预制混凝土剪力墙结构是目前我国预制混凝土住宅建筑中广泛采用的结构形式^[1]。预制混凝土剪力墙结构墙体纵向钢筋连接构造主要包括套筒灌浆连接、波纹管预留孔道浆锚搭接连接、机械连接、螺旋箍筋约束搭接连接等^[2,3,4,5,6]。常用的套筒灌浆连接强度高、刚度大、连接性能可靠, 但所用套筒价格较高。波纹管预留孔道浆锚搭接连接采用价格相对便宜的波纹管预留孔道, 连接性能可靠;但此种构造为一种间接搭接连接构造, 约束性能较套筒差, 钢筋搭接长度较大, 所需灌浆料也较多^[3,4]。

螺旋箍筋约束搭接连接是近年来提出的一种新型钢筋连接构造^[6,7,8,9], 其在钢筋搭接区预留有内壁粗糙的孔道, 并在孔道外围配置螺旋箍筋, 钢筋插入孔道后向孔道内灌注80MPa高强灌浆料从而将上下墙体连接成一个整体, 如图1所示。与套筒灌浆连接相比, 螺旋箍筋约束搭接连接采用螺旋箍筋约束搭接区域混凝土变形, 避免了使用价格较高的套筒, 经济效益好;与波纹管预留孔道浆锚搭接连接相比, 螺旋箍筋约束搭接连接中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, 约束性能更好^[6]。螺旋箍筋约束搭接连接具有形式简单、安全可靠、施工方便、造价低廉等优点^[6,9], 应用前景广阔;但此种连接构造所用高强灌浆料凝固速度较快、对施工速度要求高, 且高强灌浆料价格较高。螺旋箍筋约束搭接连接应用于预制叠合构件时, 搭接区可以采用细石混凝土浇筑, 避免了使用高强灌浆料, 可以进一步降低成本、简化施工工艺。

针对采用高强灌浆料的螺旋箍筋约束搭接连接, 已有一系列研究成果, 需要说明的是已有研究中钢筋规格均为HRB400级。研究结果表明^[6,7,8,9]: (1) 采用80MPa高强灌浆料灌注的螺旋箍筋约束搭接连接具有良好的力学性能, 可以实现钢筋的可靠搭接连接; (2) 钢筋搭接长度和螺旋箍筋配筋率对钢筋搭接连接性能影响较为显著, 钢筋直径增大时, 增大钢筋搭接长度或提高螺旋箍筋配筋率均能有效提高钢筋搭接连接性能; (3) 钢筋直径不变时, 提高螺旋箍筋配筋率可以有效地减小钢筋的搭接长度, 钢筋搭接长度取1.0l_a (l_a为锚固长度^[10]) 时可以保证钢筋的可靠连接。

规范层面, 我国行业标准《装配式混凝土结构技术规程》JGJ1—2014^[11]仅对浆锚搭接连接做出了原则性规定, 未针对螺旋箍筋约束搭接连接给出具体构造规定。地方标准中, 吉林省规程《装配整体式混凝土剪力墙结构体系居住建筑技术规程》DB22/T1779—2013^[12]针对不同的钢筋直径和钢筋搭接长度给出了相应的螺旋箍筋最小配筋率表;安徽省规程《装配整体式剪力墙结构技术规程》DB34/T1874—2013^[13]规定钢筋的最小搭接长度不应小于l_a且不应小于300mm, 并针对钢筋搭接长度取l_a时给出了对应于不同钢筋直径的螺旋箍筋最小配筋率表。此外, 上述规程规定高强灌浆料的抗压强度为60~80MPa。

总体而言, 已有研究存在以下问题: (1) 已有研究均针对采用高强灌浆料灌注的螺旋箍筋约束搭接连接, 针对搭接区采用细石混凝土浇筑的形式未有专门研究; (2) 以往研究中钢筋均采用HRB400级, 针对采用高强HRB500级钢筋的形式未有专门研究。

鉴于此, 本文拟通过12个搭接连接试件, 研究搭接区采用C30细石混凝土浇筑的螺旋箍筋约束搭接连接的受力性能和变形能力;其中钢筋直径分别采用10mm和14mm, 钢筋强度等级分别采用HRB400级和HRB500级, 钢筋搭接长度取为1.0l_a。

试验共设计制作了12个试件, 根据试验参数的不同分为4组, 考虑到试验的离散性, 每组3个试件。试验参数为钢筋直径 (10, 14mm) , 钢筋规格 (HRB400级、HRB500级) 。试件参数如表1所示。

试件详细情况如下: (1) 试件由预制侧普通混凝土和现浇侧细石混凝土组成, 混凝土强度等级根据实际工程均采用C30; (2) 钢筋分为预埋钢筋和插入钢筋, 同一试件两种钢筋的规格、长度均相同;钢筋直径分别采用实际工程中常用的10mm和14mm, 钢筋强度等级分别采用HRB400级和HRB500级, 钢筋搭接长度采用1.0l_a; (3) 螺旋箍筋采用HPB300级光圆钢筋, 规格根据规范^[12]规定的螺旋箍筋最小配筋率选取, 取为ф4@70 (50) , 其中“4”表示直径为4mm, “70”表示各箍间距为70mm, “50”表示箍筋内径为50mm; (4) 为避免试件端部应力集中对结果的不利影响, 采用20mm橡胶皮塞对混凝土端部进行封堵; (5) 试件命名规则以试件S400-10为例说明, 其中“S”表示试件, “400”表示采用HRB400级钢筋, “10”表示采用直径10mm钢筋。

