亢晉軍，韓建強(qiáng)，2，唐江明，褚金亮，張歡鸞

(1.華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063210；3.邯鄲建工集團(tuán)有限公司，河北 邯鄲 056001)

引言

在我國(guó)，預(yù)制裝配式建筑也曾短暫出現(xiàn)過(guò)一段時(shí)間，但當(dāng)時(shí)由于社會(huì)生產(chǎn)力低下，裝配式理論研究不足，建造技術(shù)落后，加之中國(guó)地震災(zāi)害頻發(fā)，只要有地震發(fā)生的地方，建造的裝配式房屋均無(wú)法抵抗地震的作用而發(fā)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員遇難與不可估量的國(guó)民經(jīng)濟(jì)損失[2-3]。

究其根本原因，是因?yàn)檠b配結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接方式不夠牢固，未能表現(xiàn)出良好的抗震性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)的抗震耗能的研究[4]。裝配式結(jié)構(gòu)中鋼筋連接的方式主要有2種：套筒灌漿連接與約束漿錨連接[5]。以中國(guó)建筑科學(xué)研究院吳廣彬等[6]人為代表的套筒灌漿研究，對(duì)115個(gè)錨固在混凝土中的預(yù)埋件鋼筋進(jìn)行拉拔破壞試驗(yàn)，最終試驗(yàn)結(jié)果證明：帶錨固板的鋼筋的錨固性能明顯優(yōu)于同條件下不帶錨固板的鋼筋。并可以大幅減少鋼筋在混凝土中的錨固長(zhǎng)度，達(dá)到在實(shí)際工程中減少鋼筋浪費(fèi)的目的。姜洪斌、張海順等[7]研究了81個(gè)不同鋼筋錨固長(zhǎng)度的構(gòu)件，對(duì)所有構(gòu)件進(jìn)行拉伸加載破壞。結(jié)果表明，全部構(gòu)件的破壞形態(tài)均為鋼筋屈服產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象或者鋼筋自身被拉斷。

美國(guó)的Jirsa等[8]對(duì)18個(gè)鋼筋套筒灌漿連接的試件做了拉伸試驗(yàn)，研究出套筒灌漿連接的受力模型，為灌漿套筒的設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的理論分析。后藤幸正[9]采用特殊方法通過(guò)拔出試驗(yàn)揭示了變形鋼筋與混凝土通過(guò)機(jī)械咬合作用傳遞應(yīng)力的機(jī)理，他的做法是在試件預(yù)留的孔道中壓注紅墨水，混凝土開(kāi)裂后，紅墨水進(jìn)入各條縫隙，卸載后，將試件剖開(kāi)，可以清晰地看到裂縫開(kāi)展的情況以及裂縫的形狀。

1鋼套筒-螺栓-結(jié)構(gòu)膠連接鋼筋的設(shè)計(jì)原理

借鑒預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)中鋼筋的套筒灌漿連接方式，探究出一種新型的、便于實(shí)際施工的“鋼套筒-螺栓-結(jié)構(gòu)膠”混合連接的鋼筋接頭形式。首先通過(guò)有限元模擬軟件ABAQUS，模擬試驗(yàn)過(guò)程，如下圖1所示，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而不斷改進(jìn)完善試驗(yàn)接頭設(shè)計(jì)。然后通過(guò)試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證接頭連接可靠性。本試驗(yàn)分別以螺栓個(gè)數(shù)和套筒長(zhǎng)度為變化參數(shù)，設(shè)計(jì)相互對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比研究。且按照規(guī)范要求，對(duì)每組試件進(jìn)行單向拉伸破壞試驗(yàn)，測(cè)量其殘余變形值和最大力下總伸長(zhǎng)率。通過(guò)分析對(duì)比，為這種新型的連接方式提供設(shè)計(jì)建議。

