基于强搭接理念的钢筋连接技术试验研究

2022-07-21杨新磊陆韵芸

天津城建大学学报 2022年4期

杨新磊，陆韵芸，赵虎

（天津城建大学天津市土木建筑防护结构实验室，天津 300384）

装配式混凝土结构是指预制混凝土构件通过可靠的连接方式装配而成的混凝土结构.相对于现浇混凝土结构，装配式混凝土结构在生产效率、施工进度、构件质量等方面具有良好的优势，所以我国正大力推行在建筑中使用装配式混凝土结构.对于装配式混凝土结构而言，连接节点的可靠性是保证结构质量的关键，是结构安全的基本保障.预制构件之间良好的连接方式既可以保证装配式混凝土结构具有较高的稳定性，又能够实现施工快速便捷，同时也不会大幅度提高工程成本，因此，连接方式一直以来都是装配式结构研究的重点.

《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ1—2014）[1]将钢筋浆锚搭接连接和钢筋套筒灌浆连接作为装配式混凝土结构钢筋连接的主要连接方式.钢筋浆锚搭接连接[2-8]指在预制混凝土构件中预留孔道，在孔道中插入需搭接的钢筋，并灌注水泥基灌浆料而实现的钢筋搭接连接方式.钢筋套筒灌浆连接指在预制混凝土构件内预埋的金属套筒中插入钢筋并灌注水泥基灌浆料而实现的钢筋连接方式[9-12].由于上述两种常用连接方式存在运输施工难度大、建筑成本过高、对工人素质要求较高等缺陷，在一定程度上限制了其在装配式建筑中的发展.

本文提出一种基于强搭接理念的预制混凝土结构钢筋连接技术，即利用一种套管连接件实现钢筋搭接连接，该搭接技术不依靠钢筋周围混凝土进行应力传递，构件拼装后通过钢筋端部直螺纹锚固实现钢筋搭接连接，钢筋外套管连接件提供应力传递路径.

1 套管连接件接头拉伸试验

1.1 试件设计及制作

套管连接件接头拉伸试验共3种试件类型，每一种类型含有3个平行件，试件类型一为材性钢筋对比试件，试件类型二为套管连接件非灌浆搭接钢筋试件，类型三为套管连接件灌浆搭接钢筋试件.各试件所使用钢筋均为直径16 mm的HRB400级热轧带肋螺纹钢，钢管为内径22 mm，壁厚5 mm，长度为150 mm的冷拉无缝精密钢管.试件具体参数见表1所示，其中D16指直径为16 mm的材性钢筋，TG15指采用150 mm长的套管连接件非灌浆搭接，GJ15指试件采用150 mm长的套管连接件灌浆搭接，1、2、3分别为各类型试件的编号.

表1 试件具体参数

试件制作包括套管连接件的焊接、钢筋套丝、连接件灌浆以及粘贴应变片共四部分.套管连接件由两根钢管并排焊接而成，焊接时保证两钢管平行无错位现象；钢筋与套管的锚固方式均为钢筋一端套丝，套丝端使用钢筋套筒固定在套管上，其中钢筋套丝在套丝机床上完成，套丝机头选用16~22 mm机头，钢筋套丝长度为3 cm，钢筋锚固采用配套套筒，锚固所用垫片的内径为18 mm，外径为32 mm；套管灌浆料选用中冶建筑研究总院生产的CGM早强灌浆料，灌浆时，先对一边套管进行灌浆，保证钢筋在初凝过程中维持竖直状态，由于灌浆料流动性大，灌浆后需采取措施避免漏浆现象发生，待浆料初凝后，使用相同方法对另一边套管进行灌浆.为测得钢筋在试验过程中的受力情况和应变变化情况，类型一试件在钢筋的中部竖向粘贴应变片，类型二、三需分别在搭接的两根钢筋靠近套管端部5 cm处竖向粘贴应变片，粘贴应变片时首先采用打磨机将钢筋竖向肋附近小部分区域打磨，再使用砂纸打磨并用丙酮擦拭，最后使用502胶粘贴钢筋应变片，固定后应变片外表涂抹702硅胶进行保护.试件完成样式如图1所示.

图1 类型二、三试件外观示意图

1.2 试验加载与量测

本试验采用万能试验机进行两端拉拔加载，应变值通过东华测试DH3816静态应变测试系统采集，加载制度为万能试验机以1 kN/s的加载速度加载直至试件破坏，失效标准为钢筋受拉断裂或搭接钢管焊接处断开.

通过上述布置的钢筋应变片记录其屈服荷载、极限荷载和拉伸过程中的受力情况，钢筋屈服荷载的确定是通过观察试验机缓慢拉拔钢筋至一定数值后，继续加载时力值信号采集显示读数保持基本不变，可认为钢筋进入屈服阶段，继续加载直至钢筋受拉断裂或套管连接件焊接处断开，该过程荷载峰值即为极限荷载.

