姜洪斌，張海順，2，劉文清，閆紅纓

(1.哈爾濱工業(yè)大學 土木工程學院，150090哈爾濱，3260787@hit.edu.cn;2.天津大學 建筑工程學院，300072天津;3.黑龍江宇輝建設集團，150090哈爾濱)

“插入式預留孔灌漿鋼筋搭接連接”是課題組研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的預制裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋連接方法[1]，該方法具有連接簡便、質(zhì)量易保障、成本低廉等優(yōu)勢[2－4].插入式預留孔灌漿鋼筋搭接連接基本原理是:搭接鋼筋之間能夠傳力是由于鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)錨固[5－7].兩根相向受力的鋼筋分別錨固在搭接連接區(qū)段的混凝土中而將力傳遞給混凝土，從而實現(xiàn)鋼筋之間應力的傳遞[8－9].鋼筋的搭接長度是插入式預留孔灌漿鋼筋連接的受力性能關(guān)鍵[10－12].

1 試驗概況

1.1 插入式預留孔灌漿鋼筋連接具體實施方式

如圖1所示，在預制混凝土構(gòu)件預埋鋼筋旁邊的孔洞內(nèi)，插入被連接鋼筋至設定搭接長度，通過向孔洞內(nèi)灌入灌漿料并經(jīng)其凝結(jié)硬化后即可將2根鋼筋連接成為一體.在鋼筋搭接長度范圍內(nèi)沿周邊布置約束螺旋筋，用以加強鋼筋的搭接連接性能.

圖1 鋼筋搭接示意

1.2 鋼筋搭接試驗試件設計

本次試驗為住宅產(chǎn)業(yè)化下裝配式施工模式的鋼筋搭接，鋼筋搭接接頭面積百分率均為100%，鋼筋搭接長度ll=1.6 la，la為規(guī)范要求的基本錨固長度.考慮螺旋筋套箍作用的有利影響，搭接長度分別減少20%、30%、40%，即搭接長度確定為0.8 ll、0.7 ll、0.6 ll.混凝土采用 C20、C30、C40，鋼筋為 HRB335，直徑分別為 12、14、16 mm.同時制備一些 0.5 ll、0.4 ll、0.3 ll的試件，以便確定搭接長度極限和可靠度分析.

鋼筋搭接試驗試件尺寸見圖2和表1.試件截面為150 mm×150 mm，長度為鋼筋搭接左右各增加20 mm的非粘結(jié)段.預埋鋼筋的尺寸為混凝土內(nèi)部的鋼筋左右分別伸出20和190 mm，后插鋼筋的尺寸為混凝土內(nèi)部的鋼筋左右分別伸出20和460 mm.內(nèi)部螺旋箍筋采用4鋼筋，環(huán)內(nèi)徑80 mm.

圖2 鋼筋搭接試驗試件尺寸(mm)

表1 鋼筋搭接試驗試件尺寸

1.3 鋼筋搭接試驗試件制備

1)將螺紋鋼管，預埋鋼筋和螺旋筋放入特制鋼模中，預埋鋼筋的一端伸出鋼模20 mm，螺旋筋的1/4處應變片的位置靠近預埋筋伸出鋼模較短的一側(cè)，見圖3.

圖3 螺紋鋼管、預埋鋼筋和螺旋筋放入鋼模中

2)澆筑混凝土，在混凝土初凝后抽出螺紋鋼管，形成預留孔，見圖4.

3)插入后插鋼筋，灌入灌漿料，養(yǎng)護28 d，見圖5.

1.4 鋼筋搭接試驗方案

采用單向拉伸的方法進行鋼筋搭接性能試驗，用于加載的鋼架為長度可調(diào)，加載設備采用200 kN穿心式液壓千斤頂，見圖6.就位后試件的加載端鋼筋分別伸出加載鋼架，其中一端采用夾片式錨具錨固于加載鋼架底板，另一端穿過千斤頂并用夾片式錨具錨固.試件的自由端鋼筋架設千分表測量滑移量.

圖4 混凝土試件和孔洞

圖5 鋼筋混凝土搭接試件完成

圖6 試驗裝置

拉伸試驗加載為連續(xù)方式，直到鋼筋屈服或破壞為止.露出試件外部的縱筋、及內(nèi)部螺旋筋在試件長度1/4和1/2處貼有應變片，試驗中記錄了拉伸力、鋼筋應變和鋼筋自由端滑移.

