高强钢筋机械连接接头的创新设计研究

周桂香，蒋凤昌，曹子昂，程越东，朱恒其

（泰州职业技术学院 建筑工程学院，江苏 泰州 225300）



高强钢筋机械连接接头的创新设计研究

周桂香，蒋凤昌，曹子昂，程越东，朱恒其

（泰州职业技术学院 建筑工程学院，江苏 泰州 225300）

摘要：通过研究现有的钢筋连接接头技术，创新设计了两种机械连接接头，镦头式套管机械连接接头和锥楔式套管机械连接接头，并通过ANSYS有限元分析，旨在克服现有技术的一些缺陷，提高高强钢筋的连接性能，降低材料消耗，从而为高强钢筋推广应用提供良好的条件。

关键词：高强钢筋；机械连接接头；ANSYS分析模块

随着建筑业和加工制造业的转型升级，以及建筑业可持续发展的需求，我国加大了高强钢筋的技术开发和推广应用工作。并且正式发布《关于加快应用高强钢筋的指导意见》，这是工业和信息化部与住房和城乡建设部推动上下游产业协同发展，实现减量化用钢的重要举措。

抗拉屈服强度达到400MPa及以上的螺纹钢筋可称之为高强钢筋，它具有材料强度高、综合性能优、材料利用率高等优点。用高强钢筋替代工程中大量使用的335MPa螺纹钢筋，平均可节约钢材12%以上。与高强钢筋推广应用相对应，高强钢筋机械连接接头技术的开发成为工程界急需解决的热点问题［1］。

1　钢筋机械连接现有的技术

在钢筋混凝土结构工程中，随着高层、超高层的现浇钢筋混凝土结构的项目建设，直径大于25mm的粗钢筋越来越多地出现在设计作品中，因此，粗钢筋的连接质量得到了业内人士的重视。当实施实际工程时，在钢筋绑扎连接、焊接连接和机械连接的三种连接形式中，应优先考虑选用机械连接。针对钢筋的机械连接，科研机构和企业先后研制开发了几种粗钢筋机械连接的技术，如冷挤压套筒机械连接技术和直螺纹套筒机械连接技术。

1.1冷挤压套筒机械连接技术

钢筋冷挤压套筒机械连接技术是把两根需连接为一体的钢筋预置在套筒中，用液压式挤压设备对套筒施加荷载，使其产生冷压塑性变形，套筒产生折皱而紧紧包裹住带肋钢筋，从而可以使套筒与钢筋一起传递荷载。冷挤压套筒机械连接技术可以适用于直径16mm～40mm的带肋钢筋。而且对于延展性要求高、可焊接性能较差的钢筋接头，更应优先选用；该种机械连接常用于钢筋的A级连接接头，能够满足套管材料的强度、刚度等力学性能均与带肋钢筋母材相当。

1.2直螺纹套筒连接技术

直螺纹套筒连接技术是优于锥螺纹套筒连接的一项技术。首先将待连接钢筋的端头镦粗，接着对钢筋端部进行切削，形成直螺纹，然后将钢筋旋入带螺纹的套筒内实现连接，传递外部荷载。将钢筋预先镦粗的优点在于，切削成螺纹的过程中，螺纹部位的钢筋截面不会小于原钢筋截面，从而不会影响接头部位的受力性能，该种机械连接接头的可靠性得到提高。

综合比较，直螺纹套筒机械连接比冷挤压套筒机械连接更具有优越的经济性，节省钢材达到70%；与锥螺纹套筒机械连接相比，可以节省钢材大约35%。

2　高强钢筋机械连接接头设计

2.1镦头式套管机械连接技术

2.1.1创新设计的原因随着抗拉屈服强度达到400MPa及以上的高强钢筋推广应用，钢筋机械连接接头的承载能力需要提高，从而存在一些急需改进的方面：（1）冷挤压套管连接接头的结构尺寸增大和强度增大，导致操作困难；（2）螺纹制作工艺繁琐，并且存在螺纹质量缺陷、降低接头承载力的情况。

为了解决上述的问题，项目组创新设计了一种高强钢筋的镦头式套管机械连接，该机械连接由高强钢筋和钢套管组成［2］。基于仿生学原理，将高强钢筋加热镦粗成蒜头状端部；并且套管对称设有蒜头状空腔，如图1所示。

2.1.2连接技术的实施步骤本创新设计连接接头的实施方法（图2a至图2c）包括以下步骤：

步骤一：如图2a所示，将套管夹具3居中夹持钢套管，对称安装高强钢筋至钢套管中，使高强钢筋端头紧密接触，并用钢筋夹具4夹持高强钢筋，此时钢筋1与钢套管2之间具有0.5～1.5mm的间隙。

