一种新型钢筋连接的关键技术研究

霍健棠，范炳礼，朱桂滨，陈俊豪，顾锦全

（广东省建工设计院有限公司，广东 广州 510630）

0 引言

目前在建筑施工过程中，钢筋的连接方式主要有3种：绑扎连接、焊接连接、机械连接。但这3 种连接都有各有不足，如绑扎搭接长度太长，浪费钢筋过多；焊接易受多雨天气影响，影响工期，还需要较多设备；机械连接成本较高，劳动强度大。改良传统的钢筋连接方式，减少浪费、缩短工期、减轻劳动强度，做到安全，高效，经济的推进项目，就是本项的目的。这些传统的连接方式通常需要在构件连接处进行开洞、钻孔或是焊接等，而这些措施在一定程度上会造成构件损伤或结构破坏，影响结构的安全性，加之开洞或焊接处往往是应力集中处，正是构件的受力薄弱处，这无论对于锚固栓钉还是焊缝都有较高的强度和变形能力要求，稍处理不好就会造成构件脱节甚至结构破坏。

最近几年钢筋连接方式在机械连接上有了新的技术，如剥肋滚轧直螺纹连接技术使机械连接前进了不少，但也仍在不同程度上存在着不足。

建设部和国家科委1997 年制定的“九五”推广重点项目“鲁班工程”中，首先启动的项目就是“新型钢筋与钢筋连接技术”。新型钢筋指的是冷轧带肋钢筋，钢筋连接技术指的是钢筋焊接技术和机械连接技术，国家科委和建设部很重视这一新技术[1]。

为弥补上述目前常用的3 种钢筋连接方式的不足，此次研究拟设计一种新型的钢筋连接方式，创新性地利用传统的榫卯技术改良现有的机械连接方式，既以榫卯连接方式连接钢筋，设计一种新型的钢筋榫卯链接件，并通过强度实验，证明新型连接件的强度满足建筑施工的需要。

1 钢筋榫卯连接的设计

1.1 连接理论

钢筋榫卯连接理论是指为在建筑工程中，钢筋榫卯连接的设计、计算和施工等方面的理论基础。这些理论基础主要包括以下内容。

（1）钢筋的力学性能。钢筋的强度、韧性、弹性模量等力学性能对于钢筋榫卯连接的承载能力非常重要。因此，在设计和施工过程中，需要对钢筋的力学性能进行充分的考虑和计算[2]。

（2）榫头和卯眼的设计。榫头和卯眼的设计对于钢筋榫卯连接的牢固性和可靠性也非常关键。在设计过程中，需要考虑到榫头和卯眼的强度、刚度、厚度等因素，以确保连接的稳定性和可靠性。

（3）钢筋连接的施工技术。钢筋连接的施工技术对于钢筋榫卯连接的质量和可靠性也有很大的影响。在施工过程中，需要确保钢筋的尺寸和形状符合设计要求，同时要进行必要的防腐和防锈处理。此外，还需要选择合适的连接方式和工具，确保连接的牢固性和可靠性。

总之，钢筋榫卯连接理论是建筑工程中非常重要的一部分，它涉及钢筋的力学性能、榫头和卯眼的设计、钢筋连接的施工技术等多个方面。只有在理论基础上充分考虑和计算，并结合实际情况进行操作，才能确保钢筋榫卯连接的质量和可靠性，从而保障建筑工程的安全和稳定性。

1.2 钢筋榫卯连接件的设计思路及目标

主要设计思路如下：设计钢筋榫卯接头的具体形式、设计接头应力的补强方式。榫卯连接件接头形式为：采用两个扣接连接在一起的连接头以及一个固定两连接头的挤紧件组成一个高强度、可拆分的钢筋连接件。该连接件能够将一对钢筋快速连接起来，结构简单、安装方便；榫卯连接件的补强形式为增加榫卯连接件截面使其大于钢筋截面。

