薄壁钢管与钢筋间的搭接连接试验研究

李兆杰，徐 帅，孟凡林，殷承诺

吉林建筑大学 土木工程学院,长春 130118

0 引言

目前,随着装配式建筑的大力推广和使用,装配式剪力墙结构及其对应的连接技术得到业内人士的广泛关注.在装配式剪力墙结构中,竖向钢筋的受力及其连接对剪力墙的整体质量和性能起着决定作用,国内外学者在这方面也做了诸多研究.目前,主要采用的有套筒灌浆连接[1]、浆锚搭接连接[2]和机械连接[3]等.基于薄壁钢管的装配式混凝土剪力墙[4-5]改变于灌芯装配式混凝土剪力墙[6]的制作工艺,在墙体的竖向连接方面,采用连接钢筋实现上下层之间的搭接连接,连接方便快捷.但就目前而言,国内外关于本文所设计的钢筋搭接连接方式并无相关的研究,为推广基于薄壁钢管的装配式混凝土剪力墙的实际应用,对这种节点连接的试验研究就很有必要.

1 试验方案

1.1 试验设计

本试验所采用的的钢筋搭接连接方式为锚固于薄壁钢管内的灌芯混凝土中的钢筋与薄壁钢管的间接搭接连接.试验共设计制作了3组试件,分别用SJ1，SJ2，SJ3表示,每组包括5个相同试件,SJ1组试件为对照组,SJ2，SJ3组试件为试验组,试件的几何尺寸和主要的试验参数见表1,具体的搭接形式如图1所示.

表1 钢筋连接试件的几何参数Table 1 Geometric parameters of steel bar connection specimens

(a) SJ1

(b) SJ2,SJ3

连接钢筋使用HRB400级钢筋,直径为10 mm和14 mm两种,钢筋的搭接长度按照《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010[7]中纵向受拉钢筋末端采用弯钩锚固措施时的锚固长度计算公式计算,即直径10 mm钢筋的搭接长度为210 mm,直径14 mm钢筋的搭接长度为294 mm.在制作试件时预留钢筋并按照《金属材料拉伸试验第一部分:室温试验方法》G/T228.1-20106[8]的规定测得钢筋的屈服强度,并计算出对应的屈服荷载:C10钢筋的屈服荷载为69.5 kN,C14钢筋的屈服荷载为146.5 kN.制作试件所采用的混凝土为C30;薄壁钢管为Q235B,氩弧焊直缝焊接,钢管壁厚为1.0 mm和2.0 mm两种.

1.2 加载制度和量测内容

采用单轴拉伸试验[9-10]对钢筋搭接连接性能进行试验研究,试验装置如图2所示.

(a) SJ1,SJ2 (b)SJ3图2 试验装置Fig.2 Test apparatus

试验时将试件两端外伸的2根钢筋分别与直径为20 mm的螺杆焊接,并通过转换装置与试验机的夹头连接.采用位移加载方式对搭接连接试件进行加载,位移控制速率设定为1 mm/min.试件上下端连接钢筋的合力使用荷载传感器测量,连接钢筋的变形和滑移使用LVDT测定.试验中,当发生下列情况之一时,视为发生连接破坏:

(1) 连接钢筋与周围混凝土之间发生滑移;

(2) 混凝土灌芯与薄壁钢管或周围混凝土之间发生滑移;

(3) 连接钢筋屈服.

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

由试验可知,SJ1组试件的破坏为连接钢筋屈服,整个试验过程中混凝土灌芯与周围混凝土未发生滑移;SJ2和SJ3组试件在发生连接破坏时,都是混凝土灌芯和薄壁钢管内壁之间发生滑移,并没有连接钢筋屈服或者连接钢筋与周围混凝土之间发生滑移的现象出现.试验结果及连接破坏形式见表2.

表2 钢筋搭接连接试验结果Table 2 Test results of steel lap joint

2.2 试件破坏形态及荷载-变形曲线

2.2.1 SJ1组试件

SJ1组试件在发生破坏时连接钢筋均屈服,试验的整个过程并未出现连接钢筋和混凝土灌芯与周围混凝土之间的滑移.本组试件的荷载-位移曲线如图3(a)所示,在加载初期,荷载-位移曲线呈线性,随着荷载增大,连接钢筋发生屈服,并在其周围出现裂缝;之后继续加载,裂缝的开展使得在连接钢筋周围逐渐形成楔形块体,达到峰值荷载后曲线下降直至钢筋被拉断,试件的破坏形态见图4(a).

