钢筋连接技术是预制装配式混凝土结构的关键技术之一, 可靠的连接是保证结构整体性和抗震能力的关键。预制混凝土结构钢筋连接构造主要包括套筒灌浆连接、约束浆锚搭接、机械连接等^[1,2], 其中套筒灌浆连接在装配整体式结构钢筋连接中广泛应用, 是目前比较成熟的预制混凝土构件连接技术。但套筒灌浆连接接头需在筒壁内设置螺纹等以提高接头的传力性能, 对套筒材料性能和铸造工艺要求较高, 成本高, 而且为提高承载力, 套筒口径较小, 施工时钢筋不易插入, 施工质量不易保证^[3], 而约束浆锚钢筋搭接技术采用的是螺旋箍筋约束浆锚钢筋搭接或金属波纹管浆锚钢筋搭接, 前者是通过提高约束来提高黏结强度, 后者是通过降低搭接范围内黏结应力需求, 实现降低最小搭接长度。对于金属波纹管浆锚钢筋搭接, 其构造为一种间接搭接连接, 管内钢筋锚固长度较长, 所需灌浆料也较多;而对于螺旋箍筋约束浆锚钢筋搭接, 墙体钢筋和连接钢筋均位于螺旋箍筋内部, 为一种直接搭接连接构造, 因约束效应可缩短搭接长度^[4,5]。从约束性能来看, 螺旋箍筋浆锚钢筋搭接适用性能优于波纹管方式, 本文从螺旋箍筋约束浆锚钢筋搭接性能的研究现状以及现行规范梳理两个维度进行分析, 针对目前该搭接性能黏结强度设计公式的不足, 给出基于试验数据库的经验公式, 为深入研究箍筋约束浆锚钢筋搭接提供设计依据。

螺旋箍筋约束浆锚钢筋搭接的研究开始较晚, 对其黏结性能的研究主要集中在近2年国内学者的研究工作。

J.C.Adajar等^[4]针对应用于装配式剪力墙的一种连接形式即箍筋约束钢筋对接开展基于桁架模型的理论推导, 并通过拉拔试验验证黏结滑移性能的理论推导结果。其中, 试验研究针对不同钢筋表面形式、锚固长度、箍筋间距、保护层厚度获取荷载-位移曲线, 以及主筋、箍筋、传递钢筋内应变分布。研究表明, 平面桁架模型可用于模拟该连接, 保护层厚度、箍筋体积率可提高拉拔力, 60mm箍筋间距可满足结构连接要求。

而自2008年起, 姜洪斌等^[5,6]与黑龙江宇辉新型建筑材料有限公司合作针对约束浆锚钢筋搭接连接进行了180多个单排搭接试件拉拔试验。分析了搭接钢筋直径 (d=12, 14, 16, 20mm) 、混凝土强度等级 (C20, C30, C40) 、搭接长度 ( (0.3~1.4) l_a, 其中l_a为钢筋锚固长度) 、螺旋箍筋体积率 (0~2.4%) 等因素对搭接的影响规律, 搭接形式为采用预留孔道、高强灌浆料 (抗压强度平均值70MPa) 灌浆成型的施工方式。其研究首次在国内首次验证了采用插入式预留孔灌浆钢筋搭接方法的可行性, 得到了钢筋搭接长度参考值, 并且基于试验给出了螺旋箍筋体积配箍率与钢筋搭接长度的相关性表达式。其研究重点针对高强灌浆料下一种纵筋强度和同一保护层厚度下的搭接性能, 也采用简单的理论模型和有限元分析方法来论证试验结论。

马军卫等^[7]通过144个螺旋箍筋约束浆锚钢筋搭接试验, 搭接的施工形式同文献[5,6]。研究参数基本与文献[5,6]相同, 仅钢筋直径参数增加了1组10mm。通过建立螺旋箍筋的力学模型, 考虑了螺旋箍筋配筋情况对纵筋搭接长度的影响, 理论推导了纵筋的搭接长度计算公式, 验证了在搭接长度大于或等于GB50010—2010《混凝土结构设计规范》 (2015年版) ^[8]中的基本锚固长度时该搭接方式的可靠性。

刘硕等^[9]通过12个拉拔试件的单向拉伸试验, 同样采用单排搭接试件形式, 针对以往研究对象均为实心预制构件而采用预留孔道灌浆料形式, 且钢筋主要采用HRB400等级的问题, 开展针对叠合剪力墙体系, 采用细石混凝土为现浇浆料的施工方式, 对灌浆料为C30细石混凝土的螺旋箍筋约束浆锚钢筋搭接受力性能的试验研究, 其中钢筋直径为10mm和14mm, 钢筋等级为HRB400和HRB500, 搭接长度不作为研究变量, 取为1.0l_a, 试验证明, 10钢筋可采用1.0l_a搭接长度, 14钢筋建议采用1.2l_a, 且细石混凝土浇筑的螺旋箍筋约束浆锚钢筋搭接连接可用于HRB500级高强钢筋的搭接连接。然而与高强灌浆料为现浇材料的搭接性能的差异度及其机理尚无相关深入研究。