步骤二：如图2b所示，启动电极加热系统5，使得位于钢套管中的高强钢筋端头加热至适当温度（超过600°C），此时电极断电，防止挤压过程中对钢套管加热。

步骤三：如图2c所示，驱动钢筋夹具，使加热后的高强钢筋端头互相挤压，高强钢筋镦粗成蒜头状端部，填满钢套管的蒜头状空腔。完成高强钢筋机械连接的实施。

图2　镦头式套管机械连接操作示意图1-高强钢筋2-钢套管3-套管夹具4-钢筋夹具5-电极加热系统1-2-电极

2.1.3连接技术的优点与现有技术相比，本创新设计具有以下优点：（1）所采用的高强钢筋的镦头式套管机械连接，构造简洁，构件尺寸小，节约材料。（2）高强钢筋端部加热镦粗，承载力不发生削弱，并且钢筋的镦粗部分与平直部分自然过渡，不存在应力集中的情况，利于构件传力，该机械连接的承载力性能优良。（3）基于仿生学原理，本发明的高强钢筋端部加热镦粗成蒜头状，充分填充了钢套管的蒜头状空腔，构件之间无间隙，故而不存在构件间松动的现象，传递轴向拉力、轴向压力和弯矩的性能都很好。（4）钢套管的蒜头状空腔尺寸很大，钢筋加热镦粗前能够自由安装，钢筋加热镦粗后都能填满钢套管的空腔，故而高强钢筋端部的原始尺寸误差和形状误差等不利因素都不会对机械连接的性能形成负面影响。相应地减少了对高强钢筋端部存在尺寸误差和形状误差时而采取的预处理工序。

2.2锥楔式套管接头机械连接技术

2.2.1创新设计的原因由于高强钢筋的承载力增大，对套管的承载力要求也相应提高。继续采用传统的冷挤压套管连接接头，通过液压夹具挤压套管使其产生塑性变形，则有两种可能：一是若套管采用较低强度的钢材，则套管尺寸会很大；二是若套管采用高强度钢材，冷挤压产生塑性变形的操作困难且塑性变形后易存在质量问题。采用直螺纹连接接头，则存在剥肋、制作螺纹等繁琐的操作工序，并且存在高强钢筋截面削弱受损的情况，从而影响承载力。

为了解决上述的问题，项目组创新设计了一种高强钢筋机械连接的锥楔式套管接头，所述的机械连接接头设有带肋钢筋、锥楔形衬管和钢套管［3］。所述的锥楔形衬管设有槽口，所述钢套管对称设有喇叭口和阶梯形倒齿，如图3所示。

图3　锥楔式套管接头的剖面示意图1-带肋钢筋2-锥楔形衬管3-钢套管

2.2.2连接技术的实施步骤本创新设计的高强钢筋机械连接的锥楔式套管接头的实施方法，包括以下步骤：

步骤一：将锥楔形衬管2套在带肋钢筋1上，并用专用老虎钳挤压锥楔形衬管2，产生环向变形，使其槽口变小，锥楔形衬管2与带肋钢筋1初步形成一体。

步骤二：对称地安置锥楔形衬管2到钢套管3的喇叭口中，并使得锥楔形衬管2与阶梯形倒齿接触，进行初步定位，如图4所示。

图4　锥楔式套管接头初步定位的示意图

步骤三：对称顶压锥楔形衬管2的端部，使锥楔形衬管2发生足够的折皱状塑性变形，产生与阶梯形倒齿相吻合的凸齿，同时在挤压力的作用下，带肋钢筋1上的肋条嵌入锥楔形衬管2的内壁，通过控制锥楔形衬管2端部的顶压力，完成机械连接钢筋接头的实施。

2.2.3连接技术的优点与现有技术相比，本创新设计具有以下优点：（1）高强钢筋机械连接接头，套管采用高强度钢材，结构尺寸小，节约材料。（2）接头无需对高强钢筋的端头进行剥肋、制作螺纹等加工处理，也无需对钢套管进行冷挤压而产生塑性变形，仅需对锥楔形衬管进行轴向挤压，操作简便。（3）接头采用高强度钢材的钢套管，在挤压施工中仅发生弹性变形；低强度钢材的锥楔形衬管发生折皱状塑性变形，形成凸齿，与钢套管内的阶梯形倒齿锁紧，可产生足够的握裹力和摩擦力，并且钢套管沿环向均匀受力，使得高强钢筋的机械连接接头传力性能优良。（4）钢套管上的阶梯形倒齿和锥楔形衬管上所形成的凸齿，皆具有齿根截面大的特点，从而能承受更大的轴向拉压应力。并且在拉压作用下，阶梯形倒齿皆能产生较大的斜向挤压力，使锥楔形衬管紧紧握裹带肋钢筋，使机械连接接头的连接状态更为紧密，传力性能优良。

