胡曉依

同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院 上海 200092

高強(qiáng)鋼筋能控制裂縫寬度并能很好地與混凝土黏結(jié)，使鋼筋混凝土構(gòu)件具有良好的耐久性。鋼筋的高強(qiáng)度化，不但可以降低梁柱構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)區(qū)域鋼筋密集產(chǎn)生的設(shè)計(jì)及施工困難程度，同時(shí)有利于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及可持續(xù)發(fā)展[1-3]。

隨著我國(guó)建筑施工新技術(shù)的深入研究與實(shí)踐，傳統(tǒng)的鋼筋連接所采用的焊接技術(shù)受限于焊接工藝、技術(shù)水平、焊接材料和作業(yè)環(huán)境條件等因素的影響，難以全面滿足現(xiàn)代化的日益復(fù)雜的建筑施工環(huán)境所需。擠壓套筒接頭、錐螺紋套筒接頭和直螺紋套筒接頭等多種鋼筋機(jī)械連接工藝日益成熟，并逐步在多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域中得到完善[4]。

加強(qiáng)對(duì)套筒接頭工藝和性能的研究，提出并設(shè)計(jì)與600 MPa熱軋帶肋高強(qiáng)鋼筋所匹配的套筒材料和應(yīng)用形式，并在JGJ 107—2016《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定要求下試驗(yàn)驗(yàn)證[5]，對(duì)拓展技術(shù)層面、提高應(yīng)用安全以及可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[6]。

1 科研與進(jìn)展

當(dāng)前，相關(guān)學(xué)者已逐步開(kāi)展了高強(qiáng)鋼筋與混凝土的錨固或采用漿錨的性能研究[7-10]，但超高強(qiáng)鋼筋與套筒之間的連接、錨固、受力機(jī)理等研究還有待豐富；國(guó)外研究理論已逐步成熟[11-12]，但主要集中在錨固板、鐓頭鋼筋等方面，未能完全代表當(dāng)前專業(yè)科學(xué)研究發(fā)展的現(xiàn)狀。

為確保600 MPa級(jí)甚至更高等級(jí)高強(qiáng)鋼筋直螺紋接頭能達(dá)到Ⅰ級(jí)性能要求，關(guān)鍵是需要提高鋼筋端頭螺紋的綜合性能[13-15]。

現(xiàn)有軋制技術(shù)常常使鋼筋端頭出現(xiàn)螺紋精度差、強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，這已成為制約高強(qiáng)鋼筋機(jī)械連接應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。該類問(wèn)題主要表現(xiàn)在直螺紋套筒的連接形式中，作為目前專業(yè)領(lǐng)域大力推廣的裝配式結(jié)構(gòu)也常采用直螺紋套筒連接。

試驗(yàn)研究[16-19]表明，機(jī)械連接下的高強(qiáng)鋼筋直螺紋連接接頭常有2種結(jié)構(gòu)破壞形式：鋼筋螺牙從連接套筒內(nèi)被拔出、鋼筋螺牙斷裂。

前者的破壞原因是鋼筋螺牙的錐度及圓度誤差過(guò)大，與連接套筒螺牙的嚙合度不足。后者的破壞形式呈現(xiàn)斷口平齊且具有脆性斷裂特征，這說(shuō)明高強(qiáng)鋼筋螺牙的抗拉強(qiáng)度低于鋼筋母材，在對(duì)鋼筋端頭螺牙加工過(guò)程中，鋼筋的橫截面存在應(yīng)力集中。

經(jīng)對(duì)各國(guó)機(jī)械連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)研究和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)各國(guó)專業(yè)領(lǐng)域和標(biāo)準(zhǔn)要求在高應(yīng)力、大變形反復(fù)拉壓等性能方面是基本一致的[20]，其他主要技術(shù)性能指標(biāo)的差異點(diǎn)比較結(jié)果如表1所示。

表1 各國(guó)鋼筋機(jī)械連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)差異對(duì)比

在表1中，f0mst為接頭試件實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度，f0st為接頭試件中鋼筋抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值，fuk為鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，fyk為鋼筋屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。E0.7和E0.9分別為接頭在0.7和0.9倍鋼筋屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值下的割線模量，E0s為鋼筋彈性模量實(shí)測(cè)值，U為非彈性變形，d為鋼筋直徑。σmax表示為接頭疲勞性能檢測(cè)最大應(yīng)力，Δσ為接頭疲勞性能檢測(cè)應(yīng)力幅，Δσk是GB 500010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的鋼筋疲勞應(yīng)力幅限值。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與分析

2.1 方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)有鋼筋端頭螺紋軋制的精度和強(qiáng)度兩方面的弱點(diǎn)已經(jīng)成為制約高強(qiáng)鋼筋機(jī)械連接接頭應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。根據(jù)JGJ 107—2016《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，在鋼筋機(jī)械連接單向拉伸試驗(yàn)、高應(yīng)力反復(fù)拉壓試驗(yàn)以及大變形反復(fù)拉壓試驗(yàn)中，套筒連接的各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分別如表2～表4所示。

表2 單向拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

表3 高應(yīng)力反復(fù)拉壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

表4 大變形反復(fù)拉壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 試件設(shè)計(jì)

試件選用600 MPa熱軋帶肋高強(qiáng)鋼筋，所用鋼筋材質(zhì)需符合GB/T 1499.2—2018《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》和DG/TJ 08-2236—2017《熱軋帶肋高強(qiáng)鋼筋應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中的相關(guān)要求。