试件施工如图2所示。混凝土和钢筋的实测力学性能如表2、表3所示。

试验加载装置采用同济大学建筑结构实验室材料万能试验机。试件安装时, 上下2根纵向钢筋的端部夹持在万能试验机的夹具上, 夹具与纵筋对中, 并保持试件混凝土端面水平。试验加载装置如图3所示。

主要量测内容包括:纵向钢筋应变;螺旋箍筋应变;钢筋端部与混凝土之间的滑移。其中螺旋箍筋上应变片分别布置在两侧端头处、两侧1/4长度处和中间处。

试件的主要受力过程可以分为3个阶段, 即钢筋屈服阶段 (P≤P_y) 、极限阶段 (P_y<P≤P_max) 和破坏阶段 (P_max<P) , 其中P为外荷载、P_y为钢筋屈服荷载、P_max为峰值荷载。试件受力过程如表4所示, 破坏形态如图4所示。

试验中, 纵向钢筋的滑移量为钢筋端部相对于混凝土表面的相对位移。试件荷载-滑移曲线如图5所示。各试件的滑移特征值如表5所示, 其中S_y为钢筋屈服荷载下的滑移值, S_max为峰值荷载下的滑移值。需要说明的是试件S500-10-3位移计损坏, 其试验结果未列入图5和表5中。

由图5、表5可见:

1) 典型试件的P-S曲线由三部分组成:弹性阶段 (P≤P_y) 、塑性发展阶段 (P_y<P≤P_max) 和破坏阶段 (P_max<P) , 其中P为外荷载、P_y为钢筋屈服荷载、P_max为峰值荷载。弹性阶段, 试件混凝土未出现或仅出现少量裂缝, 此时钢筋滑移较小, 荷载-位移曲线基本呈线性;进入塑性发展阶段后, 试件混凝土上裂缝开始出现并逐渐发展, 在接近峰值荷载时试件出现掉角现象, 此时滑移值增长较快, 部分试件曲线出现平台段;破坏阶段, 钢筋发生颈缩、混凝土裂缝迅速开展, 荷载-滑移曲线下降, 试件很快发生破坏。

2) 试件S400-10, S400-14, S500-10, S500-14在钢筋屈服荷载作用下滑移量均值分别为0.75, 1.72, 1.19, 4.01mm, 在峰值荷载作用下滑移量均值分别为3.59, 4.77, 3.65, 6.13mm;随着钢筋直径和强度等级的增大, 试件在钢筋屈服荷载和峰值荷载作用下滑移值均有所增加, 此时可适当增大螺旋箍筋配筋率以减少钢筋的滑移。

3) 试件破坏时, 直径10mm钢筋试件中钢筋被拉断, 直径14mm钢筋试件中混凝土出现劈裂裂缝、钢筋均已屈服但未被拉断;说明螺旋箍筋的配置可以有效提高钢筋的搭接连接性能, 用于小直径钢筋连接时, 钢筋搭接长度取1.0l_a时可以满足钢筋搭接连接力学性能要求, 用于大直径钢筋连接时推荐采用1.2l_a;且说明此种连接构造可用于HRB500级钢筋的连接。

试验中, 典型螺旋箍筋荷载-应变曲线如图6所示。

由图6可见:

1) 螺旋箍筋应变随外荷载的增大呈上升趋势, 在试件钢筋屈服之前, 应变基本呈线性增长;试件屈服后, 应变增长较快, 多数试件存在一个明显的拐点;在钢筋接近极限强度时, 应变快速增加, 存在平台段。

2) 所有试件在屈服荷载时, 螺旋箍筋上的最大应变均小于螺旋箍筋的实测屈服应变2 512με, 未发生屈服;说明螺旋箍筋可以有效地约束搭接区混凝土的横向变形, 改善试件的搭接连接性能。

3) 随着钢筋直径和规格的增大, 螺旋箍筋的最大应变值有增大趋势;相对于直径10mm钢筋试件, 直径14mm钢筋试件内螺旋箍筋端部应变在试件破坏时超过2 512με, 已经屈服;当钢筋直径较大、强度等级较高时, 可适当增大螺旋箍筋的配筋率以增强钢筋的搭接连接性能。

针对搭接区采用细石混凝土浇筑的螺旋箍筋约束搭接连接, 开展了4组共12个试件的搭接连接试验。通过对试件的整体破坏形态、特征荷载、钢筋荷载-滑移曲线以及螺旋箍筋应变等结果的分析, 对试件的力学性能进行了较为系统的研究和分析。主要结论有:

1) 试件S400-10, S400-14, S500-10和S500-14的峰值荷载平均值分别为46.72, 87.66, 56.33k N和97.34k N。所有试件最终破坏时钢筋均已达到屈服, 且钢筋均未被拔出, 搭接区采用细石混凝土浇筑的螺旋箍筋约束搭接连接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。

2) 当螺旋箍筋取规范规定的最小配筋率时, 采用细石混凝土浇筑的螺旋箍筋约束搭接连接用于小直径钢筋连接时钢筋搭接长度取1.0l_a可以保证钢筋的可靠连接, 用于大直径钢筋连接时钢筋搭接长度建议采用1.2l_a。

3) 采用细石混凝土浇筑的螺旋箍筋约束搭接连接可用于HRB500级高强钢筋的搭接连接。

4) 试件的P-S曲线由三部分组成, 分别对应弹性阶段、塑性发展阶段和破坏阶段。试件在钢筋屈服荷载和峰值荷载下的滑移值随着钢筋直径和强度等级的增大而有所增大。

5) 随着钢筋直径和强度等级的增大, 螺旋箍筋应变也显著增大, 此时可适当增大螺旋箍筋的配筋率以改善钢筋搭接连接的受力性能。