钢筋浆锚对接技术可行性试验研究*

郭正兴，徐睿妮，朱张峰，张 军，陈耀钢

(1.东南大学土木工程学院，江苏 南京 211189； 2.南京工业大学土木工程学院，江苏 南京 211816； 3.江苏中南建筑产业集团有限责任公司，江苏 南通 226124)

0 引言

目前，我国大力推广预制装配式混凝土结构，该结构具有工业化程度高、节省材料、污染小、施工便利、建造周期短、投资回收快等优点，是新型建筑工业化发展的方向[1]。该结构竖向钢筋连接方式主要有2种：①钢筋套筒灌浆连接 指在预制构件内的预埋金属套筒中插入钢筋，并灌注水泥基灌浆料从而实现钢筋对接[2]；②钢筋浆锚搭接连接 指向预制混凝土构件中预留孔道内插入需搭接的钢筋，并灌注水泥基灌浆料，多用于墙板结构中[3]。

预制构件主要受力筋的可靠连接是保证装配式混凝土结构具有良好抗震性能的关键，也是该结构能否被推广应用的关键。在有关钢筋套筒连接的研究中，秦珩等[4]指出影响连接质量的关键因素包括接头性能和套筒质量、钢筋和套筒的定位精度等。郑永峰等[5]提出一种新型GDPS灌浆套筒，并验证了该套筒的可行性，推导出钢筋黏结承载力计算经验公式。Henin等[6]设计制作一种新型灌浆套筒，管壁内表面布有螺纹，通过单向拉伸试验研究该钢筋套筒灌浆连接的承载力。王东辉等[7]分别对日本东京铁钢梁式套筒和柱式套筒进行承载力试验，探究套筒和钢筋直径大小对该接头承载力的影响。Sayadi等[8]通过对GFRP套筒灌浆连接接头进行单向拉伸试验，研究钢筋与灌浆料的机械咬合作用。

关于钢筋浆锚搭接连接的研究中，Kemp等[9]进行了有无箍筋对搭接强度影响的对比试验，结果表明黏结强度随箍筋个数的增加而增大。姜洪斌等[10]提出插入式预留孔浆锚搭接连接，通过对连接试件进行单向拉伸试验，证明其具备可靠的连接性能。尹齐等[11]为研究预埋波纹管浆锚搭接节点的性能，对浆锚试件进行连续加载的抗拔试验，证明该连接性能可靠。刘家彬等[12]提出在波纹管浆锚约束的基础上增配矩形螺旋箍筋，试验结果表明试件破坏形态与现浇试件基本相同，位移延性满足抗震要求。余琼等[13]提出一种套筒约束浆锚搭接接头，并研究该搭接接头的连接性能，建议该接头搭接长度应为12.5倍的钢筋直径。

为综合钢筋套筒灌浆对接连接性能的优势和波纹管浆锚搭接施工的便利性，提出一种施工相对简便、成本相对较低的金属波纹管留孔钢筋浆锚对接连接方法，为验证其可行性，设计制作一系列对拉试件，对其接头传力性能进行试验研究。

1 试验概况

1.1 试件设计

金属波纹管留孔钢筋浆锚对接试件设计如图1所示。对接连接钢筋采用镦头形式，可减小钢筋锚固长度，节约材料；采用金属波纹管留孔，成孔方便，造价低廉；两边镦头间留有间隙以便充分灌浆；波纹管外侧设置帮条钢筋与螺旋筋点焊成的钢筋笼，提高接头性能，便于工厂化制作。

图1 试件设计

考虑锚固长度和混凝土强度对试件受力性能的影响，共设计6组金属波纹管留孔钢筋浆锚对接试件，每组制作3个相同规格试件，试件编号及对应参数如表1所示。表中试件按混凝土强度-浆锚长度-相同规格试件序号(a/b/c)进行编号，如C30-20d-a，表示混凝土强度等级为C30，锚固长度为20倍钢筋直径的试件，序号为a。

表1 试件设计参数

1.2 材料性能

通过材料性能试验测得高强无收缩水泥灌浆料棱柱体标准试块抗压强度为91MPa；C30，C40混凝土立方体抗压强度平均值分别为36，48MPa；HRB400级钢筋基本力学指标如表2所示。

表2 钢筋力学参数

1.3 加载装置及加载方案

采用最大载荷为1 000kN的MTS疲劳机对试件进行对拉连续加载，加载装置如图2所示。加载速度为0.1kN/s，屈服后加载速度减缓；出现外部钢筋拔断或混凝土部分断裂、荷载快速下降等情况时，立即停止加载。