新型套筒材料選用45#圓鋼，未經(jīng)處理時(shí)其極限強(qiáng)度僅為600 MPa，屈服強(qiáng)度為355 MPa，最大力作用下伸長(zhǎng)率為16%，而采用等徑角高速塑性大變形成形工藝后，其極限強(qiáng)度可達(dá)到900 MPa，屈服強(qiáng)度為700 MPa，最大力作用下伸長(zhǎng)率為11%。

為作對(duì)比，選用40Cr圓鋼直接加工成普通套筒，經(jīng)測(cè)試，其極限強(qiáng)度為980 MPa，屈服強(qiáng)度為785 MPa，最大力作用下伸長(zhǎng)率為9%。兩者均滿足接頭力學(xué)性能及伸長(zhǎng)率指標(biāo)。

在套筒連接制作過(guò)程中，鋼筋端頭螺紋加工采用的是滾圓滾軋工藝，經(jīng)滾圓和滾絲2道工序把鋼筋縱、橫肋（約占鋼筋截面積的8%）糅合成螺牙，從而使螺紋處直徑變大，成功提升了鋼筋端頭螺牙的精度和強(qiáng)度，不但避免了鋼筋橫截面上應(yīng)力集中，還使鋼筋表面金屬致密細(xì)化，改善了機(jī)械性能。

45#圓鋼經(jīng)過(guò)車加工成鋼管，再應(yīng)用等徑角高速塑性大變形成形工藝，將其擠壓成外表對(duì)稱、均布的多棱柱連接套筒，其內(nèi)孔可直接加工成所需的直螺紋，套筒的金屬致密細(xì)化，綜合機(jī)械性能有顯著的提高[21]。用于裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接的加長(zhǎng)型雙套筒除了連接套筒之外，內(nèi)部還配有2個(gè)螺套和1個(gè)鎖緊螺母。圖1為試驗(yàn)研究的3種套筒實(shí)物照片。

圖1 連接套筒實(shí)物照片

試件選用直徑為20、25、28 mm和32 mm這4種規(guī)格的高強(qiáng)鋼筋，總計(jì)5組45個(gè)試驗(yàn)，每種鋼筋采用的套筒及試件參數(shù)如表5所示。每組試件分別有單向拉伸試件3個(gè)，高應(yīng)力反復(fù)拉壓試件3個(gè)，大變形反復(fù)拉壓試件3個(gè)。

表5 套筒及試件參數(shù)

試件長(zhǎng)度按規(guī)范要求計(jì)算確定，試件長(zhǎng)度L＝套筒長(zhǎng)度＋2×（4×鋼筋直徑＋100＋夾持長(zhǎng)度），其中夾持長(zhǎng)度取150 mm，其余物理量單位以毫米計(jì)。

2.3 加載裝置與試驗(yàn)方法

鋼筋單向拉伸試驗(yàn)、高應(yīng)力反復(fù)拉壓試驗(yàn)和大變形反復(fù)拉壓試驗(yàn)的設(shè)備均采用206D-P型2 000 kN萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)或可選用等效試驗(yàn)機(jī)具，如圖2所示。

圖2 套筒連接試驗(yàn)設(shè)備

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

單向拉伸試驗(yàn)、高應(yīng)力反復(fù)拉壓試驗(yàn)以及大變形反復(fù)拉壓試驗(yàn)的結(jié)果分別如表6～表8所示。

表6 單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表7 高應(yīng)力反復(fù)拉壓試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于直徑20、25 mm及32 mm（套筒材質(zhì)為45#鋼）的鋼筋新型套筒試件，經(jīng)單向拉伸、高應(yīng)力反復(fù)拉壓以及大變形反復(fù)拉壓3項(xiàng)試驗(yàn)后，其性能等級(jí)均能達(dá)到Ⅰ級(jí)要求。對(duì)比直徑均為25 mm的不同材質(zhì)和形式的套筒的3項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，新型連接套筒的性能接近甚至優(yōu)于普通套筒。

對(duì)加長(zhǎng)型的鋼筋雙套筒試件，經(jīng)單向拉伸、高應(yīng)力反復(fù)拉壓以及大變形反復(fù)拉壓3項(xiàng)試驗(yàn)后，其性能等級(jí)均能達(dá)到Ⅰ級(jí)要求。這為將該新型套筒用于裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接提供了有力保證。

表8 大變形反復(fù)拉壓試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

600 MPa高強(qiáng)鋼筋采用直螺紋套筒連接的方式可行，高強(qiáng)鋼筋采用滾圓滾軋加工工藝，能更好地改善鋼筋端頭螺牙的精度和強(qiáng)度，等徑角擠壓技術(shù)則使連接套筒的金屬致密細(xì)化，提升了其綜合機(jī)械性能。

作為套筒的2種材質(zhì)，45#鋼和40Cr均能滿足接頭性能要求，但六角形異形套筒（45#鋼）對(duì)比同規(guī)格的普通圓柱形套筒（40 Cr），擠壓后的六角形套筒壁厚減薄，能提高混凝土保護(hù)層厚度；其多棱柱外形增強(qiáng)了混凝土的握裹力，且使連接操作更方便；45#鋼良好的切削加工性能，提高了生產(chǎn)效率，并延長(zhǎng)刀具使用壽命；可節(jié)省鋼材30%～40%，符合“資源節(jié)約型社會(huì)”“低碳經(jīng)濟(jì)”等國(guó)家宏觀政策導(dǎo)向，有助于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

加長(zhǎng)型雙套筒適用于預(yù)制構(gòu)件之間，以及預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆或后澆混凝土結(jié)構(gòu)之間的鋼筋連接，操作簡(jiǎn)便易行，避免了鋼筋灌漿套筒連接存在的諸多難以克服的缺陷。