钢套筒-螺栓-结构胶混合连接的钢筋性能研究

亢晋军，韩建强，2，唐江明，褚金亮，张欢鸾

(1.华北理工大学 建筑工程学院，河北 唐山 063210；2.河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063210；3.邯郸建工集团有限公司，河北 邯郸 056001)

引言

在我国，预制装配式建筑也曾短暂出现过一段时间，但当时由于社会生产力低下，装配式理论研究不足，建造技术落后，加之中国地震灾害频发，只要有地震发生的地方，建造的装配式房屋均无法抵抗地震的作用而发生坍塌。如1976年唐山大地震[1]和2008年汶川大地震均造成了大批人员遇难与不可估量的国民经济损失[2-3]。

究其根本原因，是因为装配结构的节点连接方式不够牢固，未能表现出良好的抗震性能，国内外学者也进行了相关的抗震耗能的研究[4]。装配式结构中钢筋连接的方式主要有2种：套筒灌浆连接与约束浆锚连接[5]。以中国建筑科学研究院吴广彬等[6]人为代表的套筒灌浆研究，对115个锚固在混凝土中的预埋件钢筋进行拉拔破坏试验，最终试验结果证明：带锚固板的钢筋的锚固性能明显优于同条件下不带锚固板的钢筋。并可以大幅减少钢筋在混凝土中的锚固长度，达到在实际工程中减少钢筋浪费的目的。姜洪斌、张海顺等[7]研究了81个不同钢筋锚固长度的构件，对所有构件进行拉伸加载破坏。结果表明，全部构件的破坏形态均为钢筋屈服产生颈缩现象或者钢筋自身被拉断。

美国的Jirsa等[8]对18个钢筋套筒灌浆连接的试件做了拉伸试验，研究出套筒灌浆连接的受力模型，为灌浆套筒的设计提供了坚实的理论分析。后藤幸正[9]采用特殊方法通过拔出试验揭示了变形钢筋与混凝土通过机械咬合作用传递应力的机理，他的做法是在试件预留的孔道中压注红墨水，混凝土开裂后，红墨水进入各条缝隙，卸载后，将试件剖开，可以清晰地看到裂缝开展的情况以及裂缝的形状。

1钢套筒-螺栓-结构胶连接钢筋的设计原理

借鉴预制装配式结构中钢筋的套筒灌浆连接方式，探究出一种新型的、便于实际施工的“钢套筒-螺栓-结构胶”混合连接的钢筋接头形式。首先通过有限元模拟软件ABAQUS，模拟试验过程，如下图1所示，进行数据分析，进而不断改进完善试验接头设计。然后通过试验，进一步验证接头连接可靠性。本试验分别以螺栓个数和套筒长度为变化参数，设计相互对照组进行对比研究。且按照规范要求，对每组试件进行单向拉伸破坏试验，测量其残余变形值和最大力下总伸长率。通过分析对比，为这种新型的连接方式提供设计建议。

图1 试件模型

1.1 接头连接的受力要求

图2所示为接头传力受力图

图2 接头传力示意图

钢筋连接保证接头强度的要求，实质上就是保证区段L的传递钢筋受力的能力。在钢筋接头单向受拉过程中，在接头一侧施加拉力1，该力通过连接区段L后，将被传递到右侧钢筋上，此时测得右侧钢筋上的拉力2，且关系式拉力1等于拉力2成立。随后增大拉力1至钢筋的屈服强度fy，乃至极限抗拉强度fu，上述关系式将始终成立。

参照钢筋灌浆套筒的连接形式，发现接头因强度破坏形态主要有以下3种：钢筋被拉断、连接钢筋用的套筒破坏以及钢筋锚固不实，致使钢筋连同结构胶一起从套筒内拔出。一般情况下，理想的破坏形式是钢筋在接头外部被拉断，即拉断处位于钢筋外露位置上，而非接头或接头内部，这就要求钢套筒的强度高于钢筋的强度。

(1)

1.2 接头连接的刚度变形要求

图3所示为钢筋连接接头的变形。

图3 钢筋连接接头的变形

图3所示总距离L1为接头在单向拉伸试验下，变形量测量的标距。

L1=L+4d

(2)

式中：

L—钢筋连接接头长度，mm；

d—钢筋公称直径，mm。

ΔLa为套筒外钢筋的形变，随着拉力的不断增大，产生的形变会由弹性变形、非弹性变形及塑性残余变形组成。

ΔLb为套筒内部钢筋的形变，由于套筒内部的钢筋与粘钢结构胶存在机械咬合作用及粘结作用，所以钢筋上的应力由外侧向内测逐渐减弱，直至钢筋内部端头，应力为零。由此推断，套筒内部的钢筋形变规律与应力分布规律相同，由外侧向内部端部钢筋的形变越来越小。