本连接件的设计目标如下。

（1）高强度。它采用高强度连接件和钢筋制成，具有较高的强度和抗拉、抗压强度。

（2）可拆卸。连接件可以拆卸，方便施工和维护。

（3）方便施工。连接件的组装方式简单，施工速度快，有利于加快施工进度。

（4）耐久性好。连接件的材料经过严格的质量控制，耐久性好，可以长期使用。

（5）环保。连接件的制造过程少产生有害物质，对环境污染小。

钢筋榫卯连接研究内容应包括连接构件尺寸大小、榫头和卯眼的设计等，其中榫头和卯眼的设计是研究关键内容[3]。

1.3 钢筋榫卯连接件的设计成果

榫卯连接件，包括第一连接头，第一连接头插接有第二连接头，第一连接头和第二连接头之间设有销钉挤紧件，销钉挤紧件的两侧分别向第一连接头和第二连接头施加推力，将第一连接头和第二连接头锁紧，第一连接头和第二连接头的末端还设有连接结构，连接结构用于连接钢筋。

第一连接头和第二连接头均包括连接本体，连接本体的上端设有一对凸台，两凸台之间形成插槽，其中一凸台低于另一凸台，另一凸台的上部设有插板，插板的上端突出于另一凸台，第一连接头和第二连接头的插板分别插入对方的插槽中连接。榫卯连接件示意图如图1 所示。

图1 榫卯连接件示意图

其中一凸台和另一凸台的高度比为（7:1）~（10:1），插槽的深度为1~3cm，凸台和插板的内壁均为粗糙面，连接结构包括连接套管。所述的连接套管的一端和第一连接头或第二连接头的末端连接，连接套管的长度为5~20cm，内壁上开设有连接螺纹，挤紧件为一条形件，所述条形件的长度小于等于凸台的宽度。榫卯连接件尺寸如图2 所示。

图2 榫卯连接件尺寸（单位：mm）

1.4 钢筋榫卯连接件的优势

本次研究的钢筋榫卯链接技术的优势如下。

（1）相对绑接技术，减少不必要的绑扎搭接的搭接长度从而降低用钢量，创造经济效益。

（2）相对焊接技术，不需要焊接节约能源减少有害气体产生，做到节能环保，且不受钢筋成分及种类影响。

（3）相对传统机械链接技术，可以工厂化生产，提前预制，不占用工期，全天候施工。连接方式操作便利、快捷，施工速度快，可大大缩短工期。

本项拟设的新型钢筋榫卯连接方式改进了传统钢筋的连接方式，通过简单快捷的施工安装，适合在目前大部分的工程建设中推广与应用。它可广泛应用于建筑、桥梁、隧道、铁路、高速公路等工程中，可以提高工程的施工质量和施工效率，同时也能有效降低工程成本。因此，在未来的建筑施工中，钢筋榫卯连接技术将拥有十分广泛的应用前景。

2 强度实验方法及结果

2.1 单向拉伸实验目的

测定实验试件钢筋母材为标准HRB400，直径为20mm 符合钢筋各项质量标准，为后续奠定实验数据真实有效需检验：榫卯连接件连接钢筋极限抗拉强度与对比钢筋极限抗拉强度，榫卯连接件连接钢筋抗拉变形对比钢筋抗拉变形；探索榫卯连接件的危险截面与应力集中点的位置，榫卯连接件对比直螺纹套筒连接件受力与变形情况[4]。

2.2 单向拉伸实验试件

2.2.1 试验试件材料及长度

钢筋种类：HRB400。

试件类型：A 型试件为钢筋母材，长600mm，直径为20mm；B 型试件为HRB400 榫卯连接件连接钢筋母材，长718mm，每侧长359mm；C 型试件为HRB400 滚轧直螺纹套筒连接钢筋母材，长651mm，每侧长325.5mm。

2.2.2 实验试件

（1）采用同样规格、材料、工艺的钢筋连接接头，各种检验试件均为3 个/套；其中A 型钢筋母材试件3 个；连接钢筋母材的B 型榫卯接头试件（外径31mm，壁厚5.5mm，长度118mm）3 个；连接母材钢筋的C 型一级滚轧直螺纹套筒试件（外径31mm，壁厚5.5mm，长度51mm）3 个。

