李兆杰，徐 帥，孟凡林，殷承諾

吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118

0 引言

目前,隨著裝配式建筑的大力推廣和使用,裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)的連接技術(shù)得到業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注.在裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)中,豎向鋼筋的受力及其連接對(duì)剪力墻的整體質(zhì)量和性能起著決定作用,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面也做了諸多研究.目前,主要采用的有套筒灌漿連接[1]、漿錨搭接連接[2]和機(jī)械連接[3]等.基于薄壁鋼管的裝配式混凝土剪力墻[4-5]改變于灌芯裝配式混凝土剪力墻[6]的制作工藝,在墻體的豎向連接方面,采用連接鋼筋實(shí)現(xiàn)上下層之間的搭接連接,連接方便快捷.但就目前而言,國(guó)內(nèi)外關(guān)于本文所設(shè)計(jì)的鋼筋搭接連接方式并無(wú)相關(guān)的研究,為推廣基于薄壁鋼管的裝配式混凝土剪力墻的實(shí)際應(yīng)用,對(duì)這種節(jié)點(diǎn)連接的試驗(yàn)研究就很有必要.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)所采用的的鋼筋搭接連接方式為錨固于薄壁鋼管內(nèi)的灌芯混凝土中的鋼筋與薄壁鋼管的間接搭接連接.試驗(yàn)共設(shè)計(jì)制作了3組試件,分別用SJ1，SJ2，SJ3表示,每組包括5個(gè)相同試件,SJ1組試件為對(duì)照組,SJ2，SJ3組試件為試驗(yàn)組,試件的幾何尺寸和主要的試驗(yàn)參數(shù)見表1,具體的搭接形式如圖1所示.

表1 鋼筋連接試件的幾何參數(shù)Table 1 Geometric parameters of steel bar connection specimens

(a) SJ1

(b) SJ2,SJ3

連接鋼筋使用HRB400級(jí)鋼筋,直徑為10 mm和14 mm兩種,鋼筋的搭接長(zhǎng)度按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50010-2010[7]中縱向受拉鋼筋末端采用彎鉤錨固措施時(shí)的錨固長(zhǎng)度計(jì)算公式計(jì)算,即直徑10 mm鋼筋的搭接長(zhǎng)度為210 mm,直徑14 mm鋼筋的搭接長(zhǎng)度為294 mm.在制作試件時(shí)預(yù)留鋼筋并按照《金屬材料拉伸試驗(yàn)第一部分:室溫試驗(yàn)方法》G/T228.1-20106[8]的規(guī)定測(cè)得鋼筋的屈服強(qiáng)度,并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的屈服荷載:C10鋼筋的屈服荷載為69.5 kN,C14鋼筋的屈服荷載為146.5 kN.制作試件所采用的混凝土為C30;薄壁鋼管為Q235B,氬弧焊直縫焊接,鋼管壁厚為1.0 mm和2.0 mm兩種.

1.2 加載制度和量測(cè)內(nèi)容

采用單軸拉伸試驗(yàn)[9-10]對(duì)鋼筋搭接連接性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,試驗(yàn)裝置如圖2所示.

(a) SJ1,SJ2 (b)SJ3圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Test apparatus

試驗(yàn)時(shí)將試件兩端外伸的2根鋼筋分別與直徑為20 mm的螺桿焊接,并通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置與試驗(yàn)機(jī)的夾頭連接.采用位移加載方式對(duì)搭接連接試件進(jìn)行加載,位移控制速率設(shè)定為1 mm/min.試件上下端連接鋼筋的合力使用荷載傳感器測(cè)量,連接鋼筋的變形和滑移使用LVDT測(cè)定.試驗(yàn)中,當(dāng)發(fā)生下列情況之一時(shí),視為發(fā)生連接破壞:

(1) 連接鋼筋與周圍混凝土之間發(fā)生滑移;

(2) 混凝土灌芯與薄壁鋼管或周圍混凝土之間發(fā)生滑移;

(3) 連接鋼筋屈服.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)可知,SJ1組試件的破壞為連接鋼筋屈服,整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中混凝土灌芯與周圍混凝土未發(fā)生滑移;SJ2和SJ3組試件在發(fā)生連接破壞時(shí),都是混凝土灌芯和薄壁鋼管內(nèi)壁之間發(fā)生滑移,并沒有連接鋼筋屈服或者連接鋼筋與周圍混凝土之間發(fā)生滑移的現(xiàn)象出現(xiàn).試驗(yàn)結(jié)果及連接破壞形式見表2.

表2 鋼筋搭接連接試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of steel lap joint

2.2 試件破壞形態(tài)及荷載-變形曲線

2.2.1 SJ1組試件

SJ1組試件在發(fā)生破壞時(shí)連接鋼筋均屈服,試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程并未出現(xiàn)連接鋼筋和混凝土灌芯與周圍混凝土之間的滑移.本組試件的荷載-位移曲線如圖3(a)所示,在加載初期,荷載-位移曲線呈線性,隨著荷載增大,連接鋼筋發(fā)生屈服,并在其周圍出現(xiàn)裂縫;之后繼續(xù)加載,裂縫的開展使得在連接鋼筋周圍逐漸形成楔形塊體,達(dá)到峰值荷載后曲線下降直至鋼筋被拉斷,試件的破壞形態(tài)見圖4(a).