圖1 試件模型

1.1 接頭連接的受力要求

圖2所示為接頭傳力受力圖

圖2 接頭傳力示意圖

鋼筋連接保證接頭強(qiáng)度的要求，實(shí)質(zhì)上就是保證區(qū)段L的傳遞鋼筋受力的能力。在鋼筋接頭單向受拉過(guò)程中，在接頭一側(cè)施加拉力1，該力通過(guò)連接區(qū)段L后，將被傳遞到右側(cè)鋼筋上，此時(shí)測(cè)得右側(cè)鋼筋上的拉力2，且關(guān)系式拉力1等于拉力2成立。隨后增大拉力1至鋼筋的屈服強(qiáng)度f(wàn)y，乃至極限抗拉強(qiáng)度f(wàn)u，上述關(guān)系式將始終成立。

參照鋼筋灌漿套筒的連接形式，發(fā)現(xiàn)接頭因強(qiáng)度破壞形態(tài)主要有以下3種：鋼筋被拉斷、連接鋼筋用的套筒破壞以及鋼筋錨固不實(shí)，致使鋼筋連同結(jié)構(gòu)膠一起從套筒內(nèi)拔出。一般情況下，理想的破壞形式是鋼筋在接頭外部被拉斷，即拉斷處位于鋼筋外露位置上，而非接頭或接頭內(nèi)部，這就要求鋼套筒的強(qiáng)度高于鋼筋的強(qiáng)度。

(1)

1.2 接頭連接的剛度變形要求

圖3所示為鋼筋連接接頭的變形。

圖3 鋼筋連接接頭的變形

圖3所示總距離L1為接頭在單向拉伸試驗(yàn)下，變形量測(cè)量的標(biāo)距。

L1=L+4d

(2)

式中：

L—鋼筋連接接頭長(zhǎng)度，mm；

d—鋼筋公稱(chēng)直徑，mm。

ΔLa為套筒外鋼筋的形變，隨著拉力的不斷增大，產(chǎn)生的形變會(huì)由彈性變形、非彈性變形及塑性殘余變形組成。

ΔLb為套筒內(nèi)部鋼筋的形變，由于套筒內(nèi)部的鋼筋與粘鋼結(jié)構(gòu)膠存在機(jī)械咬合作用及粘結(jié)作用，所以鋼筋上的應(yīng)力由外側(cè)向內(nèi)測(cè)逐漸減弱，直至鋼筋內(nèi)部端頭，應(yīng)力為零。由此推斷，套筒內(nèi)部的鋼筋形變規(guī)律與應(yīng)力分布規(guī)律相同，由外側(cè)向內(nèi)部端部鋼筋的形變?cè)絹?lái)越小。

ΔLc為連接套筒的形變，套筒內(nèi)帶環(huán)形絲扣，通過(guò)與粘鋼結(jié)構(gòu)膠的接觸來(lái)傳遞鋼筋拉力，因此會(huì)產(chǎn)生伸長(zhǎng)形變。且套筒的受力正好與所連接鋼筋的受力相反，呈現(xiàn)出套筒中部受力最大，而向兩端逐漸減少，最終減小為零。但套筒的變形計(jì)算原理困難，不易直接得出結(jié)果，但其形變與鋼筋形變相協(xié)調(diào)，最終套筒的變形量可由鋼筋推導(dǎo)。

2鋼套筒-螺栓-結(jié)構(gòu)膠連接鋼筋的力學(xué)性能試驗(yàn)

試驗(yàn)從裝配式結(jié)構(gòu)中鋼筋套筒連接的方式出發(fā)，擬探討一種新型、實(shí)用的“鋼套筒-螺栓-結(jié)構(gòu)膠混合連接鋼筋”的接頭形式，用于工程上3級(jí)鋼的連接。根據(jù)鋼筋連接的相關(guān)規(guī)范，對(duì)連接接頭進(jìn)行單向拉伸的型式檢驗(yàn)。研究套筒長(zhǎng)度及螺栓個(gè)數(shù)對(duì)連接強(qiáng)度及接頭變形的影響，最終確定該接頭的設(shè)計(jì)方法及相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.1 試驗(yàn)材料準(zhǔn)備