（2）全部试件的钢筋母材均应该在同一根钢筋上截取。

（3）同一操作人员按相同的接头构件连接方法进行安装。

2.3 单向拉伸实验方法

2.3.1 试验的加载过程

试验项目如表1 所示。所有试件均按此加载。

表1 试验项目

2.3.2 试件性能检验的仪表布置和变形测量标距

（1）单向拉伸的变形测量仪表应在钢筋两侧对称布置，两侧测点的相对偏差不宜大于5mm，且两侧仪表应能独立读取各自变形值。应取钢筋两侧仪表读数的平均值计算残余变形值。

（2）变形测量标距。单向拉伸残余变形测量应按式（1）计算：

式中：L1——变形测量标距，mm；L——连接接头长度，mm，本试验L=48mm；β——系数，取1~6，本试验β 取5；d——钢筋公称直径，mm，本实验d 为20mm；本试验的L1=L+βd=148mm。

2.3.3 性能检验试件最大力下总伸长率As 的测量方法

（1）试件加载前，应在其接头两侧的钢筋表面分别用细划线A、B 和C、D 标出测量标距为L01的标记线，L01不应<100mm，标距长度应用最小刻度值≤0.1mm 的量具测量。本次试验L=48mm，L01取100mm，接头两端至B、C 点的距离均取40mm，A、D 点至夹持区的距离均取40mm。最大力下总伸长率As 的测点布置如图3 所示。

图3 最大力下总伸长率As 的测点布置

（2）试件应按单向拉伸加载方式加载并拉断，再次测量A、B 和C、D 间标距长度为L02最大力下总伸长率Asgt应按式（2）计算。

式中：fmst——试件实测极限抗拉强度；E——钢筋理论弹性模量；L01——加载前A、B 或C、D 间的实测长度；L02——卸载后A、B 或C、D 间的实测长度。

应用式（2）计算时，当试件颈缩发生在接头一侧的钢筋母材时，L01和L02应取另一侧标记间加载前和卸载后的长度。当破坏发生在接头长度范围内时，L01和L02应取接头两侧各自读数的平均值。

2.4 实验前理论预测结果

在单向拉伸实验中，同一根钢筋母材与榫卯连接件材料均为HRB400，其实测屈服强度值、极限强度值、拉伸率与最大力拉伸长率均符合质量标准。钢筋母材截面面积为314mm2；榫卯连接件中的d-d 截面为单向拉伸试验受压截面，截面面积为346mm2；轧直螺纹套筒连接件中环截面为单向拉伸试验受压截面，截面面积为441mm2。

抗拉结果预测：对比截面面积，按单向压轴考虑榫卯连接件d-d 截面强度/钢筋母材截面强度=1.1，因此预测单向拉伸试验将以钢筋拉断结束，d-d 截面不会受压破坏；按单轴抗拉考虑，轧直螺纹套筒连接件环截面/钢筋母材截面强度=1.4，因此预测单向拉伸试验将以钢筋拉断告终，套筒截面不会受拉破坏。

2.5 实验实测数据

此次实验由广东省建工设计院有限公司于2023 年6月1 日送检广东穗科建设工程检测技术服务有限公司于2023 年6 月16 日受检，对A 型试件、B 型试件和C 型试件进行单向拉伸实验各3 次：A 型试件的屈服强度合格标准为400MPa，实验结果分别为450MPa、435MPa 和440MPa；抗拉强度合格标准为540MPa，实验结果分别为625MPa、615MPa、620MPa；B 型试件抗拉强度合格标准为540MPa，实验结果分别为620MPa、610MPa、615MPa；C 型试件抗拉强度合格标准为540MPa，实验结果分别为625MPa、615MPa、610MPa；A、B 和C 型各3 次实验均以钢筋拉断告终。实验评定为：所检项目均符合《钢筋机械连接技术规程》（JGJ 107—2016）标准要求。

3 实验结果与分析

3.1 实验分析

3.1.1 A 型实验试件

0→0.6fyk→0（检测残余应变）阶段，属于弹性阶段，此阶段中伸长量与加载荷载之间成正比，满足胡克定律，卸载后试样恢复其原长，其中变形拉伸完全属于弹性状态。

0（检测残余应变）→最大拉力（记录极限抗拉强度）→破坏（测定最大力下总伸长率）阶段，试样从弹性阶段进入屈服阶段再到强化阶段，由弹性变形进入塑型变形，其变形量远大于弹性变形，在强化阶段中可明显观察到试件纵向拉长，横向缩小。继续以最大拉力继续加载拉伸实验，试件伸长到一定程度后，试件某一段发生颈缩现象横截面积急剧缩小，荷载读数降低，直至试件拉断。