2 鋼筋搭接試驗數(shù)據(jù)和處理

2.1 試驗現(xiàn)象及結(jié)果

每組試件共3個，其中1個加載至鋼筋拉斷，2個加載至鋼筋屈服.試驗時試件混凝土破壞現(xiàn)象有所不同，見圖7，當混凝土試件長度較長(0.8 ll)時，加載端和自由端的混凝土開裂較小;而長度中等(0.7 ll)時，開裂較大;當長度更短(0.6 ll)時，加載端和自由端混凝土壓碎破壞.

將各個試件的試驗結(jié)果匯總，見表2.在各個試驗中，所有受拉鋼筋均達到屈服或拉斷，但鋼筋均未被抽出，未發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土粘結(jié)段出現(xiàn)粘結(jié)滑移.試驗結(jié)果充分證明，試驗設計的搭接形式和搭接長度滿足搭接要求.

圖7 搭接試件破壞圖

表2 鋼筋搭接長度屈服強度值

2.2 螺旋筋應力應變分析

圖8 各個試件螺旋筋拉力－應變折線

圖8為不同鋼筋直徑各試件內(nèi)部螺旋筋應變.試件1/2處應變增長較快，邊界1/4處應變增長較慢，原因為端部套箍作用強，約束較多，所以端部應變增長較慢.但是總體應變值均很小，都在1 ×10－4以內(nèi).

在鋼筋搭接拉拔試驗中，螺旋筋主要作用是側(cè)向約束混凝土開裂，而拉拔力在鋼筋混凝土交界面形成的剪切力很大部分由混凝土內(nèi)部粘結(jié)力消耗傳遞，所以螺旋筋受力較小，其應變值也就很小.同時發(fā)現(xiàn)從12、14、16 mm的鋼筋直徑逐漸增加，其螺旋筋的應變值也逐漸變得不穩(wěn)定，原因為隨著鋼筋直徑的增加，屈服拉力也變大，同時鋼筋表面積的也逐漸增加，粘結(jié)應力分布也越來越不規(guī)則，導致混凝土對鋼筋的握裹力不穩(wěn)定，最終導致螺旋箍筋的應變變化不規(guī)則.

3 鋼筋極限搭接長度分析

3.1 極限搭接長度試驗

為了深入研究極限鋼筋搭接長度，試驗進行了鋼筋搭接長度繼續(xù)減小到0.5 ll、0.4 ll、0.3 ll的拉拔試驗.如表3所示，混凝土采用C30，鋼筋HRB335，直徑分別為 12、14、16 mm.混凝土試件截面尺寸為150 mm×150 mm，試件分別每組為3個、共9組，計27個試件.

表3 極限搭接長度試驗參數(shù) mm

3.2 極限搭接長度試驗數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

表4列出了鋼筋搭接長度的試驗數(shù)據(jù)，各個拉力值均為屈服拉應力，在試驗中，0.5 ll的所有試件在鋼筋屈服時未發(fā)現(xiàn)千分表有讀數(shù)，即認為鋼筋混凝土之間未發(fā)生粘結(jié)滑移.而0.4 ll和0.3ll的試件在鋼筋未達到屈服時就已經(jīng)有很大的滑移量，即認為0.4 ll和0.3 ll搭接長度失敗且不可取.可初步認定極限搭接長度為0.5 ll.

表4 鋼筋搭接長度屈服強度及滑移

建議搭接長度ll=1.25×0.5×1.6la=la，其中1.25為可靠度安全系數(shù);la為規(guī)范要求的基本錨固長度.由于螺旋筋的套箍作用，搭接長度可以減短為基本錨固長度，即插入式預留孔灌漿鋼筋搭接長度計算公式為

3.3 極限搭接長度機理分析

如圖9所示，將螺旋箍筋約束的搭接縱筋作為力學分析模型，在縱筋受拉時產(chǎn)生沿鋼筋表面的切向粘結(jié)應力τ，由于鋼筋表面變形凸起而產(chǎn)生法向應力σ，該法向應力σ是引起搭接范圍內(nèi)混凝土受拉開裂并導致縱筋搭接破壞的原因，因此以混凝土達到抗拉強度為標志，建立力的平衡方程為

式中:σs為混凝土即將開裂時約束螺旋箍筋應力值，σs=αEftk;Asv為約束螺旋加強箍筋截面面積，mm2;ftk為混凝土抗拉強度標準值，N/mm2;Dcor為螺旋筋約束核心混凝土直徑，mm;d為縱筋直徑，mm;Sv為約束螺旋加強箍筋間距，mm;σ為縱筋表面法向應力，N/mm2.