(1)套筒

套筒采用45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其規(guī)范力學(xué)性能見(jiàn)下表1。

表1 45號(hào)鋼力學(xué)性能

(2)鋼筋

鋼筋采用公稱(chēng)直徑為14 mm的HRB400級(jí)鋼筋。在實(shí)驗(yàn)前，參照《鋼筋混凝土用鋼 第二部分：熱軋帶肋鋼筋》標(biāo)準(zhǔn)[10]，對(duì)鋼筋進(jìn)行母材拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 鋼筋母材力學(xué)性能

(3)螺栓

螺栓采用市場(chǎng)上常見(jiàn)的4.8級(jí)普通鍍鋅螺栓，螺栓桿直徑為8 mm。其規(guī)范中力學(xué)性能如表3：

表3 4.8級(jí)螺栓力學(xué)性能

(4)粘鋼結(jié)構(gòu)膠

粘鋼結(jié)構(gòu)膠是A、B雙組份環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑，該膠可操作性好，常溫固化不分層，不離析，不沉淀，觸變性好，施工不流淌，可節(jié)省用膠量。固化后材料具有優(yōu)良的機(jī)械連接性能，良好韌性的抗震及沖擊能力，耐介質(zhì)(酸、堿、鹽)、耐老化等性能優(yōu)異，該材料綠色環(huán)保不含有揮發(fā)性溶劑，安全無(wú)毒。相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)如表4。

表4 結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能參數(shù)

2.2 試件制作準(zhǔn)備

(1)探討套筒連接長(zhǎng)度L對(duì)接頭連接的影響

為探討套筒連接長(zhǎng)度L對(duì)接頭連接的影響，分別設(shè)置了6組3種不同長(zhǎng)度的套筒構(gòu)件。依據(jù)理論計(jì)算可知，若要保證結(jié)構(gòu)膠錨固直徑14 mm的HRB400級(jí)鋼筋，則需要套筒最短尺寸為210 mm，同時(shí)為研究套筒長(zhǎng)度變化對(duì)構(gòu)件的承載能力影響。分別選取套筒長(zhǎng)度150 mm、210 mm以及250 mm，且套筒內(nèi)徑均為20 mm，外徑均為30 mm。對(duì)每組試件均進(jìn)行單向受拉試驗(yàn)，每組試件選取3個(gè)以防止單個(gè)試件試驗(yàn)出現(xiàn)偶然性。試驗(yàn)的每組情況如表5所示，螺栓開(kāi)孔示意圖如圖4所示。

圖4 不同套筒長(zhǎng)度(150 mm、210 mm、250 mm)開(kāi)孔(4個(gè))示意圖

表5 試件分組情況(按不同套筒長(zhǎng)度L)

(2)探討螺栓個(gè)數(shù)對(duì)接頭連接的影響

為探討套筒接頭所用螺栓個(gè)數(shù)對(duì)于連強(qiáng)度的影響，分別設(shè)置了5組2類(lèi)螺栓個(gè)數(shù)(4個(gè)、8個(gè))的套筒構(gòu)件。同樣，對(duì)每組試件均進(jìn)行單向受拉試驗(yàn)，分析螺栓個(gè)數(shù)對(duì)于套筒受力性能的影響。為保證試驗(yàn)合理性，防止出現(xiàn)單個(gè)試件的偶然性而對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生影響，每組試件為3個(gè)。

螺栓開(kāi)孔總數(shù)為8的套筒(210 mm、250 mm)開(kāi)孔示意圖如圖5所示。

圖5 不同套筒長(zhǎng)度(210 mm、250 mm)開(kāi)孔(8個(gè))示意圖

試驗(yàn)的每組情況如表6所示。

表6 試件分組情況(按不同螺栓個(gè)數(shù))