ΔLc为连接套筒的形变，套筒内带环形丝扣，通过与粘钢结构胶的接触来传递钢筋拉力，因此会产生伸长形变。且套筒的受力正好与所连接钢筋的受力相反，呈现出套筒中部受力最大，而向两端逐渐减少，最终减小为零。但套筒的变形计算原理困难，不易直接得出结果，但其形变与钢筋形变相协调，最终套筒的变形量可由钢筋推导。

2钢套筒-螺栓-结构胶连接钢筋的力学性能试验

试验从装配式结构中钢筋套筒连接的方式出发，拟探讨一种新型、实用的“钢套筒-螺栓-结构胶混合连接钢筋”的接头形式，用于工程上3级钢的连接。根据钢筋连接的相关规范，对连接接头进行单向拉伸的型式检验。研究套筒长度及螺栓个数对连接强度及接头变形的影响，最终确定该接头的设计方法及相关设计参数。

2.1 试验材料准备

(1)套筒

套筒采用45号优质碳素结构钢，其规范力学性能见下表1。

表1 45号钢力学性能

(2)钢筋

钢筋采用公称直径为14 mm的HRB400级钢筋。在实验前，参照《钢筋混凝土用钢 第二部分：热轧带肋钢筋》标准[10]，对钢筋进行母材拉伸试验，结果如表2所示。

表2 钢筋母材力学性能

(3)螺栓

螺栓采用市场上常见的4.8级普通镀锌螺栓，螺栓杆直径为8 mm。其规范中力学性能如表3：

表3 4.8级螺栓力学性能

(4)粘钢结构胶

粘钢结构胶是A、B双组份环氧树脂胶粘剂，该胶可操作性好，常温固化不分层，不离析，不沉淀，触变性好，施工不流淌，可节省用胶量。固化后材料具有优良的机械连接性能，良好韧性的抗震及冲击能力，耐介质(酸、碱、盐)、耐老化等性能优异，该材料绿色环保不含有挥发性溶剂，安全无毒。相关力学性能参数如表4。

表4 结构胶力学性能参数

2.2 试件制作准备

(1)探讨套筒连接长度L对接头连接的影响

为探讨套筒连接长度L对接头连接的影响，分别设置了6组3种不同长度的套筒构件。依据理论计算可知，若要保证结构胶锚固直径14 mm的HRB400级钢筋，则需要套筒最短尺寸为210 mm，同时为研究套筒长度变化对构件的承载能力影响。分别选取套筒长度150 mm、210 mm以及250 mm，且套筒内径均为20 mm，外径均为30 mm。对每组试件均进行单向受拉试验，每组试件选取3个以防止单个试件试验出现偶然性。试验的每组情况如表5所示，螺栓开孔示意图如图4所示。

图4 不同套筒长度(150 mm、210 mm、250 mm)开孔(4个)示意图

表5 试件分组情况(按不同套筒长度L)

(2)探讨螺栓个数对接头连接的影响

为探讨套筒接头所用螺栓个数对于连强度的影响，分别设置了5组2类螺栓个数(4个、8个)的套筒构件。同样，对每组试件均进行单向受拉试验，分析螺栓个数对于套筒受力性能的影响。为保证试验合理性，防止出现单个试件的偶然性而对试验产生影响，每组试件为3个。

螺栓开孔总数为8的套筒(210 mm、250 mm)开孔示意图如图5所示。

图5 不同套筒长度(210 mm、250 mm)开孔(8个)示意图

试验的每组情况如表6所示。

表6 试件分组情况(按不同螺栓个数)

3钢套筒-螺栓-结构胶连接钢筋的性能试验结果分析

3.1 不同套筒长度(无螺栓)对钢筋连接性能的影响

图6所示为无螺栓作用构件“p-Δ”关系图。

理论分析中，结构胶的粘结应力为τ，钢筋直径为d，钢筋锚固总长度为I，连接试件抵抗外拉力最大值为F，则有公式：

F=τ×π×d×l

(3)

表示结构胶发挥粘结应力的折减系数。则公式变为：

F=ε×τ×π×d×l

(4)