1.3 试验现象

试件类型一为材性钢筋，作为对比试件.加载初期，钢筋处于弹性阶段，荷载读数与应变呈正比，随着加载继续，钢筋开始产生塑性变形，荷载基本保持不变，此时进入屈服阶段，变形不断增大，进入强化阶段，钢筋抵抗塑性变形的能力又重新提高，短时间内变形迅速增大，进入颈缩阶段，随后钢筋薄弱处截面显著缩小，直至断裂.

试件类型二为钢筋基于套管连接件连接的试件.加载初期试件整体出现轻微偏转现象，随着荷载不断增加，偏转逐渐增大，靠近套管端部处钢筋出现应力集中点，随着荷载增加至极限承载力，钢筋于应力集中处被拉断破坏，套管连接件未出现破坏现象.试件破坏现象如图2所示.

图2 TG15-3试件破坏示意图

试件类型三为钢筋基于套管连接件灌浆连接试件.此类试件试验现象与试件类型二相似，具体见图3所示.在加载过程中随着荷载不断增加，钢筋弯曲现象逐渐增大，套管端部灌浆料被压碎，钢筋最终于应力集中处断裂破坏.

图3 GJ15-1试件破坏示意图

1.4 试验结果及其分析

1.4.1 钢筋受力情况分析

各承载力值均取3个平行件的平均值.由试验结果可知，试件类型一材性钢筋的屈服承载力为102.47 kN，极限承载力为136.04 kN；试件类型二为套管连接件未灌浆试件，其屈服承载力和极限承载力分别为93.67 kN、125.68 kN；试件类型三为套管连接件灌浆试件，相应的屈服、极限承载力值分别为98.04kN、131.65 kN.与材性钢筋试件的承载力相比，类型二和类型三试件承载力稍有下降，未灌浆连接试件钢筋屈服承载力折减8.5%，灌浆连接试件仅折减4.3%，而就极限承载力而言，未灌浆试件和灌浆试件分别比材性钢筋承载力折减了7.6%和3.4%.灌浆料在加载过程中能够固定套管和钢筋的相对位置，灌浆有利于钢筋接头有效传力.由于类型二、三试件的钢筋出现应力集中破坏，导致此二类试件钢筋的承载力相比于材性钢筋的承载力有所下降.

1.4.2 钢筋应力应变曲线

由于平行样钢筋的应力应变曲线类似，因此不同试件类型各挑选1个试件绘图比较.

图4所示为钢筋测点1所测得的应力应变曲线.试件类型二和类型三的测点1曲线与材性钢筋试验曲线类似，基本符合钢筋拉拔破坏过程中的四个工作阶段.由图可知，在弹性阶段未灌浆试件的斜率较其余两种试件稍小，证明试件类型二的刚度略有降低，并且由于此类试件缺少灌浆料用以固定套管和钢筋相对位置，在加载过程中钢筋出现轻微偏心受力，因此试件类型二最先达到屈服平台进入屈服阶段，强化阶段荷载的增大幅度较其余两试件更为明显.

图4 各试件钢筋测点1应力应变曲线

2 预制混凝土墙板拉拔试验

2.1 试件设计

类型一为材性钢筋外包预制混凝土墙板试件，类型二是套管连接件非灌浆连接钢筋试件，类型三是套管连接件灌浆连接钢筋试件.墙板拉拔试验所用钢筋、钢管同上述套管连接件接头拉伸试验，混凝土墙板的设计强度等级为C30，预制墙板厚150 mm.各试件配筋见图5所示.试件详细参数同上述拉伸试验（见表1），类型一试件编号分别为CS16-1/2/3，类型二分别为WGJ15-1/2/3，类型三分别为YGJ15-1/2/3.其中CS16表示钢筋直径为16 mm，WGJ15指长150 mm的套管连接件非灌浆搭接，YGJ15指长150mm的连接件灌浆搭接钢筋.

根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2002）[13]中规定，当充分利用钢筋的抗拉强度时，此试验中受拉钢筋的基本锚固长度为500 mm.

图5 试件配筋详图

2.2 材料性能

2.2.1 钢筋参数

试验所用钢筋性能根据规定办法在试验机上测得，Φ14钢筋作为墙板配筋，屈服强度、极限强度分别为427.3 MPa、620.3 MPa，Φ16钢筋屈服强度为486.6 MPa，极限强度为675.1 MPa.

2.2.2 混凝土强度

本试验所用混凝土强度等级为C30，试件浇筑过程中，预留两组试样，每组3个混凝土试块（100 mm×100 mm×100 mm），根据规定办法在压力试验上测得两组试块28 d的平均抗压强度值分别为31.1 MPa和32.6 MPa.

