建筑工业化是我国未来建筑的发展方向,可以提高建设效率、提升建筑品质、低碳节能,符合可持续发展的理念,发展预制装配式结构是建筑工业化的重要途径。预制装配式结构具有施工便捷、现场湿作业少、环境影响小、结构性能优良、成本适中等优点,预制构件中钢筋高效可靠的连接是预制装配式结构体系的关键因素 ^{[1,2,3,4,5,6]}。国内外学者对钢筋约束浆锚搭接技术进行了研究:马军卫等 ^[7]进行了钢筋约束浆锚搭接连接的试验研究,设计制作了144个钢筋约束浆锚搭接连接的钢筋搭接试件;试验中综合考虑了纵向钢筋直径、纵向钢筋搭接长度、箍筋体积配筋率、混凝土强度等不同因素对其破坏机理和粘结强度的影响。孟凡林等 ^[8]进行了灌芯装配式混凝土剪力墙竖向分布钢筋搭接试验,考虑钢筋直径和搭接长度的影响因素,完成了试件的单向拉伸试验,得到构件钢筋搭接连接的破坏模式及各因素的影响规律。赵培 ^[9]以螺旋箍筋作为约束措施,进行了不同配箍率对钢筋搭接长度影响的试验研究,通过试验研究和理论分析,在保证连接可靠性前提下,研究了螺旋箍筋体积配箍率对钢筋搭接长度的影响规律。Alias等 ^[10]进行了横向钢筋对预制混凝土结构的套筒注浆连接方式影响的研究。余琼等 ^[11]对拥有自主知识产权的套筒约束浆锚搭接新型接头进行试验研究,以钢筋直径和搭接长度为变化参数来研究接头的破坏形态、承载力及荷载-位移曲线。彭媛媛 ^[12]、钱稼茹等 ^[13]进行了竖向钢筋不同连接方法的预制钢筋混凝土剪力墙抗震性能研究。

　　 上述研究表明,钢筋的约束浆锚搭接性能影响因素较多,各因素的影响程度不同且具有相关性。本文提出了一种新的钢筋连接方式,即含FRP约束环的钢筋搭接连接。在该连接技术的钢筋锚固试验研究基础上,主要进行了钢筋搭接试验研究,共设计制作了78组含FRP约束环的装配式剪力墙钢筋搭接连接构件,试验中的主要参数为钢筋搭接长度、钢筋直径、混凝土强度、FRP约束环内径与壁厚,通过试验研究该新型连接方法的钢筋搭接性能,以确定适合该种钢筋连接方法的搭接长度。

　　 本文研究工作的背景技术为含FRP约束环的钢筋搭接,该技术已获国家授权实用新型专利 ^[14],其主要技术组成及原理说明如下:如图1所示,上层预制混凝土构件下端内部设置FRP约束环,在FRP约束环下端部位开有注浆孔,上端部位开有排气孔,FRP约束环顶端设有带孔的封口弹性橡胶密封圈,上层预制构件的预埋钢筋穿过密封圈圆孔伸入FRP约束环中,下层预制构件内的外伸连接钢筋伸入FRP约束环内至设计搭接长度,与上层预制构件中的预埋钢筋形成搭接连接,采用微膨胀高强灌浆料通过FRP约束环的注浆孔进行注浆,注满FRP约束环,待灌浆料达到设计强度后便完成该节点区域的构件连接。在连接节点的设计上,FRP约束环对内部混凝土的约束作用可缩减钢筋搭接长度,而其内外壁的凹凸设计则可增强约束环与其内外围混凝土之间的粘结效应,避免约束环产生整体剪切滑移。同时,FRP材料又为连接节点的钢筋搭接区域提供了宽松的钢筋对中空间,降低了施工精度要求。该新型连接与套筒灌浆连接相比有较大的价格优势,且规避了浆锚搭接连接所固有的成孔难题。

　　 本试验以建筑工业化背景下装配式混凝土结构施工模式的钢筋搭接为研究基点,钢筋搭接接头面积百分率均为100%,其纵向受拉钢筋搭接长度修正系数ζ=1.6,故钢筋搭接长度l_l=1.6l_a(l_a为规范要求的钢筋基本锚固长度,具体取值见表1)。再考虑FRP约束环对搭接区域的环向约束作用,搭接长度分别为2l_l/3,l_l/2,l_l/3,研究在此三种搭接折减情况下的钢筋搭接性能。