将表6数据代入公式(4)中，可得ε1=0.30。

3.2 不同长度(4个螺栓)套筒的轴向抗拉性能

如图7所示为3组不同长度套筒(4个螺栓)连接钢筋构件的“承载力-位移”关系。

图6 无螺栓作用构件“p-Δ”关系图 图7 4个螺栓作用构件“p-Δ”关系图

由前述可知，ε表示粘钢结构胶发挥粘结应力的折减系数。现再引入螺栓对于承载力的影响系数a，用来表示单个螺栓对于承载力提高大小的程度。则有公式：

(5)

根据等式两侧列项相消等运算，求得粘钢结构胶填充厚度为3 mm时，对于结构胶发挥粘结应力的折减系数ε2=0.38。

3.3 不同长度(8个螺栓)套筒的轴向抗拉性能

图8所示为2组不同长度套筒(8个螺栓)连接钢筋构件的“承载力-位移”关系。

图8 8个螺栓作用构件“p-Δ”关系图

将表6数据代入公式(4)中，可得ε3=0.22。

综上所述，将测得ε1，ε2，ε3。取平均值：ε=0.30。即对于套筒外径30 mm(壁厚为5 mm)，粘钢结构胶的粘结抗剪极限承载力与钢筋(d=14mm)的锚固长度呈正相关线性关系。大致符合公式：

F=0.3×τ×π×d×l

(6)

3.4 不同螺栓个数(150 mm)套筒的轴向抗拉性能

本组试件中，连接的套筒长度均为150 mm，且构件达到极限承载力时的破坏形式相同，钢筋均未达到屈服应力，没有经过强化大变形阶段的脆性破坏。假定不考虑套筒上开孔对结构胶粘结能力的削弱作用，同无螺栓作用的构件相比，有螺栓作用构件承载力的提高因素，仅来自螺栓对钢筋的夹紧作用。

图9所示为150 mm套筒长构件“p-Δ”关系图。

图9 150 mm套筒长构件“p-Δ”关系图

代入公式(5)可得螺栓对于承载力的影响系数a1=0.81。

3.5 不同螺栓个数(210mm)套筒的轴向抗拉性能

图10所示为210 mm套筒长构件“p-Δ”关系图。

图10 210 mm套筒长构件“p-Δ”关系图

由图10可直观看出，随着螺栓个数的增加，构件极限承载力也在变大，0个和4个螺栓作用的套筒构件曲线形状较为一致，破坏形式均为脆性破坏，即钢筋未进入屈服阶段，8个螺栓作用下的套筒连接件钢筋屈服前的曲线形状同其它2条线段一致，当钢筋进入屈服阶段后，表现出良好的变形性能，承载能力继续提高。但强化阶段的受力未达到钢筋极限抗拉承载力。套筒两侧钢筋均未出现径缩现象。

由式(5)可以解得a2=0.76。

3.6 不同螺栓个数(250mm)套筒的轴向抗拉性能研究

图11所示为250 mm套筒长构件“p-Δ”关系图。

图11 250 mm套筒长构件“p-Δ”关系图

8个螺栓作用下的套筒连接构件承载力为90.05 kN，已经达到了钢筋的极限抗拉承载力。套筒一侧钢筋发生径缩现象，且最终破坏时钢筋未从套筒内拔出，只是在钢筋屈服后，套筒端部结构胶有轻微撕裂脱落现象，直至构件达到极限承载力时钢筋出现径缩现象，结构胶并未发生进一步破化。

由式(5)可以解得a3的值为0.72。

综上所述，将测得a1，a2，a3。取平均值：a=0.76。即对于套筒外径30 mm(壁厚为5 mm)的构件，螺栓作用下对于承载力的影响公式可以表示为：n为螺栓个数。

(7)

4结论

(1)粘钢结构胶提供的抗剪承载力方面：结构胶无法完全发挥理论计算的粘结抗剪承载力，故需要对抗剪承载力公式进行修正。则最终修正系数 。修正后的公式见式(6)。

(2)螺栓提供的抗剪承载力方面：若干双螺栓对称夹紧钢筋作用下，使构件的抗拉承载力有了明显的提升。最终修正系数a=0.76。修正后的公式见式(7)。

(3)无螺栓作用的灌胶套筒钢筋连接试件承受拉力作用时，由于制作缺陷导致钢筋存在偏心，进而产生附加弯矩，会削弱构件的承载能力，使构件承载力降低5%左右。

(4)试验对于钢套筒上开螺栓孔的位置及直径限制条件，均仅参考了钢板上开孔的限制要求，在试验过程中钢套筒并未在开孔的不利截面处发生净截面撕裂破坏。说明钢板开孔的限制条件对钢套筒是完全适用的，并存在一定的安全储备量，其开孔位置距离套筒端部的限值可进一步减小。