先于剪力墙发生破坏，因此在进行结构设计时应重视连梁的设计。另外研究表明，浆锚连接在搭接区的边缘存在两个新的薄弱面,建议在装配式剪力墙中，应重视连梁的合理设计。

武章印[25]采用金属波纹管和螺旋箍筋加强浆锚钢筋的搭接，并设计和制作了6组18个试件进行单向拉拔试验，试验结果表明，钢筋直径和搭接长度对试件的破坏模式起决定性作用;混凝土强度和波纹管直径是极限搭接长度计算中重要影响参数;并在试验结果的基础上，建立极限搭接长度计算公式。

刘一龙[26]对36个预埋金属波纹管浆锚搭接连接件进行单调连续加载试验和重复加载试验，结果表明，试件的极限承载能力随钢筋直径和锚固长度的增大而增大，而构件的平均粘结强度随钢筋直径和锚固长度的增大而减小。试件的黏结能量均随着钢筋锚固长度的增大而增大，且随着钢筋直径的增大而减小。

从以上研究结果可知，浆锚搭接连接是一种新型的装配式混凝土钢筋连接方式，目前对这类连接方式的研究也较多，钢筋的直径、搭接长度以及横向约束力对于连接件的力学性能影响较大。在进行实际工程设计或者实际工程项目建设时，应考虑这些因素对工程实体质量的影响。

2.3 套箍连接

(1)构造形式和工作机理

套箍连接主要是在上下层预制混凝土构件中，预埋“U”型的钢筋连接件，在上下层预制构件拼和的过程中，在重叠部分插入纵向钢筋并固定后进行混凝土的浇筑，如图5所示。

图5 套箍连接示意图

由于连接处的混凝土属于现浇，上下层预制构件钢筋之间进行搭接，并设置有贯通钢筋。现浇处钢筋与混凝土受力明确。

(2)研究现状

余志武[27]设置箍筋直径和箍筋的锚固长度两个参数，研究对套箍连接的力学性能影响，研究结果表明:U型钢筋的直径越大，钢筋的锚固长度要越深。钢筋锚固长度直接影响了装配式连接区域的破坏形式。当U型钢筋深埋时,试件延性良好,性能可靠，构件破坏主要发生在钢筋处断裂，当U型箍筋埋深较浅时，主要发生在混凝土破坏。余志武在文献[27]提出利用U型箍对预制构件进行连接，并且对连接的构件进行低周反复荷载试验。试验主要验证U型箍连接试件的破坏及裂缝发展规律、在反复荷载下的滞回曲线、骨架曲线、试件极限承载力及耗能能力等。试验结果表明，通过U型箍连接的装配式构件与现浇结构具有相同的承载能力和抗震性能。

焦安亮[28]对15个套箍连接的预制混凝土构件进行低周反复荷载试验，研究不同连接形式，不同钢筋配置，以及不同轴压比对套箍连接试件的承载力和抗震性能的影响。试验结果表明，预制套箍连接的混凝土构件与现浇试件的破坏模式一样，均为压弯破坏。箍筋加密预制构件的承载力、耗能、延性等性能与现浇结构试件基本相同，运用套箍连接的剪力墙试件具有良好的抗震性能。

焦安亮[29]对24个套箍预制混凝土构件进行拟静力试验，研究套箍的扣合锚固性能。研究横向钢筋直径，套箍扣合位置，套箍高度等参数对预制构件承载力的影响。试验结果表明，套箍扣合均布和套箍扣合相邻分布的连接方式均良好，套箍扣合均布效果更优。套箍扣合的高度对锚固性能影响较大，高度越高，锚固性能越好。在一定范围内，插筋直径对锚固性能影响较小。

钱稼茹[30]对套箍连接的混凝土构件进行拟静力试验，并对比了套筒灌浆连接构件、浆锚连接构件以及现浇混凝土构件。试验结果表明，预制构件的轴压比不大的情况下，构件的整体破坏形态基本与现浇结构相同，破坏的形态为构件竖向钢筋受拉屈服，底部的混凝土被压碎。当预制构件的竖向钢筋采用套箍连接时，交界面的混凝土密实度难以得到保证，形成水平缝，构件的耗能能力和极限位移同其他构件相比最低。

从以上的研究结果可知，套箍连接方式属于新型的预制构件连接方式，套箍连接预制构件与现浇结构表现出一致的破坏形态，预制构件的承载能力和现浇结构基本相同，与现浇结果表现出一样的力学特性。但是在进行连接处现浇时，连接处的混凝土密实度难以得到保证，并且湿作业较多，现场污染多。