　　 图 2为含FRP约束环灌浆钢筋搭接试验试件的具体尺寸说明,试件统一采用200×200的混凝土截面;混凝土强度等级考虑C30和C40两种;钢筋类型为HRB400,其直径分别为12,14,16mm,试件加载端钢筋长度为500mm,自由端长度为200mm;采用定制的FRP约束环(图3),FRP约束环的内肋与外肋的凸起高度为3mm,宽度为20mm,倾斜角度为15°,内径分别为75,80mm,壁厚分别为3,4mm。综合考虑这些技术参数,共组合出72组试件设计方案(表2～7)。

　　 为完善对含FRP约束环的钢筋搭接连接技术的研究,扩大此技术的应用范围,本试验又额外附加6个试验试件,分别采用20,22mm两种大直径带肋钢筋,钢筋仍为HRB400,混凝土强度只考虑C40的一种情况,各试件具体参数见表8。

　　 本次试验试件所用的混凝土是由合作预制构件厂的专业混凝土搅拌站拌制的,强度等级分别为C30,C40两种,每组试件预留混凝土立方体试块3个,并且与试件同条件养护。在做材料试验的当天,用混凝土标准块压力机测定混凝土立方体试块的抗压强度,如图4所示。经压力机加载测定,C30和C40混凝土立方体试块的抗压强度平均值分别为31.4MPa和41.8MPa。灌浆料是在水泥为基本原料的基础上,加入各种外加剂及细骨料混合而成的材料,并与水按100∶14配合比搅拌成型,灌浆料的抗折强度平均值为8.7MPa,抗压强度平均值为81.4MPa。

　　 下料时各预留两根不同规格的钢筋,做试验当天在万能试验机上测定各规格钢筋的抗拉强度,测得钢筋的各种力学性能见表9。

　　 试验加载装置如图5所示。本次试验加载采用自反力架机制进行,无需外界提供接地反力。试件预埋钢筋一端用锚具固定在反力架一侧,插筋穿过反力板、穿心千斤顶、压力计后用锚具固定。加载所用千斤顶为FCY-500kN手动式液压千斤顶,最大压力500kN,最大行程200mm。

　　 根据《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152—2012) ^[15],本试验荷载采用连续加载的方式,直至钢筋发生颈缩、断裂或钢筋被拔出为止。加载速度依据试件钢筋直径来确定,并且加载过程中尽量均匀加载,避免出现冲击荷载。不同直径钢筋的加载速度按式(1)计算,计算结果见表10。

　　 $V{}_{\text{F}}=0.5d{}^2(1)$

　　 式中:V_F为加载速度,N/s;d为钢筋直径,mm。

　　 试件加载过程中需要测量记录的内容主要有:钢筋应变、FRP约束环应变、压力计压力、钢筋端部形变量、混凝土位移、混凝土表面裂缝发展情况以及钢筋屈服应力及现象。

　　 在钢筋的加载端与固定端且距离根部20mm处各粘结一个应变片,用来测量在试验过程中钢筋的应变。FRP约束环的中部和1/4长度处各粘贴两个应变片,两个应变片布置成直角形,用来测量FRP约束环不同位置不同方向的应变,如图6所示。

　　 试验装置示意图如图7所示,千斤顶与锚具之间放置BLR-1型压力传感器,量程为500kN,测量试验过程中的压力。试验中共有两个电子位移计,右侧的电子位移计测量钢筋形变量,上部的电子位移计测量混凝土整体位移。数据利用ZY-35954U终端盒采集到计算机中。

　　 78组试件(图8、图9)的加载试验过程中,所有试件的破坏形式均为钢筋颈缩后被拉断,并且钢筋在屈服至被拉断的整个试验过程中没有发生拔出或者明显的滑移,表明在FRP约束环的作用下,所设计的钢筋搭接长度均能满足钢筋搭接的性能要求。

　　 试验完成后对一部分试件进行了剖切,以进一步观察试件内部结构的破坏情况,图10显示了具有代表性的H2试件的内部破坏情况。H2试件的钢筋直径为14mm,混凝土强度等级为C30,钢筋搭接长度为l_l/2=395mm。