2.3 试件制作

墙板试验试件制作中的套管连接件焊接、钢筋套丝、连接件灌浆及粘贴应变片均同上述接头拉伸试验，但其在粘贴应变片时待702硅胶硬化后，使用浸润过环氧树脂的纱布将应变片包裹，避免浇筑混凝土墙板时应变片与水接触短路.根据试件配筋图进行钢筋的切割绑扎，钢筋架绑扎完成后固定于模板中间位置，避免浇筑混凝土时钢筋架倾斜.浇筑过程中确保不淹没应变片导线，振捣时尽量避免触碰应变片芯片.

2.4 试验加载与量测

墙板试验主要采用RJ-50/100型锚杆拉力计进行单调拉伸加载，加载端通过液压千斤顶加载，加载前用压力试验机对传感器进行示数标定，用来与锚杆拉力计上压力表示数进行对比，保证力值的准确.试验所用传感器为量程200 kN的穿心压力传感器，东华测试DH3816静态应变测试系统采集应变值，具体试验装置如图6所示.

图6 加载装置示意图

根据《混凝土结构试验方法标准》（GB 50152—2012）[14]，单向拉伸加载采用连续加载，直至试件屈服破坏，加载速度应根据钢筋直径确定，加载时保持速度恒定.试验中观察记录试件表面混凝土裂缝开展情况和破坏现象，同时记录钢筋的屈服荷载、极限荷载，应变采集仪采集钢筋应变，位移计记录钢筋伸长量.

2.5 试验现象

试件类型一为材性钢筋，作为对比试件，整个加载过程中混凝土表面未出现裂缝，钢筋周围混凝土被压碎破坏，最终荷载达到钢筋抗拉强度极限值时加载钢筋被拉断破坏；类型二为套管连接件连接钢筋试件，3个试件的试验现象类似，以WGJ15-2为例描述其具体现象.初始加载时混凝土墙板表面无明显现象，随着荷载不断增加，于墙体顶部中间出现较长的竖向裂缝，套管连接件附近出现水平和斜向裂缝，整体呈现中心发散状，最终加载钢筋被拉断，底部拔出，混凝土试件整体完好（见图7）.

图7 WGJ15-2试验现象

类型三为套管连接件灌浆连接钢筋试件，YGJ15-2初始加载时混凝土墙板表面无明显现象，随着荷载增大套管连接件位置附近出现裂缝，最终混凝土墙体表面无水平和斜裂缝出现，裂缝整体长度较短，混凝土试件的整体保持完好，具体现象如图8所示.

图8 YGJ15-2试验现象

2.6 试验结果及其分析

2.6.1 裂缝现象分析

试件类型一混凝土表面无裂缝出现，初步判断由于钢筋锚固深度符合标准，加载过程仅出现钢筋周围混凝土轻微压碎，钢筋拉断现象；试件类型二的3个平行件初始裂缝均出现较早，并且在套管连接件附近均出现了水平和斜裂缝，呈中心向四周发散状，最终裂缝的长度较长；试件类型三初始裂缝出现较晚，无水平、斜裂缝出现，最终裂缝的长度较短.相比于类型三，类型二试件套管连接件未灌浆，浇筑混凝土时钢筋底部与连接件处未固定，振捣混凝土时使钢筋出现滑动，锚固钢筋与连接件未达到理想的接触状态，导致套管底部因偏转趋势出现较大的应力集中，从而试件更早地出现裂缝并呈现发散状，裂缝长度也更长.

2.6.2 钢筋受力分析

各承载力值均取3个平行件的平均值.由试验结果可知，材性钢筋的屈服承载力为100.03 kN，极限承载力为136.83 kN；套管连接未灌浆试件的钢筋屈服承载力为100.47 kN，极限承载力为134.53 kN；套管连接件灌浆连接试件钢筋的屈服承载力为100.13 kN，极限承载力为133.38 kN.通过数据对比发现，3种类型试件钢筋的力学数值基本吻合.由于墙板拉拔试验加载过程中试件未发生偏转，钢筋未出现应力集中，由此可知外包混凝土墙板能够约束试件偏转.在套管连接件外包混凝土的情况下，试件内灌浆与否对钢筋接头传力无显著影响.

2.6.3 钢筋应力应变曲线

墙板试验试件的应变片粘贴位置同上述连接件接头拉伸试验，如图1所示.测点1为加载端钢筋的测点，测点2为锚固端钢筋测点.

由于各平行试件钢筋应力应变曲线类似，故每一类型试件只取1个试件进行分析.图9所示为类型二和类型三试件钢筋在测点1测得的应力应变曲线，二者曲线均与对比的材性钢筋的应力应变曲线类似，基本符合钢筋拉拔破坏过程中的4个阶段.各试件测点2锚固钢筋的应力应变曲线走势与上述各曲线类似，同样符合钢筋受拉断裂的4个阶段.由此可知，在套管连接件外包混凝土的情况下，套管内灌浆与否对钢筋接头传力无显著影响.