3鋼套筒-螺栓-結(jié)構(gòu)膠連接鋼筋的性能試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同套筒長(zhǎng)度(無(wú)螺栓)對(duì)鋼筋連接性能的影響

圖6所示為無(wú)螺栓作用構(gòu)件“p-Δ”關(guān)系圖。

理論分析中，結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)應(yīng)力為τ，鋼筋直徑為d，鋼筋錨固總長(zhǎng)度為I，連接試件抵抗外拉力最大值為F，則有公式：

F=τ×π×d×l

(3)

表示結(jié)構(gòu)膠發(fā)揮粘結(jié)應(yīng)力的折減系數(shù)。則公式變?yōu)椋?/p>

F=ε×τ×π×d×l

(4)

將表6數(shù)據(jù)代入公式(4)中，可得ε1=0.30。

3.2 不同長(zhǎng)度(4個(gè)螺栓)套筒的軸向抗拉性能

如圖7所示為3組不同長(zhǎng)度套筒(4個(gè)螺栓)連接鋼筋構(gòu)件的“承載力-位移”關(guān)系。

圖6 無(wú)螺栓作用構(gòu)件“p-Δ”關(guān)系圖 圖7 4個(gè)螺栓作用構(gòu)件“p-Δ”關(guān)系圖

由前述可知，ε表示粘鋼結(jié)構(gòu)膠發(fā)揮粘結(jié)應(yīng)力的折減系數(shù)。現(xiàn)再引入螺栓對(duì)于承載力的影響系數(shù)a，用來(lái)表示單個(gè)螺栓對(duì)于承載力提高大小的程度。則有公式：

(5)

根據(jù)等式兩側(cè)列項(xiàng)相消等運(yùn)算，求得粘鋼結(jié)構(gòu)膠填充厚度為3 mm時(shí)，對(duì)于結(jié)構(gòu)膠發(fā)揮粘結(jié)應(yīng)力的折減系數(shù)ε2=0.38。

3.3 不同長(zhǎng)度(8個(gè)螺栓)套筒的軸向抗拉性能

圖8所示為2組不同長(zhǎng)度套筒(8個(gè)螺栓)連接鋼筋構(gòu)件的“承載力-位移”關(guān)系。

圖8 8個(gè)螺栓作用構(gòu)件“p-Δ”關(guān)系圖

將表6數(shù)據(jù)代入公式(4)中，可得ε3=0.22。

綜上所述，將測(cè)得ε1，ε2，ε3。取平均值：ε=0.30。即對(duì)于套筒外徑30 mm(壁厚為5 mm)，粘鋼結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)抗剪極限承載力與鋼筋(d=14mm)的錨固長(zhǎng)度呈正相關(guān)線(xiàn)性關(guān)系。大致符合公式：

F=0.3×τ×π×d×l

(6)

3.4 不同螺栓個(gè)數(shù)(150 mm)套筒的軸向抗拉性能

本組試件中，連接的套筒長(zhǎng)度均為150 mm，且構(gòu)件達(dá)到極限承載力時(shí)的破壞形式相同，鋼筋均未達(dá)到屈服應(yīng)力，沒(méi)有經(jīng)過(guò)強(qiáng)化大變形階段的脆性破壞。假定不考慮套筒上開(kāi)孔對(duì)結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)能力的削弱作用，同無(wú)螺栓作用的構(gòu)件相比，有螺栓作用構(gòu)件承載力的提高因素，僅來(lái)自螺栓對(duì)鋼筋的夾緊作用。

