大直径钢筋浆锚搭接连接试验研究

马卫华，孙亚东，张清晨，李平 （哈尔滨市市政工程设计院有限公司，黑龙江 哈尔滨 150070）

0 前言

预制混凝土结构由于其质量可靠、施工简单、施工场地要求较低、减少环境污染等特点成为近年来比较推崇的设计方向。预制混凝土结构不同于现浇混凝土结构，其关键在于结构部件之间的钢筋连接，钢筋搭接连接性能的基础就是钢筋的锚固性能。浆锚搭接连接就是在竖向结构底部范围内预留出竖向钢筋孔，孔内表面应存在螺纹状粗糙面，其周围配有横向约束的螺旋箍筋。竖向结构进行装配连接时，将下部结构预留钢筋伸入孔道内，通过灌浆孔注入灌浆料，直到排气孔中出现溢出的灌浆料时证明灌浆料可以停止注浆，当灌浆料强度逐渐增大，竖向结构与下部结构连接为整体。

姜洪斌分析了螺旋箍筋约束情况下纵筋搭接连接机理，给出了考虑螺旋箍筋配筋量的纵筋搭接长度设计计算方法。马军卫研究发现提高体积配筋率可以明显提高试件对钢筋的锚固性能。赵培以螺旋箍筋约束的钢筋搭接混凝土核心区为分析模型，综合考虑试验数据，给出了约束浆锚搭接连接设计计算方法和相应构造要求。胡成超发现混凝土强度等级的提高并不一定能提高GFRP筋的粘结强度，但粘结界面发生混凝土表面破坏时，提高混凝土强度可以有效提高GFRP筋的粘结强度。

浆锚搭接对连接结构主要依靠钢筋与灌浆料的粘结锚固以及钢筋之间的搭接传力，实现钢筋之间的连接。波纹管粗擦面可以提高灌浆料与周围混凝土的粘结强度，同时配置螺旋箍筋增加横向约束并加强钢筋的搭接连接性能。因此了解这种浆锚搭接连接性能，应选取钢筋直径及钢筋搭接长度为参数进行试验研究。

1 试验概况

1.1 试验设计

大直径钢筋浆锚搭接连接试验共设计6组试件，共18试验试件进行拉拔试验。试件尺寸均为180mm×180mm，预埋钢筋强度等级均为HRB400，预埋钢筋直径分别选取25mm、28mm，预埋波纹管内径70mm，螺旋箍筋强度等级为HPB300，螺旋箍筋直径为6mm，间距为40mm，试件两端100mm范围内设置为箍筋加密区，加密区箍筋间距为25mm。试件构造如图1～图2所示，试件参数见表1。

图1 试件构造图（单位：mm）

1.2 加载装置

本试验中特别制作了一个反力架用于荷载施加的实现。这个装置主要包含4根长2000mm的40cm精轧螺纹钢，螺纹钢下端锚固在地梁上；上端采用4道工字型钢梁作与精轧螺纹钢构成加载装置的主体；同高度的横梁间采用2cm厚八块开孔钢板作为横向连接构造，以增加加载架的整体稳定性和刚度。拉伸试件两端采用三叶型夹片式锚具进行连接，下端放置应力环，上部作为加载端放置50T液压千斤顶进行加载，并设置位移计。试验加载装置如图2所示。

大直径钢筋浆锚搭接连接试验参数表 表1

图2 试验加载装置图

1.3 材料性能

钢筋强度：实验用直径为25mm、28mm的HRB400级钢筋，钢筋力学性能见表2。试件的混凝土强度等级为C40，在浇筑混凝土时预留100×100×100mm试件，测得混凝土力学性能见表3。

钢筋力学性能 表2

混凝土力学性能 表3

1.4 加载方法

试验采取轴拉试验形式，在单向加载制度基础上，以钢筋屈服强度为极限加载控制值，并辅以钢筋拔出状态进行控制。单向拉伸性能是承受静载时的基本性能，本文试验加载设备采用50T液压式千斤顶，加载制度如下：单向0——0.2预加载——0——控制指标值。