3.1.2 B 型实验试件

0→0.6fyk→0（检测残余应变）阶段，榫卯连接件与钢筋母材都属于弹性阶段，钢筋母材与榫卯连接件同时变形拉伸，钢筋母材变形拉伸比榫卯连接件变形拉伸较长，且两者变形伸长量与加载荷载之间成正比，满足胡克定律，卸载后两者都可以恢复其原长，其中两者变形拉伸都完全属于弹性状态。

0（检测残余应变）→最大拉力（记录极限抗拉强度）→破坏（测定最大力下总伸长率）阶段，榫卯连接件与钢筋母材从弹性阶段进入屈服阶段再到强化阶段，由弹性变形进入塑型变形，钢筋母材变形拉伸量比榫卯连接件大，在强化阶段中可明显观察到榫卯连接件与钢筋母材纵向拉长，横向缩小。继续以最大拉力继续加载拉伸实验，榫卯连接件与钢筋母材伸长到一定程度后，钢筋母材先某一段发生颈缩现象横截面积急剧缩小，荷载读数降低，在钢筋母材发生颈缩现象后榫卯连接件也发生颈缩现象，榫卯连接件拉伸变形速率开始降缓，直至钢筋母材拉断，榫卯连接件停止形变，没有发生断裂或破坏。

3.1.3 C 型实验试件

0→0.6fyk→0（检测残余应变）阶段，套筒连接件与钢筋母材都属于弹性阶段，钢筋母材与套筒连接件同时变形拉伸，钢筋母材变形拉伸比套筒连接件变形拉伸较长，且两者变形伸长量与加载荷载之间成正比，满足胡克定律，卸载后两者都可以恢复其原长，其中两者变形拉伸都完全属于弹性状态。

0（检测残余应变）→最大拉力（记录极限抗拉强度）→破坏（测定最大力下总伸长率）阶段，套筒连接件与钢筋母材从弹性阶段进入屈服阶段再到强化阶段，由弹性变形进入塑型变形，钢筋母材变形拉伸量比榫卯连接件大，在强化阶段中可明显观察到套筒连接件与钢筋母材纵向拉长，横向缩小。继续以最大拉力继续加载拉伸实验，套筒连接件与钢筋母材伸长到一定程度后，钢筋母材先某一段发生颈缩现象横截面积急剧缩小，荷载读数降低，在钢筋母材发生颈缩现象后套筒连接件也发生颈缩现象，套筒连接件拉伸变形速率开始降缓，直至钢筋母材拉断，套筒连接件停止形变，没有发生断裂或破坏[5]。

3.2 实验结论

实验以HRB400 直径为20mm 的钢筋标准参数做对比，通过钢筋自身、传统的螺纹套筒与新型榫卯连接件做了一次对比实验，对比螺纹套筒得证出榫卯连接件在强度和拉伸变形两方面，强度略低、拉伸形变略小；对比钢筋得证出榫卯连接件在强度和拉伸变形两方面，强度略低、拉伸形变略小，至钢筋完全被拉断后榫卯连接件仍未破坏，强度符合要求。同时榫卯连接这种新型的机械连接方式在单向拉伸实验中如本次实验前预测结果。本次研究的新型钢筋连接技术可靠、安全。

4 结语

本次研究的新型钢筋连接方式，具有创新与改良性。创新性用传统的榫卯技术改良现有的机械连接方式，减少不必要绑扎搭接的搭接长度从而降低用钢量创造经济效益、不需要焊接节约能源减少有害气体产生做到节能环保，不受钢筋成分及种类影响。而且还可以工厂化生产，提前预制，不占用工期，全天候施工。操作便利、快捷，施工速度快，可大大缩短工。在实际施工可行性高，可节省成本以达到创造经济效益，又对环境做到节能环保，实用性与可推行性较高。