预制和现浇混凝土构件间的钢筋搭接连接试验

殷承诺，徐 帅，孟凡林，李兆杰

吉林建筑大学 土木工程学院,长春 130118

0 引言

我国装配式建筑市场发展潜力巨大,装配式混凝土剪力墙结构具有抗侧刚度大、承载能力强、室内空间规整的优势,成为我国预制混凝土结构民用住宅中应用最为广泛的结构形式之一[1].构件间的节点连接技术是装配式建筑的关键技术.在现有的装配式混凝土剪力墙结构中,主要是用套筒灌浆连接技术和约束浆锚连接技术来实现上下层墙体连接.约束浆锚连接是预制构件的钢筋和连接插筋相互错开,被灌浆料包裹形成连接,也被称为“非接触搭接”.Sagan等[2]人完成了钢筋的非接触搭接在反复非弹性拉伸荷载作用下的试验,得出钢筋的非接触搭接比接触搭接能承受更多的非弹性荷载.姜洪斌等[3]人研究了插入式预留孔灌浆钢筋搭接连接性能,给出纵筋配有螺旋箍筋的搭接长度计算方法.马军卫等[4]人对约束浆锚搭接连接试件进行了单向拉伸和高应力反复拉压试验,得出搭接长度理论公式.孟凡林等[5]人以钢筋直径和搭接长度为参数设计制作了16个孔洞内灌入混凝土的预制混凝土钢筋搭接连接构件,进行单向拉拔试验,搭接长度取1.6倍锚固长度,既可满足设计要求.本文对10个带有灌浆孔的预制混凝土构件和后浇混凝土钢筋间的搭接试件进行单向拉伸试验，考虑到钢筋搭接长度按搭接钢筋接头率100 %取1.6倍锚固长度会有富余,故本试验的钢筋搭接长度取锚固长度和1.2倍锚固长度,得出更合理的搭接长度取值.

1 试验概况

1.1 钢筋搭接连接试验设计

为验证灌芯装配式混凝土剪力墙预制和现浇混凝土构件间的钢筋搭接连接方法的可行性,按照混凝土规范[6],取锚固长度为本试验试件的钢筋搭接连接长度,设计并制作了2组钢筋搭接连接试件,分别用SJ1和SJ2表示.SJ1和SJ2组试件的连接钢筋直径分别为10 mm,14 mm.SJ1组试件的钢筋搭接长度取的是锚固长度,SJ2组试件的钢筋搭接长度取的是1.2倍锚固长度.由计算得SJ1,SJ2试件的搭接长度分别为210 mm, 355 mm.试件共计10个(依次后缀编号为1,2,3,4,5),钢筋搭接试验试件尺寸和SJ2试件设计图见表1和图1.所有试件的孔洞直径为89 mm,采用C30混凝土浇筑,试件所用钢筋均为HRB400级钢筋.

表1 钢筋搭接试验试件尺寸Table 1 Dimensions of steel bar lap test specimens (mm)

图1 试验试件设计图(SJ2)Fig.1 Design drawing of test specimen(SJ2)

试件制作方法相同,首先预制带灌浆孔的混凝土试件,待预制试件混凝土达到设计强度后,插入连接钢筋并灌孔浇筑混凝土,振捣密实,然后继续养护至混凝土强度达到要求,完成试件制作.

1.2 连接钢筋搭接长度计算

本试验采用的钢筋连接方式是连接钢筋插入预制构件的空心孔洞中，连接钢筋和预制构件的竖向钢筋之间会留有一定的间距，属于非接触搭接，我国规范对此并没有明确的构造要求，因此搭接长度计算按照《混凝土结构设计规范》[6]取值.根据第8.3条的要求，受拉钢筋的基本锚固长度：

式中，fy为钢筋抗拉强度设计值，N/mm2；ft为混凝土轴心抗拉强度设计值，N/mm2；d为锚固钢筋直径，mm；α为锚固钢筋的外形系数. 计算C10，C14钢筋的基本锚固长度lab分别为352 mm，493 mm.

受拉钢筋的锚固长度：

la=ζalab

式中,ζa为锚固长度修正系数，ζa=1.0.规范要求当纵向受拉普通钢筋末端采用弯钩时，锚固长度(投影长度)可取为基本锚固长度lab的 60 %，故C10，C14钢筋的锚固长度为210 mm，294 mm.

根据混凝土规范8.4条，纵向受拉钢筋的搭接长度要考虑连接区段内的钢筋搭接接头面积百分率，纵向受拉钢筋搭接长度：

ll=ζlla

式中,ζl为纵向受拉钢筋搭接长度修正系数，本试验的钢筋搭接接头率为100 %，ζl取1.6. 故纵向受拉钢筋搭接长度取1.6倍锚固长度.

SJ1组试件的搭接钢筋直径是10 mm,SJ2组试件的搭接钢筋直径为14 mm.SJ1组试件的钢筋搭接长度取的是锚固长度,SJ2组试件的钢筋搭接长度取的是1.2倍锚固长度. 若能满足设计要求,则无需按搭接钢筋接头率100 %取1.6倍锚固长度. 由计算得SJ1～SJ2试件的搭接长度分别为210 mm,355 mm.

1.3 材料性能

按《混凝土结构试验方法标准》[7]测得预制试件SJ1,SJ2的混凝土立方体抗压强度平均值为49.6 MPa和31.9 MPa,第二次浇筑的混凝土立方体抗压强度平均值为42.9 MPa和29.0 MPa.钢筋的材性实测值取测试结果的平均值,见表2.