2.2.2 SJ2組試件

根據(jù)試驗(yàn)觀察,本組5個(gè)試件發(fā)生破壞時(shí)連接鋼筋均未達(dá)到屈服,試件的破壞形式均為混凝土灌芯與薄壁鋼管內(nèi)壁之間的滑移破壞.其中,SJ2-3和SJ2-5試件的一端發(fā)生滑移,SJ2-1,SJ2-2和SJ2-4試件兩端先后滑移.各試件發(fā)生滑移之前,鋼筋的荷載-位移曲線呈線性,滑移發(fā)生后曲線產(chǎn)生突然下降,但荷載仍能夠穩(wěn)定在一定值范圍,直至試驗(yàn)終止,試件的荷載-位移曲線如圖3(b)所示.從試驗(yàn)開始到結(jié)束,預(yù)制混凝土試件表面未見裂縫,試件破壞形態(tài)如圖4(b)所示.SJ1組試件的連接破壞荷載平均值為69.5 kN,SJ2組試件的連接破壞荷載平均值為32.2 kN,SJ1組和SJ2組試件的不同之處在于,SJ2組試件保留了空心孔成孔時(shí)的薄壁鋼管,在相同的搭接長(zhǎng)度之下,光滑薄壁鋼管的存在使得試件的粘結(jié)性能降低.

(a) SJ1 (b) SJ2 (c) SJ3圖3 試件的荷載-平均位移曲線Fig.3 Typical load-average displacement curve of SJ1 group specimen

2.2.3 SJ3組試件

本組5個(gè)試件的破壞模式同SJ2組試件一樣,都是發(fā)生混凝土灌芯與薄壁鋼管內(nèi)壁之間的滑移,破壞時(shí)連接鋼筋并未發(fā)生屈服,且試件的連接破壞荷載遠(yuǎn)小于連接鋼筋的屈服荷載.對(duì)比SJ2和SJ3,SJ2組試件發(fā)生連接破壞的荷載平均值為32.2 kN,SJ3組試件發(fā)生連接破壞的荷載平均值為50.1 kN,說(shuō)明增大試件的搭接長(zhǎng)度有利于提高構(gòu)件的粘結(jié)滑移性能.圖3(c)為SJ3組試件的荷載-平均位移曲線,圖4(c)為試件端部混凝土灌芯滑移和拔出情況.

(a) SJ1 (b) SJ2 (c) SJ3圖4 試件破壞形態(tài)Fig.4 Failure mode of specimen

2.3 試驗(yàn)分析

由試驗(yàn)可知,預(yù)留薄壁鋼管的SJ2和SJ3組試件的破壞形式均是混凝土灌芯與薄壁鋼管內(nèi)壁之間的滑移,此種破壞形式主要是由于混凝土灌芯與薄壁鋼管內(nèi)壁之間的粘結(jié)力不足所引起的.對(duì)比SJ2組試件和SJ1組試件,在相同的搭接長(zhǎng)度下,混凝土灌芯與光滑薄壁鋼管內(nèi)壁之間的粘結(jié)力遠(yuǎn)低于混凝土灌芯與預(yù)制孔壁之間的粘結(jié)力,SJ2組試件的平均連接破壞荷載約為SJ1試件的平均連接破壞荷載的1/2.因此,在不增加搭接長(zhǎng)度的條件下,需要采取措施提高鋼管內(nèi)壁與混凝土灌芯之間的抗滑移性能,可使用帶有局部波紋的薄壁鋼管代替光滑薄壁鋼管.對(duì)比SJ2組試件和SJ3組試件,SJ2組試件的平均連接破壞荷載為32.2 kN,SJ3組試件的平均連接破壞荷載為50.1 kN,由兩組試件的試驗(yàn)結(jié)果可知,可通過(guò)增大試件的搭接長(zhǎng)度來(lái)提高混凝土灌芯與薄壁鋼管內(nèi)壁之間的粘結(jié)力,使得混凝土灌芯與薄壁鋼管之間的滑移發(fā)生在連接鋼筋屈服之后,SJ2組試件和SJ3組試件實(shí)際所需的搭接長(zhǎng)度見表3.

表3 實(shí)際所需的搭接長(zhǎng)度Table 3 The actual length of the lap required

由表3可知,SJ2組試件和SJ3組試件實(shí)際所需的搭接長(zhǎng)度分別為按照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)組試件搭接長(zhǎng)度的2.1倍和2.9倍,采用增大搭接長(zhǎng)度的措施會(huì)提高鋼筋用量,浪費(fèi)鋼材.因此,在之后的研究中,可以使用帶有局部波紋的鋼管代替光滑薄壁鋼管,從而改善混凝土灌芯與薄壁鋼管之間的抗滑移性能.

3 結(jié)論和建議

根據(jù)3組鋼筋搭接連接試件的拉伸試驗(yàn)結(jié)果,得出如下結(jié)論:

(1) SJ1組試件的破壞為連接鋼筋屈服,SJ2和SJ3組試件的連接破壞形式均為混凝土灌芯與試件混凝土之間發(fā)生滑移,連接破壞發(fā)生在連接鋼筋屈服之前.試驗(yàn)結(jié)果表明,SJ2組和SJ3組試件的連接性能不滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求.

(2) 本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的鋼筋搭接連接方式并不能充分發(fā)揮連接鋼筋的作用,在之后的研究中,可以使用帶有局部波紋的薄壁鋼管代替光滑薄壁鋼管,從而改善混凝土灌芯中鋼筋和薄壁鋼管間的搭接連接性能.