3　设计参数的ANSYS分析

3.1ANSYS分析模块简介

为了对高强钢筋机械连接接头的设计参数进一步优化，编制ANSYS有限元分析命令流，可以进行系列化的研究。主要编制模块包括：初始化模块→进入前处理模块→创建高强钢筋几何模型→创建钢筋套筒几何模型→进入求解模块→进入通用后处理器模块。ANSYS有限元分析的应力云图（见图5），可用于查询最不利部位，以便改进设计参数。

图5　ANSYS分析的应力云图

ANSYS有限元分析的“初始化模块”和“进入前处理模块”的命令流如下所示：

！*********（1）初始化模块*******

finish

/clear，nostart！清除数据

/title，Analyzing the connections of fine-grained bars！定义文件名

*SET，DD，25！定义钢筋公称直径25MM

*SET，SHL，200！定义钢筋长度200MM

*SET，SLS，20！定义钢筋接头处间隙长度20MM

*SET，D1，25！定义钢筋套筒内径25MM

*SET，D2，36！定义钢筋套筒外径36MM

*SET，THL，100！定义钢筋套筒长度100MM

*SET，CC，18！定义钢筋沿圆周划分数

*SET，RR，4！定义钢筋沿半径划分段数

*SET，timm，20！定义划分单元个数

*SET，timmt，10！定义划分单元个数

*SET，FCR，300000！定义荷载大小

！***（2）进入前处理模块**************

/prep7

ET，1，BEAM188！定义高强钢筋为三维塑性梁单元

ET，2，BEAM188！定义钢筋套筒为三维塑性梁单元

R，1，！定义梁单元实常数

MPTEMP，1，0！定义高强钢筋材料1

MP，EX，1，2.0E5！定义材料1弹性模量

MP，PRXY，1，0.3！定义材料1泊松比

SECTYPE，1，BEAM，CSOLID！定义截面为圆形

SECDATA，DD/2，CC，RR！定义截面几何特性

MP，EX，2，2.0E5！定义材料2弹性模量

MP，PRXY，2，0.27！定义材料2泊松比

SECTYPE，2，BEAM，CTUBE！定义截面为圆环形

SECDATA，D1/2，D2/2，CC，RR，0，0，0，0，0，0，0，0！定义截面几何特性

3.2分析结果

采用ANSYS命令流程序，系列化分析直径为25mm、28mm、32mm和40mm的高强钢筋机械连接，同时修改钢套管的几何尺寸设计参数，主要获得以下结论：（1）镦头式套管机械连接承载力性能优良，受力均匀，应力最大位置处于钢筋镦粗的蒜头状球面与圆柱分界线上，蒜头状球段的承载力略大于钢筋母体，调整钢套管的壁厚，可使钢套管不先于钢筋破坏，从而确保该种机械连接的传力性能。（2）锥楔式套管接头机械连接传力性能良好，应力最大位置处于钢套管上的阶梯形倒齿和锥楔形衬管上的凸齿接触位置，调整锥楔的角度为25°～35°时，最利于连接接头传力。

4　结语

本项目创新设计的两种机械连接接头，镦头式套管机械连接接头和锥楔式套管机械连接接头，并采用ANSYS有限元建模分析，优化了相关设计参数，可以实现有效的结构传力，消除现有钢筋机械连接技术的一些缺陷，为推广应用高强钢筋奠定良好的基础。

参考文献：

［1］施可夫.高强钢筋发展应用及局限性研究［J］.福建建材，2012（2）：28-30.

［2］周桂香.一种高强钢筋的镦头式套管机械连接.中国，201520838965.8［P］.2016-03-02.

［3］周桂香.一种高强钢筋机械连接的锥楔式套管接头.中国，201520838882.9［P］.2016-02-24.

（责任编辑刘红）

中图分类号：TU74

文献标志码：A

文章编号：1671-0142（2016）03-0055-04

作者简介：周桂香（1965-），女，江苏泰兴人，副教授，高级工程师.

基金项目：江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目（201512106009Y，项目主持人：周桂香）；泰州市科技支撑计划（社会发展）项目（TS002，项目主持人：周桂香）；泰州职业技术学院2015年度科研项目（TZYKY-15-16，项目主持人：周桂香）.

Study on Innovative Design of Mechanical Splicing of High Strength Bare

ZHOU Gui—xiang,JIANG Feng—chang,CAO Zi—ang,CHENG Yue—dong,ZHU Heng—qi
（Taizhou Polytechnic College，Taizhou Jiangsu 225300，China）

Abstract:ract:Based on the study of the crude reinforced connection technology at present，two new connections for high strength bars，upset head casing connection and taper wedge sleeve connection，have been worked out by innovative design so that some flaws of the existed connection technology can be conquered.The connection performance of high strength bars can be enhanced to reduce material consumption by using ANSYS finite element analysis，and good condition can be provided for widely using high strength bars.

Key words:ds:high strength bars；connection；innovative design