图2 加载装置

2 试验结果

试件的破坏模式主要有带镦头连接钢筋外部拉断破坏和试件混凝土部分及帮条钢筋被拉断2种，如图3所示。

图3 试件破坏模式

1)镦头钢筋拉断破坏 钢筋锚固长度满足黏结力要求，帮条钢筋与混凝土黏结充分，有效传力，当试件所受荷载持续增加，镦头钢筋逐渐屈服并发生颈缩现象，钢筋拉断破坏。

2)混凝土部分及帮条钢筋拉断破坏 断裂发生在中部横向裂缝处，随着荷载持续增加，试件中部横向裂缝进一步扩展，裂缝宽度增大。由于镦头钢筋对拉连接，中部缺乏连接钢筋，依靠周围帮条钢筋传力，在接近镦头钢筋极限拉力时，帮条钢筋一侧与混凝土黏结失效，进而混凝土部分迅速断裂，混凝土块崩落。

3 试验结果分析

3.1 荷载-位移曲线

C30-30d-a/b/c 3个试件加载过程中的荷载-位移曲线如图4所示，其中横坐标为试验机两头夹具间的相对位移，纵坐标为施加于两端连接钢筋上的拉力。

图4 试件荷载-位移曲线

由图4可知，试件为外部钢筋断裂破坏时，C30-30d-b曲线形状与单根钢筋拉伸的荷载-位移曲线类似，可分为4个阶段。第1阶段为初始上升阶段，试件刚度较大，荷载和位移基本呈线性关系，钢筋与灌浆料间相互挤压，四周帮条有效传力，试件中部开始出现横向裂缝；第2阶段为钢筋屈服阶段；第3阶段为钢筋强化阶段，该阶段钢筋与灌浆料间充分挤压；第4阶段为钢筋颈缩破坏阶段。当试件为连接件混凝土部分拉断破坏时，C30-30d-a曲线的第1个上升段和屈服段与外部钢筋断裂破坏时的曲线类似，进入强化阶段后，由于帮条钢筋锚固长度不足，黏结长度不足，接近镦头钢筋极限荷载前，帮条钢筋与混凝土黏结界面失效，混凝土和灌浆料在中部对接处断裂，帮条钢筋被拉出，荷载迅速下降。

3.2 破坏模式和极限荷载分析

统计不同规格试件的破坏模式、对应极限荷载及连接钢筋平均黏结应力等，如表3所示。表中平均黏结应力计算公式[14]为：

表3 试件破坏模式与极限荷载统计

(1)

式中：τ为钢筋混凝土平均黏结应力；F为拉拔极限荷载；d为钢筋直径；l为有效黏结长度。

由表3可知，在同等混凝土强度等级下，随着浆锚长度的增加，试件破坏模式逐渐从混凝土中部拉断转变为外部钢筋母材拉断，钢筋平均黏结应力减小，在C40试件中该特征表现明显，原因是浆锚长度增加，对接钢筋的锚固能力增强，同时帮条钢筋与混凝土的黏结长度增加，在试件中部的传力效果表现更佳，最终实现试件断于对接钢筋母材。当试件破坏形式为钢筋外部拉断破坏时，试件承载力近似相等，均为单根钢筋抗拉承载力，帮条钢筋充分发挥黏结作用，在两端钢筋间起桥接功能；当试件为混凝土部分拉断破坏时，试件承载力由帮条钢筋与混凝土间的黏结力及帮条钢筋抗拉承载力中的交小值决定，随着中部混凝土及灌浆料的断裂，帮条钢筋从试件半边滑移脱出或发生断裂破坏。

同等浆锚长度条件下，采用更高强度等级混凝土能改善对接试件受力性能，如C30-20d-c为混凝土中部拉断破坏，采用相等浆锚长度的C40试件则实现了试件断于钢筋母材的要求。由于试验的离散性和制作过程中的误差，个别试件如C30-30d-a表现为有悖于试验结果规律的破坏形态，此处不予考虑。

4 结语

针对新型金属波纹管留孔钢筋浆锚对接连接方式开展对拉试验，得到以下结论。

1)该新型浆锚对接连接方式具有良好的受力性能，试件可实现断于母材的要求，可为采用此连接方式的装配式混凝土剪力墙连接性能试验提供基础。

2)对于φ12对接镦头钢筋，在混凝土强度等级为C30、钢筋浆锚长度≥25d，或混凝土强度等级为C40、钢筋浆锚长度≥20d的条件下，可达到试件断于外部母材的目标。

3)应用于更大直径的钢筋对接时，可采取放大钢筋浆锚长度或提高混凝土强度的方法，也可考虑适当增加帮条钢筋数量或增大帮条钢筋截面积。