　　 从图10中可以看出,在钢筋的加载端根部附近灌浆料出现了一定程度的劈裂破坏,但是破坏距离较短,而试件中心部分的灌浆料则非常完整,观察不到破坏的迹象,说明在较短距离内钢筋与混凝土已建立起牢固的粘结力,钢筋的搭接长度可满足钢筋连接要求。由于外围混凝土的少量脱落,一部分FRP约束环外露,但从试件的形态可以看出外露部分约束环没有发生断裂或分层,并且在试件的加载过程中FRP约束环与内部灌浆料和外部混凝土均未发生相对位移,这说明FRP约束环本身并没有成为削弱连接节点整体粘结性能的“瓶颈”。

　　 图11为钢筋直径12mm、搭接长度l_l/2的试件受力过程中钢筋的应力-应变曲线,反映了钢筋在应变逐步增大的过程中应力的变化情况。加载开始,钢筋轴向应变在0.02以内时,钢筋应力与应变成线性关系,此时应力-应变曲线为一条过原点的直线;当荷载继续增大,应变随之增大至0.026,但是钢筋的应力没有增长,此时钢筋开始屈服;当应变继续增大时,应力经强化后,钢筋发生颈缩现象并最终断裂破坏。由应力-应变曲线可知,钢筋的最大应力为630MPa。通过以上分析可以得出,试件在加载过程中钢筋是经过屈服、强化阶段后被拉断的,在此过程中,钢筋搭接性能能够得到保证。

　　 图12为FRP约束环端部环向应变在加载过程中的变化情况。当拉力小于50kN时,约束环环向应变增长缓慢;当拉力超过50kN时,应变会发生台阶式的增长,此后约束环环向应变急剧增长直至加载结束。该现象反映了FRP约束环在整个加载过程中对内部钢筋搭接区域灌浆料提供了较大的环向围压作用,从而增强了搭接区域内搭接钢筋与周围灌浆料之间的粘结力,这是钢筋搭接长度可以得到大幅度缩减的重要因素。

　　 混凝土端部出现了不同程度的破坏,混凝土破坏的程度主要与搭接的长度有关,从图13可以看出混凝土破坏形态的变化趋势。2l_l/3搭接长度时,试件混凝土几乎没有明显破坏,只出现了纵向的裂纹;l_l/2搭接长度时,试件混凝土的端部出现了一定程度的破坏,裂纹比较明显并且出现了局部的脱落;l_l/3搭接长度时,试件混凝土的端部出现了很大程度的破坏,混凝土受到局部压力的地方出现了大块脱落,并且出现了局部的破碎,但是混凝土内部钢筋仍然没有发生相对滑动,此时钢筋的搭接性能没有被破坏。

　　 为分析该现象的产生原因,绘制试件受力简图(图14)。根据整个试件所受力矩为0,可得拉力P与反作用力F的关系:Pe=Fe'。从图中可以看出,当钢筋直径一定时,极限拉力P的大小是一定的,而每个试件偏心距e的大小相同,故试件越短时两个反力F间的距离也就越小,反力F就越大,试件产生纵向裂纹的同时试件角部的破坏也就越严重。因此,搭接长度较小的试件在加载过程中产生端角混凝土的破坏,可归于位置限定对试件端角混凝土的局部压力所致。而在实际应用中,钢筋的搭接方式是交错进行的,这样实际工程中的一个偏心距e也就被平分到了很多组搭接中,大部分的偏心力矩彼此抵消,并不会对搭接区域混凝土产生影响。

　　 本文提出了一种含FRP约束环的钢筋搭接连接技术,通过78组钢筋搭接试验,研究了不同钢筋搭接长度、钢筋直径、混凝土强度、FRP约束环内径与壁厚等因素对钢筋搭接性能的影响,试验结果表明:

　　 (1)对于不同规格的FRP约束环,在加载的过程中均能够与外围的混凝土协同工作,同时也能够与内部灌浆料很好地粘结,对内部灌浆料的约束作用明显;同时FRP约束环的强度是完全可以保证的,在以后的使用或研究中约束环的壁厚仍然有降低的空间。

　　 (2)由于灌浆料微膨胀的特点,FRP约束环对内部结构产生了一定的套箍作用,促使钢筋间搭接的性能提升明显,从而相当程度上缩短了钢筋的搭接长度,使得小直径钢筋(12,14,16mm)在2l_l/3,l_l/2,l_l/3搭接长度情况下,钢筋搭接性能均能够得到保证。

　　 (3)对于大直径钢筋(20,22mm),在2l_l/3,l_l/2,l_l/3搭接长度情况下,钢筋搭接性能也均能够得到保证,表明此种钢筋搭接方式对于大直径钢筋同样有效。