2.2.2 SJ2组试件

根据试验观察,本组5个试件发生破坏时连接钢筋均未达到屈服,试件的破坏形式均为混凝土灌芯与薄壁钢管内壁之间的滑移破坏.其中,SJ2-3和SJ2-5试件的一端发生滑移,SJ2-1,SJ2-2和SJ2-4试件两端先后滑移.各试件发生滑移之前,钢筋的荷载-位移曲线呈线性,滑移发生后曲线产生突然下降,但荷载仍能够稳定在一定值范围,直至试验终止,试件的荷载-位移曲线如图3(b)所示.从试验开始到结束,预制混凝土试件表面未见裂缝,试件破坏形态如图4(b)所示.SJ1组试件的连接破坏荷载平均值为69.5 kN,SJ2组试件的连接破坏荷载平均值为32.2 kN,SJ1组和SJ2组试件的不同之处在于,SJ2组试件保留了空心孔成孔时的薄壁钢管,在相同的搭接长度之下,光滑薄壁钢管的存在使得试件的粘结性能降低.

(a) SJ1 (b) SJ2 (c) SJ3图3 试件的荷载-平均位移曲线Fig.3 Typical load-average displacement curve of SJ1 group specimen

2.2.3 SJ3组试件

本组5个试件的破坏模式同SJ2组试件一样,都是发生混凝土灌芯与薄壁钢管内壁之间的滑移,破坏时连接钢筋并未发生屈服,且试件的连接破坏荷载远小于连接钢筋的屈服荷载.对比SJ2和SJ3,SJ2组试件发生连接破坏的荷载平均值为32.2 kN,SJ3组试件发生连接破坏的荷载平均值为50.1 kN,说明增大试件的搭接长度有利于提高构件的粘结滑移性能.图3(c)为SJ3组试件的荷载-平均位移曲线,图4(c)为试件端部混凝土灌芯滑移和拔出情况.

(a) SJ1 (b) SJ2 (c) SJ3图4 试件破坏形态Fig.4 Failure mode of specimen

2.3 试验分析

由试验可知,预留薄壁钢管的SJ2和SJ3组试件的破坏形式均是混凝土灌芯与薄壁钢管内壁之间的滑移,此种破坏形式主要是由于混凝土灌芯与薄壁钢管内壁之间的粘结力不足所引起的.对比SJ2组试件和SJ1组试件,在相同的搭接长度下,混凝土灌芯与光滑薄壁钢管内壁之间的粘结力远低于混凝土灌芯与预制孔壁之间的粘结力,SJ2组试件的平均连接破坏荷载约为SJ1试件的平均连接破坏荷载的1/2.因此,在不增加搭接长度的条件下,需要采取措施提高钢管内壁与混凝土灌芯之间的抗滑移性能,可使用带有局部波纹的薄壁钢管代替光滑薄壁钢管.对比SJ2组试件和SJ3组试件,SJ2组试件的平均连接破坏荷载为32.2 kN,SJ3组试件的平均连接破坏荷载为50.1 kN,由两组试件的试验结果可知,可通过增大试件的搭接长度来提高混凝土灌芯与薄壁钢管内壁之间的粘结力,使得混凝土灌芯与薄壁钢管之间的滑移发生在连接钢筋屈服之后,SJ2组试件和SJ3组试件实际所需的搭接长度见表3.

表3 实际所需的搭接长度Table 3 The actual length of the lap required

由表3可知,SJ2组试件和SJ3组试件实际所需的搭接长度分别为按照混凝土结构设计规范所设计的试验组试件搭接长度的2.1倍和2.9倍,采用增大搭接长度的措施会提高钢筋用量,浪费钢材.因此,在之后的研究中,可以使用带有局部波纹的钢管代替光滑薄壁钢管,从而改善混凝土灌芯与薄壁钢管之间的抗滑移性能.

3 结论和建议

根据3组钢筋搭接连接试件的拉伸试验结果,得出如下结论:

(1) SJ1组试件的破坏为连接钢筋屈服,SJ2和SJ3组试件的连接破坏形式均为混凝土灌芯与试件混凝土之间发生滑移,连接破坏发生在连接钢筋屈服之前.试验结果表明,SJ2组和SJ3组试件的连接性能不满足设计规范要求.

(2) 本试验设计的钢筋搭接连接方式并不能充分发挥连接钢筋的作用,在之后的研究中,可以使用带有局部波纹的薄壁钢管代替光滑薄壁钢管,从而改善混凝土灌芯中钢筋和薄壁钢管间的搭接连接性能.