2.4 插筋连接

(1)构造形式和工作机理

插筋连接一般应用于空心模剪力墙，或者双面叠合预制墙，如图6所示。上下层空心模剪力墙之间通过插筋进行连接，插筋与预制构件的竖向钢筋之间形成间接搭接。

图6 插筋连接示意图

预制混凝土空心模剪力墙的墙身，包含预制空心模以及在空心模中后浇形成的混凝土组成。预制空心模剪力墙的水平相邻墙体通过水平分布筋在现场穿插在预制墙体的水平孔中。竖向连接通过插筋插入空心模孔内浇筑混凝土的形式，形成上下层预制墙体之间的拼接。在预制空心模构件中，竖向分布筋位于空心模一侧，插筋与竖向分布筋之间存在一定距离。上下构件之间通过后浇混凝土，形成一个相互连接的整体。

(2)研究现状

赵作周[31]对上下层插筋连接预制空心模剪力墙建立了ABAQUS有限元分析模型，并通过试验验证试验结果，并与有限元分析结果进行对比，验证有限元模型的正确性与实际情况的吻合性。对插筋连接的预制构件进行插筋搭接长度、插筋端头位置、插筋总受拉承载力、后浇混凝土强度和轴压比的参数分析。分析结果表明，1.2 倍锚固长度的插筋长度能够符合承载力的要求，墙体承载力可以通过增大插筋总受拉承载力，建议后浇混凝土强度不应低于预制混凝土强度。

初明进[32]建立了1个钢筋混凝土试件和5个横向孔洞为矩形的空心模预制构件进行试验。研究轴压比、剪跨比、水平钢筋配筋量等参数对预制混凝土构件承载能力的影响。试验结果表明，空心模剪力墙具有更好的耗能能力，避免发生脆性剪切破坏。同现浇混凝土结构相比，空心模预制剪力墙受剪荷载承载能力平均降低了20.9%，位移延性系数达到了4.5。预制与现浇结合面无刚度折减现场，设计时可以不考虑。降低水平钢筋配筋量对墙体的受剪荷载和变形能力影响较小。

刘继良[33]对预制空心模剪力墙试件进行试验，共设计了1个钢筋混凝土试件，以及3个预制混凝土空心模试件。通过试件结果表明，预制空心剪力墙与现浇混凝土构件表现出相似的破坏形态和破坏过程。空心模剪力墙的受弯承载能力与现浇构件基本相当，空心模构件表现出更优的变形能力和延性。提高约束边缘的纵筋配筋率和轴压比，可提高空心模剪力墙的受弯承载力及刚度,改善水平接缝抵抗滑移的性能。

从以上的研究结果可知，空心模预制构件同现浇结构构件相比，具有更优的耗能能力和位移延性。空心模预制构件的受弯承载能力同现浇结构相当，但是受剪承载能力下降较大。

2.5 钢筋套筒挤压连接

(1)构造形式和工作机理

钢筋套筒挤压连接，主要是通过对上下层构件预留的钢筋之间进行套筒挤压连接，在钢筋连接处设置后浇段。上下层构件通过后浇混凝土后，形成一个共同受力的整体。钢筋套筒挤压连接,是通过径向挤压力使连接件钢套筒产生塑性变形后，与带肋钢筋紧密咬合从而传递受力。

(2)研究现状

朱东烽[34]建立一种新型的钢筋挤压套筒+钢管定位连接的梁柱节点体系，并设计了6个梁柱节点试件进行低周反复实验。实验结果表明，预制构件与现浇结构的耗能能力，承载能力相当。提高梁的纵筋配筋率，可以显著提高节点的承载能力，而提高柱纵筋配筋率、降低节点区箍筋间距和柱轴压比对节点承载力的影响较小。

陈庆军[35]对7个装配式梁柱节点和1个现浇节点试件进行拟静力试验。实验结果表明，在相同参数设计下，挤压套筒连接的能耗能力、综合抗震性能与现浇结构相当。挤压套筒连接装配式结构的等效极限层间位移角均大于1/33，梁端破坏的延性系统大于3.6，总滞回耗能大于4.5，等效黏滞阻尼系数均大于0.2。柱段破坏的构件的延性系数均小于3.0，总滞回耗能均小于2.2，黏滞阻尼系数均小于0.15。利用挤压套筒进行预制构件的拼装具有良好的抗震性能。

张微敬[36]设计了7个钢筋混凝土预制柱和1个现浇结构柱的拟静力试验。试验结果表明，通过套筒挤压连接的钢筋连接，能够有效地传递钢筋的拉、压力。挤压套筒预制柱与现浇柱具有相似的破坏过程和破坏形态。预制柱试件的水平力-位移滞回曲线饱满，偏心受压承载力试验值为计算值的1.26倍1.42倍，极限位移角为1/421/26，抗震性能满足规范要求。套筒挤压连接可用于抗震设计的钢筋混凝土柱的纵向钢筋连接。

从以上研究结果可知，利用挤压套筒进行预制机构的连接，预制结构与现浇结构具有相似的破坏过程和破坏形态，耗能能力与综合抗震能力相当。