1.5 测点布置

锚固段钢筋与张拉端钢筋贴片下料后首先进行长度配对编号，并在五分点位置共5点各贴一个应变片，测点粘贴方向为顺钢筋长度方向，沿钢筋长度方向引出；波纹管外侧、螺旋箍筋内侧钢筋为锚固钢筋，测点粘贴方向为顺钢筋长度方向，并垂直钢筋长度方向从试件表面引出。张拉端钢筋外露部分，锚固端外露部分各贴一个应变片，用于观测钢筋受力与千斤顶之间力传递的顺畅情况。

混凝土表面测点位于试件长度方向五分点位置位移计位于锚具上端，用以量测位移形成，并与加载应力结合，控制加载吨位。测点布置详图，如图3所示。

图3 张拉端与锚固段埋置端测点布置

2 试验结果及分析

2.1 典型试验现象

加载速率1T/min，对于D=25mm的HRB400钢筋，加载控制吨位为21T，对于D=28mm的HRB400钢筋，加载控制吨位为27T，荷载分十级进行均布加载。当达到加载控制吨位时，结合千斤顶出缸量程限制，停止加载，并持荷3min，观察裂缝开展情况。加载过程中观测钢筋是否拔出。

试验持荷后从裂缝开展情况看，裂缝基本垂直受力方向，裂缝延试件长度方向的分布基本均匀，呈等间距开裂趋势和现象，钢筋达到屈服应力且均未拔出。裂缝开展为典型的混凝土受拉形式。在第四级荷载84kN作用下，裂缝开始出现，第五级荷载105kN作用下，用裂缝宽度测试仪观测到裂缝开展。综合第四级荷载以后的数据和试验现象分析表明，裂缝在第四级荷载出现以后，随着荷载的增加，裂缝开始扩展，并产生新的裂缝。

第四级荷载作用下，40D试件实测裂缝值为0.12mm，40D试件在第十级荷载后最大裂缝缝宽达到0.36mm，并于卸载后恢复。40D锚固长度试件裂缝分布描绘如图4所示。各级荷载下裂缝宽度如图5所示。

图4 锚固长度40D试件试验图

图5 裂缝宽度测试曲线

2.2 应变试验结果

为了得到不同锚固长度下，混凝土、锚固钢筋及主拉钢筋应变与荷载的关系差异，以代表性荷载等级为例，一种是荷载等级较低的二级荷载，一种是荷载等级较高的十级荷载进行分析。

混凝土在荷载作用下的应变特性如图6～图7所示，混凝土应变在紧邻张拉端应力上升较快，远离张拉端应变上升缓慢；混凝土两侧应变在低级荷载作用下更接近于线性变化，在高级荷载作用下非线性变化有所加强，并且随着搭接长度的增加非线性变化更为显著。因为螺旋箍筋的存在，混凝土总体应变值均很小，均在1.0×10以内。

锚固钢筋在荷载作用下的应变特性如图8～图9所示，

锚固钢筋在低荷载作用下应变曲线斜率近似于线性变化，在高荷载作用下张拉端侧应变变化斜率较大，但在锚固端侧应变变化缓慢，应变变化斜率均随搭接长度的增大而减小。随着荷载等级的增大，锚固钢筋应变存在平台期，并且随着锚固长度的增大平台期增大。

张拉钢筋在荷载作用下的应变特性如图10～图11所示，张拉钢筋同锚固钢筋相似在低荷载作用下应变曲线斜率接近于线形变化，高荷载作用下非线性增强。无论在低荷载或高荷载情况下，钢筋中段应力变化较小，增大的应力被增大的结构锚固尺寸所抵消。

图6 二级荷载混凝土应变

图7 十级荷载混凝土应变

图8 二级荷载锚固钢筋应变

图9 十级荷载锚固钢筋应变

图10 二级荷载主拉钢筋应变

图11 十级荷载主拉钢筋应变

3 结语

通过对大直径钢筋浆锚搭接连接单向拉伸试验，得出以下结论：

①试验现象表明无论D=25mm的HRB400钢筋还是D=28mm的HRB400钢筋，达到加载控制吨位时，锚固钢筋与张力钢筋均未出现拔出情况，所有试验构件未出现受拉破坏、劈裂破坏及局部破损，说明钢筋锚固长度在35D～45D范围内，构件锚固长度均安全可靠；

②由于锚固筋、主拉钢筋在两端头应变比较大，建议应分别设置箍筋加密区。

在连接件单向拉伸试验分析下，大直径浆锚搭接连接方式具有良好的工作性能，可以为以后装配式结构连接方式设计提供新的理念。