圖9 螺旋筋約束力學模型

如圖10所示，宏觀上在鋼筋搭接長度ll范圍內(nèi)，當縱筋受拉達到抗拉強度標準值fyk時，可建立力平衡方程為

圖10 螺旋筋約束力學模型

另外假設，縱筋表面的切向粘結(jié)應力τ等于法向應力σ，則有

由式(3)和式(4)聯(lián)立得法向應力為

式(5)代入式(2)有

經(jīng)整理，得縱筋搭接長度為

式(7)的意義為，建立起了縱筋搭接連接時，搭接長度ll與約束螺旋箍筋配筋量之間的關(guān)系.

由式(7)計算的本試驗試件的理論搭接長度見表5.表中計算值較為接近式(1)的試驗結(jié)論值，且有一定的安全貯備，式(7)可作為螺旋箍筋約束情況下的縱筋搭接長度設計計算公式.

表5 理論搭接長度計算

4 結(jié)語

根據(jù)不同鋼筋直徑、混凝土強度、不同搭接長度等因素完成了108個試件的搭接試驗，對規(guī)范要求搭接長度進行折減20% ～70%設計并試驗，得到了插入式預留孔灌漿鋼筋搭接連接的破壞模式及各因素的影響規(guī)律，分析了螺旋箍筋約束情況下縱筋搭接連接機理，給出了考慮螺旋箍筋配筋量的縱筋搭接長度設計計算方法.經(jīng)理論分析和試驗驗證，在配置螺旋箍筋情況下，縱筋的搭接長度可以減短為基本錨固長度，即ll=la.

本文僅在單根鋼筋搭接并配置螺旋筋的情況下，進行了單向拉伸試驗的探索性初步研究，下一步試驗研究擬補充不設螺旋筋套箍的對比試驗、及多種受力工況試驗，并將這種鋼筋連接方式應用到構(gòu)件試驗中，以檢驗多根鋼筋搭接下的受力情況.

[1]張海順.預制混凝土結(jié)構(gòu)插入式預留孔灌漿鋼筋錨固搭接試驗研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2009.

[2]PCa技術(shù)研究會.プレキャストコンクリート技術(shù)マニュァル[M].東京:株式會社彰國社，2000:38－47.

[3]渡辺邦夫，中野清司.知ちれざるPC建築[M].東京:株式會社建筑技術(shù)，2004:152－171.

[4]鯉田和夫.最新建築施工[M].東京:技報堂出版株式會社，2008:82－83.

[5]徐有鄰.鋼筋混凝土粘結(jié)錨固性能試驗研究[D].北京:清華大學，1990.

[6]王藝霖.鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的若干間題研究[D].武漢:華中科技大學，2005.

[7]PARK R，PAULY T.Reinforced concrete structures[M].New York:John Wiley and Sons Ins，1982:236 －296.

[8]王國杰.高強度自密實混凝土及其與鋼筋粘結(jié)錨固性能的試驗研究[D].福州:福州大學，2002.

[9]MAGNUSSON J.Bond and anchorage of ribbed bars in high-strength concrete[D].Goteborg，Sweden:Division of Concrete Structures，Dept of Structural Engineering，Chalmers University of Technology，2000.

[10]宋玉普，趙國藩.鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移性能研究[J].大連工學院學報，1987，26(2):93－100.

[11]NAMMUR G，Jr，NAAMAN A E.Bond stress model for fiber reinforced concrete based on bond stress-slip relationship[J].ACI Materials，1989，86(1):45 －57.

[12]LUTZ L A.Analysis of stresses in concrete near a reinforcing bar due to bond and transverse cracking[J].ACI Journal，1970，67(10):778 －787.