表2 钢筋强度实测值Table 2 Measured strengths of reinforcements (MPa)

1.4 试验方案

为了有效测试钢筋搭接试件中搭接钢筋与灌芯混凝土的粘结滑移关系,采用单轴拉伸试验装置.将试件两端伸出的2根钢筋分别与直径20 mm的螺杆焊接固定,通过转换装置和试验机的夹头连接，并在连接装置中设置半球铰,保证试件受轴向拉力作用.单轴拉伸试验装置见图2.本试验采用位移加载方式,位移控制速率设定为1 mm/min.荷载和钢筋的变形与滑移分别采用荷载传感器以及LVDT位移传感器进行测量.所有试件的LVDT标距均为150 mm.灌芯混凝土和钢筋是否出现滑移和拔出通过试验记录曲线和目测观察确定,当滑移量较大或钢筋被拉断时终止试验.

(a) SJ1试件 (b) SJ2试件图2 钢筋拉伸试验装置及试件Fig.2 Rebar tensile test device and specimen

2 试验现象及结果

2.1 试验现象

2.1.1 SJ1组试验现象和过程

根据试验观察,SJ1组中各试件的连接破坏形式相同,连接破坏的标志是试件钢筋达到屈服,在加载过程中灌芯混凝土未发现明显的拔出和滑移.如图3(a)所示,在加载初期连接钢筋的荷载-位移曲线为线性;随着荷载增加,曲线开始出现软化,钢筋屈服,随后试件端部钢筋附近出现裂缝;荷载继续增加,试件端部裂缝逐渐发展为楔形裂缝;达到峰值荷载后曲线下降直至钢筋被拉断,此时试件端部连接钢筋附近混凝土形成楔形块体,试件混凝土表面其他部位均无裂缝产生.

2.1.2 SJ2组试验现象和过程

根据试验观察,SJ2组中5个试件的连接破坏形式相同,均为连接钢筋屈服.在加载初期,各试件的荷载-位移曲线显示出线性变化;随着荷载增加,曲线出现软化现象,钢筋开始屈服,连接钢筋与灌芯混凝土之间以及灌芯混凝土与周边混凝土之间均未见明显的相对滑移,试件上下方连接钢筋附近出现楔形裂缝,距离试件上、下端部出现水平裂缝,试件端部中心线处出现竖向裂缝并向试件中部延伸;荷载继续增加,在试件侧面的两钢筋中间位置出现竖向裂缝;随着荷载继续增加,曲线上升速度减慢,水平和竖向裂缝宽度快速增大,部分试件的上方和下方出现细小斜裂缝.试验终止时,SJ2-2,SJ2-3和SJ2-4试件的连接钢筋被拉断;SJ2-1,SJ2-5试件分别因连接钢筋位置严重偏离试件中心线和一侧钢筋间距过大而导致试件一端钢筋拉出.由于SJ2组试件混凝土强度明显低于其他组试件,加载过程中试件表面混凝土裂缝出现较多,且裂缝宽度发展较快.SJ2-3的试件破坏形态图和试件连接钢筋荷载-位移曲线如图3(b)所示.

(a) SJ1-3试件 (b) SJ2-3试件图3 试件破坏形态和试件连接钢筋荷载-位移曲线Fig.3 The failure mode of the test piece and the load-average deformation curve of the connecting steel bar of the test piece

2.2 试验结果及分析

连接试件的试验结果及破坏模式见表3.表3中的连接破坏荷载指连接件钢筋屈服或灌芯混凝土滑移时试件的钢筋拉力合力;峰值荷载指试验过程中荷载达到最大值时的钢筋拉力合力.试件连接钢筋荷载-位移曲线如图3所示,图中试件上、下方连接钢筋的变形分别为试件上方钢筋变形的试验平均值和试件下方钢筋变形的试验平均值;荷载为试件上、下方钢筋的合力.

表3 各试件试验结果Table 3 Test results of specimen

SJ1组中各试件的连接破坏形式均为连接钢筋屈服,钢筋屈服时灌芯混凝土和连接钢筋均未发现拔出和滑移现象. SJ2组试件搭接长度取的是1.2倍锚固长度,钢筋屈服时混凝土和钢筋均未拔出和滑移,满足设计要求.SJ2组的预制试件混凝土强度和后浇灌芯混凝土强度均低于C30,与SJ1组试件相比,SJ2组试件破坏时试件混凝土开裂情况较严重,主要是由于SJ2组试件混凝土强度偏低造成的.

所有试件出现纵向裂缝的原因是试件的搭接钢筋在受拉时将拉力传递到后浇的混凝土和预制构件中,由于混凝土的抗拉强度较低,所以20 mm的混凝土保护层厚度无法对混凝土起到很好的约束效果,试件两端的端头就会出现劈裂,形成明显的楔形裂缝.纵筋进入屈服阶段以后,随着荷载的增加,试件的变形较大,陆续产生纵向裂缝.

3 结论

本文根据不同钢筋直径、不同搭接长度等因素完成了2组10个试件的搭接连接试验,通过连接试件的拉伸试验确定灌芯装配式混凝土剪力墙预制和现浇混凝土中钢筋之间的搭接性能.试验结果表明:

(1) SJ1,SJ2组试件的破坏为受拉钢筋屈服,两组试件中预制构件和现浇混凝土之间未产生相对滑移而破坏.

(2) 本搭接连接试验中,直径为10 mm的竖向钢筋的搭接长度取锚固长度能满足设计要求, 直径为14mm的钢筋伸入灌芯孔内的搭接长度取1.2倍的锚固长度能满足设计要求.

(3) 按此连接方式,钢筋的搭接长度按搭接钢筋接头率100 %取1.6倍锚固长度是有富余的,钢筋的搭接长度取1.2倍锚固长度,连接性足以满足设计要求.