因此, 采用螺旋箍筋加固形式的连接性能可靠, 螺旋箍筋能有效约束核心区混凝土从而减小搭接长度。但由于拉拔试验方式基本为单排搭接试验, 两侧拉拔力存在偏心, 导致附加力矩对拉拔性能产生影响, 且由于此种搭接方式的试验研究相较于现浇混凝土搭接设计方法依托的数据较少, 涵盖的影响参数不全面, 导致目前的设计方法具有局限性。此外, 模型分析所需的基础数据尚有欠缺, 因此分析模型略显粗略, 目前的结论还不能广泛应用于各类结构构件的连接。因此, 仍需优化试验方式, 进行更深入全面的试验研究。

在规范层面, 无论是欧美还是我国规范, 连接形式都包括套筒灌浆连接、搭接、机械连接等形式。我国与欧美国家规范的设计方法略有不同:欧美国家规范对搭接给出了一般性规定, 采用某具体形式的设计一般参考普通钢筋混凝土结构设计中的搭接或者锚固。我国则对预制装配式采用的搭接形式集中在浆锚钢筋搭接, 且和现浇混凝土中采用的搭接予以区分, 对于浆锚钢筋搭接的具体形式各地区规范会依据当地情况稍有差别。

ACI318-14^[10]规定了锚固长度的计算方法, 考虑横向钢筋作用具有一定的局限性, 且公式考虑了钢筋位置与浇筑方向的影响、钢筋涂层、钢筋直径大小、保护层厚度、钢筋约束以及不同基材对其的影响。该设计适用于钢筋直径<35mm的情况。当应用于搭接时, 搭接长度则根据实际受力钢筋量和搭接率在锚固长度的基础上乘以相应的放大系数。类似于ACI318-14, ACI408R-03^[11]基于1996年Darwin等的梁式搭接试验, 给出搭接长度的设计公式, 其中也考虑了钢筋物理力学性能及表面涂层、基材性能、钢筋约束、保护层厚度、钢筋位置与浇筑方向的影响。不同于ACI318-14, 该规范中涉及的混凝土保护层参数考虑了搭接钢筋外侧和边侧保护层厚度的影响, 同时增加了变形钢筋外表面体型系数的影响。

CEB-FIP Model Code^[12]给出锚固长度的设计公式, 该值与混凝土最小保护层厚度、钢筋直径、结构箍筋面积、钢筋强度及混凝土强度有关, 同时引入了破坏的强度指标———钢筋强屈比, 规范建议值接近1.15, 与美国实际工程取值接近。而对于搭接长度, 则增设了与搭接区域钢筋搭接率相关的放大系数。随着搭接率的增加, 放大系数增加, 当>50%, 其规定放大系数均为2.0。

美国《预制装配式及预应力混凝土结构设计指导手册》 (PCI Design Handbook) ^[13]对预制结构的连接做了详细阐述, 包括设计准则、设计方法和传力辅材与方法等, 指出浆锚间接搭接是预制结构中比较常用的方法, 黏结强度设计值可达到钢筋强屈比为1.5倍的强度, 在柱、梁和剪力墙的抗弯节点连接中广泛采用。搭接的适用范围为钢筋直径在12.7~57.3mm。搭接长度根据不同的搭接系统而定。搭接长度参考ACI318-14中的钢筋搭接长度。

FIP43^[14]规范中对柱构件竖向筋采用搭接连接给出了几种形式的方法。其指出该方法也可用于墙体、饰面板或梁构件。对于预留孔道浆锚钢筋连接的方式, 锚固长度为现浇体系所使用的锚固长度。

香港屋宇署规范《Code of Practice for Structural Use of Concrete 2013》^[15]对于搭接的连接方式提出需在同一截面内交错, 且不宜出现在应力较大区域。搭接设计的影响参数主要为搭接钢筋间距、保护层厚度及浇筑位置, 给出在标准搭接长度下搭接钢筋间距不得大于4倍的钢筋直径和50mm的较小值, 否则需增加搭接长度;并给出搭接钢筋在不同构造情况下的搭接长度。

