装配式混凝土构件间新型钢筋连接器试验研究

高迎亮 尚琳 柳晓科 杨新磊 王长祥

1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司 天津 300374

2.天津城建大学土木工程学院 300384

引言

随着市政行业的快速发展，建造技术持续更新完善，传统的建造方式在现代建筑工业化进程中所应用的程度逐渐减小，装配式建筑正逐渐成为市政行业转型升级的新标杆。在装配式结构中，如何确保连接节点间的可靠性是当前装配式结构发展面临的最大的安全问题［1］。装配式混凝土结构节点设计应遵循“强节点、弱构件”的设计原则，使其具备与现浇混凝土结构同等的安全性、稳定性、耐久性和整体性能。

目前国内外对于装配式结构钢筋连接的主要连接方式大多集中在钢筋机械连接［2-7］、钢筋浆锚搭接连接［8-16］、钢筋灌浆套筒［17-19］这三种主流的连接方式上。但这些钢筋连接方式依然存在着一定的局限性，施工质量严重依赖于工人的技能水平、施工质量难以检测、预制构件就位后无法立即参与受力等问题，在一定程度上影响了装配式建筑的推广应用。本文提出了一类新型套筒钢筋连接件，该新型三管型钢筋连接器在保证钢筋应力有效传递的基础上，缩短钢筋搭接长度，实现钢筋有效连接，同时具备不依赖施工技术人员技能水平、施工质量易于保证、施工效率较高等优点，为探究新型三管型钢筋连接器的实际受力性能，本文设计了相关试验对连接器力学性能做了具体研究。

1 三管型钢筋连接件拉伸试验

1.1 新型钢筋连接器简介

新型钢筋连接器分为焊接式和整体式两种类型，其中焊接式连接器由3 个空心钢管和2 片连接钢板焊接而成，整体式钢筋连接器为整块钢板切割成型，其三维模型如图1 所示。新型钢筋连接器设计思路为通过连接器主体上的3 个钢筋穿装孔实现预制构件间的节点连接，从而实现钢筋和钢筋之间应力的有效传递，其中连接器主体的中间钢筋穿孔为预留孔洞。在实际应用过程中连接器的连接方式为：首先将两侧钢筋（试验中采用高强螺栓）穿过连接器主体两侧的安装孔，并用直螺纹套筒拧紧固定，然后将待连接钢筋穿过连接器中间的钢筋安装孔，同样用直螺纹套筒拧紧固定，从而实现预制构件间的连接。

图1 钢筋连接器构造示意Fig.1 Schematic construction of rebar connectors

1.2 试验概况

钢筋连接器试件试验分两组（共6 件），其中一组为焊接式三管型钢筋连接器试件，另一组为整体式三管型钢筋连接器试件。试验中钢筋连接器主体的高度分别取50mm、75mm、100mm。中间钢筋的直径为20mm，其强度等级为HRB400级，实测屈服强度426.6MPa，实测极限强度607.9MPa。为方便试验，将连接器两侧的钢筋用高强螺栓替换，使其能够更好地与试验装置连接。新型钢筋连接器参数如表1 所示。

表1 钢筋连接器参数Tab.1 Reinforcement connector parameters

1.3 试验装置及加载方式

三管型钢筋连接器在试验加载装置上安装完成后，根据《混凝土结构试验方法标准》（GB 5152—2012）［20］，采用单调拉伸的试验加载方式对钢筋连接器中的中间待连接钢筋进行连续加载直至钢筋屈服或钢筋连接器主体破坏，具体的加载装置如图2 所示。

图2 试件加载装置Fig.2 Specimen loading device diagram

1.4 试验数据采集

试验中需要采集的数据有三类：（1）荷载数据，通过力传感器采集并由数据采集系统记录存储；（2）位移数据，由非接触式应变位移视频测量系统采集；（3）应变数据，主要对中间受力钢筋和连接器主体的应变进行采集分析，因此在试验前试件外表面中间及筒壁两侧以及中间受力筋上分别粘贴应变片，应变测点位置如图3 所示。

图3 应变片粘贴位置示意Fig.3 Strain gauge placement

2 试验结果及分析

2.1 试验现象描述

三管型钢筋连接器拉伸试验现象描述如表2所示。通过试验现象分析可知，焊接式的连接器主要破坏形式为焊缝破坏，而整体式的连接器主要破坏形式为左右锚固螺栓断裂破坏及孔壁破坏，由此说明焊缝质量是影响焊接式连接器可靠度的主要因素，而孔壁厚度是影响整体式连接器可靠度的主要因素。

表2 试验现象汇总Tab.2 Summary of test

两组试件的最终破坏形态如图4 所示。

图4 试件最终破坏形态Fig.4 Final damage pattern of the specimen

2.2 试验结果分析

1.钢筋应力应变曲线分析

取钢筋测点1 的应变数据绘制应力-应变曲线，各个试件的应力-应变曲线如图5 所示。由图可知：随着钢筋连接器主体高度的增加，钢筋逐渐屈服，试件的极限承载力在不断增大；整体上，同等应力水平下焊接式连接器的应变大于整体式连接器的应变，说明整体式连接器有更好的刚度。

图5 钢筋连接器测点1 应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curve for rebar connector measurement point 1

2.钢筋连接器主体变形相对位移分析

取图3 中测点3、测点5 与测点4 的平均相对位移数据和力值绘制成荷载-位移曲线，如图6所示。由图可知，随着连接器主体高度的增加，其承载能力也随之上升。连接器前期的基础承载能力取决于连接器主体的高度，当高度增加到一定值后，连接器的承载力大于钢筋强度，整个节点的承载力由钢筋强度控制，此时的连接器高度为推荐使用高度。试验结果表明，整体式连接器和焊接式连接器两者都有良好的钢筋应力传递效果，均可应用于预制构件之间的钢筋连接。但相同主体高度下焊接式钢筋连接器的承载力均小于整体式，说明整体式具有更优越的力学性能。焊接式连接器主体高度在100mm 时的承载力接近中间钢筋的极限荷载，而整体式连接器主体高度在75mm时就已经接近中间钢筋的极限荷载，因此整体式连接器的整体性能优于焊接式连接器。

图6 钢筋连接器荷载位移曲线Fig.6 Load displacement curve of rebar connector

3 结论

本文提出了一种新型三管型钢筋连接器，并通过试验对其力学性能进行了相关研究，得出如下结论：

1.整体式连接器和焊接式连接器两者都有良好的钢筋应力传递效果，均可应用于预制构件之间的钢筋连接。

2.焊接式与整体式钢筋连接器相比，焊接式连接器主要破坏形式为焊缝开裂破坏导致整体变形较大，因此采用焊接式连接器应主要保证焊接质量，而整体式连接器主体形变较小，多是固定螺丝断裂，其极限破坏取决于孔壁厚度，说明整体式连接器具有更好的刚度。

3.随着连接器主体高度的增加，两种连接器的承载能力也随之上升，说明试验前期试件的承载能力主要由连接器主体高度决定，不同的是焊接式连接器节点承载力取决于焊缝质量，而整体式节点承载力取决于钢筋强度。

4.根据试验结果，焊接式连接器主体高度建议取100mm，整体式连接器的主体高度建议取75mm，其承载力能够满足要求。