圖9所示為150 mm套筒長(zhǎng)構(gòu)件“p-Δ”關(guān)系圖。

圖9 150 mm套筒長(zhǎng)構(gòu)件“p-Δ”關(guān)系圖

代入公式(5)可得螺栓對(duì)于承載力的影響系數(shù)a1=0.81。

3.5 不同螺栓個(gè)數(shù)(210mm)套筒的軸向抗拉性能

圖10所示為210 mm套筒長(zhǎng)構(gòu)件“p-Δ”關(guān)系圖。

圖10 210 mm套筒長(zhǎng)構(gòu)件“p-Δ”關(guān)系圖

由圖10可直觀(guān)看出，隨著螺栓個(gè)數(shù)的增加，構(gòu)件極限承載力也在變大，0個(gè)和4個(gè)螺栓作用的套筒構(gòu)件曲線(xiàn)形狀較為一致，破壞形式均為脆性破壞，即鋼筋未進(jìn)入屈服階段，8個(gè)螺栓作用下的套筒連接件鋼筋屈服前的曲線(xiàn)形狀同其它2條線(xiàn)段一致，當(dāng)鋼筋進(jìn)入屈服階段后，表現(xiàn)出良好的變形性能，承載能力繼續(xù)提高。但強(qiáng)化階段的受力未達(dá)到鋼筋極限抗拉承載力。套筒兩側(cè)鋼筋均未出現(xiàn)徑縮現(xiàn)象。

由式(5)可以解得a2=0.76。

3.6 不同螺栓個(gè)數(shù)(250mm)套筒的軸向抗拉性能研究

圖11所示為250 mm套筒長(zhǎng)構(gòu)件“p-Δ”關(guān)系圖。

圖11 250 mm套筒長(zhǎng)構(gòu)件“p-Δ”關(guān)系圖

8個(gè)螺栓作用下的套筒連接構(gòu)件承載力為90.05 kN，已經(jīng)達(dá)到了鋼筋的極限抗拉承載力。套筒一側(cè)鋼筋發(fā)生徑縮現(xiàn)象，且最終破壞時(shí)鋼筋未從套筒內(nèi)拔出，只是在鋼筋屈服后，套筒端部結(jié)構(gòu)膠有輕微撕裂脫落現(xiàn)象，直至構(gòu)件達(dá)到極限承載力時(shí)鋼筋出現(xiàn)徑縮現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)膠并未發(fā)生進(jìn)一步破化。

由式(5)可以解得a3的值為0.72。

綜上所述，將測(cè)得a1，a2，a3。取平均值：a=0.76。即對(duì)于套筒外徑30 mm(壁厚為5 mm)的構(gòu)件，螺栓作用下對(duì)于承載力的影響公式可以表示為：n為螺栓個(gè)數(shù)。

(7)

4結(jié)論

(1)粘鋼結(jié)構(gòu)膠提供的抗剪承載力方面：結(jié)構(gòu)膠無(wú)法完全發(fā)揮理論計(jì)算的粘結(jié)抗剪承載力，故需要對(duì)抗剪承載力公式進(jìn)行修正。則最終修正系數(shù) 。修正后的公式見(jiàn)式(6)。

(2)螺栓提供的抗剪承載力方面：若干雙螺栓對(duì)稱(chēng)夾緊鋼筋作用下，使構(gòu)件的抗拉承載力有了明顯的提升。最終修正系數(shù)a=0.76。修正后的公式見(jiàn)式(7)。

(3)無(wú)螺栓作用的灌膠套筒鋼筋連接試件承受拉力作用時(shí)，由于制作缺陷導(dǎo)致鋼筋存在偏心，進(jìn)而產(chǎn)生附加彎矩，會(huì)削弱構(gòu)件的承載能力，使構(gòu)件承載力降低5%左右。

(4)試驗(yàn)對(duì)于鋼套筒上開(kāi)螺栓孔的位置及直徑限制條件，均僅參考了鋼板上開(kāi)孔的限制要求，在試驗(yàn)過(guò)程中鋼套筒并未在開(kāi)孔的不利截面處發(fā)生凈截面撕裂破壞。說(shuō)明鋼板開(kāi)孔的限制條件對(duì)鋼套筒是完全適用的，并存在一定的安全儲(chǔ)備量，其開(kāi)孔位置距離套筒端部的限值可進(jìn)一步減小。