在我国, 与螺旋箍筋约束浆锚钢筋搭接相关的规范有很多, 相对而言, 比较详细的有黑龙江省以及北京市规程, JGJ1—2014《装配式混凝土结构技术规程》^[16]与GB/T51231—2016《装配式混凝土建筑技术标准》^[17]尚无明确的设计方法考虑螺旋箍筋的作用, 且指出对浆锚钢筋搭接的构造、工艺和材性需进行力学性能以及适用性验证。在地方规范中, DG/TJ08—2071—2016《装配整体式混凝土居住建筑设计规程》^[18]针对适用于装配式的搭接方式做了条文说明, 但并未对采用螺旋箍筋约束浆锚钢筋搭接方式给出设计方法;DB42/T1044—2015《装配整体式混凝土剪力墙结构技术规程 (试行) 》^[19]给出了箍筋约束浆锚钢筋搭接的一些技术要求, 其中螺旋箍筋作为构造, 提高安全系数。在众多规范中, 北京市和黑龙江省规范是目前针对螺旋箍筋约束浆锚钢筋搭接设计阐述最详细的地方规范, DB11/1003—2013《装配式剪力墙结构设计规程》^[20]对螺旋箍筋约束浆锚钢筋搭接做了详细解读, 除了规定成孔孔道参数、灌浆料方面的性能要求外, 给出不同搭接钢筋直径及不同搭接长度下螺旋箍筋的最小配筋率计算公式, 其中规范指出该方法适用于搭接长度在 (1.0~1.6) l_a (l_a为搭接长度) , 直径>25mm和受动力荷载的钢筋时不宜采用该搭接形式。DB23/T1813—2016《预制装配整体式房屋混凝土剪力墙结构技术规范》^[21]则指出, 约束搭接可实现搭接长度为0.5l_a, 从提高性能考虑, 规范设定为1.0l_a, 对应的箍筋配箍率基于哈尔滨工业大学的研究成果。该规范还对连接筋以及箍筋等构造要求给出具体规定, 包括螺旋箍筋的配筋率≥1.0%, 以及随钢筋直径增长而增加的螺旋箍筋内径最大限值。

目前国内外规范中对螺旋箍筋约束浆锚钢筋搭接长度均在现浇结构体系锚固长度的基础上予以修正, 并未给出针对该搭接方式的黏结强度计算公式或最小搭接长度计算公式, 本文整合国内螺旋箍筋约束浆锚钢筋搭接拉拔试验研究^[7,8,9,11], 在拉拔试件中选取钢筋屈服前发生拔出破坏的试件作为数据库的基础数据, 回归得到平均黏结强度的经验公式 (见式 (1) ) 。鉴于目前的试验数据特征, 该公式具有几点限制条件: (1) 搭接类型为预留孔道, 高强灌浆料 (抗压强度平均值70MPa) 灌浆成型的施工方式; (2) 试验参变量仅为保护层厚度、钢筋直径及箍筋体积率, 数据库中混凝土强度和纵筋强度等级分别为30MPa和HRB400。依据无箍筋搭接试件可得到平均黏结强度与相对保护层的相关性, 结合其他试验数据回归得到与箍筋体积率的相关性系数, 最终形成式 (1) 所示表达形式。

式中:c_min为最小混凝土保护层厚度;d_b为搭接钢筋直径;ρ_sv为箍筋体积率。

依据式 (1) 及搭接钢筋屈服强度为设计目标的相关性可计算得到最小搭接长度 (见式 (2) ) , 为设计研究该搭接方式下拉拔力与滑移的关系提供设计依据。其中, 考虑黏结强度与混凝土抗拉强度呈正相关, 该式通过引入考虑混凝土强度的影响。

式中:f_c0为混凝土立方体抗压强度标准值;f_sd为搭接钢筋屈服强度标准值。

通过公式 (1) , 预测文献[9]细石混凝土搭接试验中未发生钢筋拉断的试件, 平均黏结强度计算值是试验值的1.4倍, 因此采用高强灌浆料为现浇基材的研究结论将高估采用细石混凝土为现浇基材的搭接性能, 即现浇基材的不同对黏结性能有较大影响。由于该公式的局限性以及相关的基础数据不足, 有必要通过进一步研究明确不同构造类型搭接性能的差异。

1) 本文针对国内外已有的对螺旋箍筋约束浆锚钢筋搭接的研究进行了汇总, 得出螺旋箍筋能有效约束核心区混凝土, 此种形式具有良好的受力性能和变形能力, 可以实现钢筋的可靠连接。但现有的试验研究方法以及试验样本过少, 模型分析所需的基础数据尚有欠缺, 还需进行更多试验研究。

2) 本文梳理了国内外规范中对螺旋箍筋约束浆锚钢筋搭接的技术要点, 对后续深入研究此种搭接方式提供规范指导, 但现有规范对螺旋箍筋约束浆锚钢筋搭接的限定条文参差不齐, 亟待补充设计依据和完善设计方法。

3) 本文整合国内现有针对预埋孔道浇筑高强灌浆料的螺旋箍筋约束浆锚钢筋搭接拉拔试验研究, 选取钢筋屈服前被拔出的试件, 形成以黏结强度为分析对象的数据库, 回归得到黏结强度的经验公式, 为设计该搭接方式下搭接长度提供设计依据。但该结论仅适用于预留孔道, 高强灌浆料 (抗压强度平均值70MPa) 灌浆成型的施工方式, 不适用于细石混凝土为现浇基材的螺旋箍筋约束浆锚钢筋搭接。