装配式剪力墙钢筋机械搭接轴向拉伸试验研究
0 概述
理想状态下，装配式建筑具有工业化程度高、建设周期短、劳动力与能源消耗量少等优点。然而工程实践过程中，由于装配式结构对预制构件装配精度、连接质量要求极高，导致装配式结构的建设周期与建设成本均高于传统的现浇结构。因此，突破预制构件对装配精度的限制，提高装配质量的可靠度，是装配式结构亟需解决的课题。
1 研究现状
受力钢筋的有效连接是装配式结构的核心问题之一，国内外学者已开展广泛研究。LING [1,2,3]研究了不同类型套筒的钢筋与灌浆料之间粘结性能。ALIAS等 [4]研究了锚固长度对钢筋粘结强度的影响。HOSSEINI等 [5]在套筒中加设螺旋箍筋，试验发现该构造可以有效减小钢筋的滑移。RAHMAN等 [6]在连接钢筋端头设置锥形螺帽以改善连接件的锚固性能。吴涛等 [7]对20个套筒灌浆连接件进行单轴拉伸试验，研究了套筒种类、锚固长度和钢筋直径对套筒筒壁应变的影响，并开展了钢筋与套筒相互作用的数值模拟。郑永峰等 [8]对钢筋套筒灌浆对接连接进行了高周反复拉压试验，试验表明，当钢筋锚固长度为7.0～7.5倍钢筋直径，钢筋连接满足《钢筋机械连接技术规程》(JGJ 107—2010)要求，并于文献[9]提出套筒灌浆的约束机理及约束应力的分布。许成顺等 [10]开展了高应力反复拉压作用下钢筋套筒灌浆连接性能试验研究，得出与文献[8]相同的结论。
姜洪斌等 [11,12]研究插入式预留孔灌浆钢筋搭接连接力学性能，并提出钢筋极限搭接长度理论计算分析公式。余琼等 [13]研究了套筒浆锚搭接连接方案，研究了不同直径钢筋、搭接长度对连接质量的影响，提出了接头的平均搭接粘结应力和临界搭接长度的计算公式。任宏伟等 [14,15]分别研究了剪力墙竖向钢筋套筒对接与搭接方案，试验得出套筒长度及壁厚、钢筋直径、灌浆料强度等参数对连接性能的影响规律，并提出套筒注浆搭接时钢筋搭接长度计算公式；韩文龙等 [16]对部分纵筋采用套筒挤压搭接连接的叠合次梁-主梁连接节点进行了受力性能研究，检验了钢筋套筒挤压连接的可靠性。
综上所述，国内外关于钢筋的连接形式主要采用套筒+灌浆锚固连接，以达到钢筋等强连接的工程效果。然而由于套筒制造工艺复杂、制造材料特殊、灌浆质量不易保证和检测、施工现场装配构件钢筋与套筒对位困难、装配构件接缝防水困难等诸多不足，严重制约了装配式结构应用的推广。
2 钢筋机械搭接应用场景
为了解决装配式剪力墙钢筋套筒连接对位精度要求高、灌浆质量离散度大的难题，笔者提出叠板搭接、钢板抗剪装配自稳定剪力墙新型连接技术，该技术已获得国家发明专利授权三项 [17,18,19]。上下片剪力墙通过抗剪钢板实现装配自稳定，利用叠板后浇混凝土实现上下片剪力墙结构连接。该连接方案的关键技术是在500mm×(400～500)mm的墙-梁交接范围内，实现剪力墙约束边缘构件主受力钢筋等强连接。装配连接方案见图1。
图1 剪力墙装配连接示意图
为克服套筒连接对装配精度要求过高的不足，笔者提出卡件式钢筋机械搭接连接方法，该方法采用符合《钢丝绳夹》(GB/T 5976—2006) [20]的不锈钢卡件，通过螺栓提供预压力，实现钢筋机械搭接有效连接，具有施工简单、成本低等优点。
为了验证卡件式钢筋机械搭接试件的力学性能，对6组共18个试件开展轴向拉伸试验，以验证不同直径、卡件数量、搭接长度、卡件间距及螺栓扭矩等对连接可靠性的影响。
3 试验概况
3.1 试件设计
剪力墙结构广泛应用于高层住宅建筑，是我国建筑体量最大的建筑类型。剪力墙配筋由约束边缘构件受力钢筋、墙内分布筋构成。通过对百米以内高层住宅剪力墙结构配筋统计分析发现，7度及以下抗震地区，剪力墙约束边缘构件的钢筋直径一般不超过14mm, 分布筋按构造配筋即可，直径一般不超过10mm。基于以上分析，采用直径为10mm和12mm两种规格的HRB400钢筋，进行卡件式钢筋机械搭接试件的拉伸试验。
为进一步验证卡件对钢筋的轴向约束作用，试件设计两卡件与三卡件两种连接形式，并分别在卡件不同区段粘贴应变片。试件搭接参数见表1,试件及应变片粘贴位置见图2。
钢筋搭接试件参数 表1
试件编号 |
钢筋 直径 /mm |
搭接长度 A/mm |
卡件数 量/个 |
卡件间距 L1/mm |
扭矩 /(N·m) |
DN-10-K3-1 |
10 | 250 | 3 | 75 | 55 |
DN-10-K3-2 |
10 | 250 | 3 | 75 | 55 |
DN-10-K3-3 |
10 | 250 | 3 | 75 | 55 |
DN-10-K3-4 |
10 | 200 | 3 | 75 | 55 |
DN-10-K3-5 |
10 | 200 | 3 | 75 | 55 |
DN-10-K3-6 |
10 | 200 | 3 | 75 | 55 |
DN-12-K3-1 |
12 | 250 | 3 | 75 | 68 |
DN-12-K3-2 |
12 | 250 | 3 | 75 | 68 |
DN-12-K3-3 |
12 | 250 | 3 | 75 | 68 |
DN-12-K3-4 |
12 | 200 | 3 | 75 | 68 |
DN-12-K3-5 |
12 | 200 | 3 | 75 | 68 |
DN-12-K3-6 |
12 | 200 | 3 | 75 | 68 |
DN-10-K2-1 |
10 | 200 | 2 | 120 | 55 |
DN-10-K2-2 |
10 | 200 | 2 | 120 | 55 |
DN-10-K2-3 |
10 | 200 | 2 | 120 | 55 |
DN-12-K2-1 |
12 | 200 | 2 | 120 | 68 |
DN-12-K2-2 |
12 | 200 | 2 | 120 | 68 |
DN-12-K2-3 |
12 | 200 | 2 | 120 | 68 |
3.2 材料力学性能
分别从10mm和12mm直径的钢筋中切割出3根母材，长度均为450mm, 通过试验测量其母材强度。钢筋屈服强度和极限强度根据母材试验测量结果取平均值，见表2。
不锈钢卡件采用标准304不锈钢U型卡夹，规格分别M10,M12,符合国家《钢丝绳夹》(GB/T 5976—2006) [20]要求。采用电动数显扭矩扳手施加拧紧扭矩，拧紧扭矩见表1。卡件的螺栓紧固力矩符合《U型管夹及座》(Q/STB B07283—1998) [21]要求。
钢筋的力学性能 表2
钢筋型号 |
截面面 积/mm2 |
屈服拉 力/kN |
极限拉 力/kN |
屈服应力 /MPa |
极限应力 /MPa |
 10 |
78.5 | 35.3 |
49.85 | 452.65 | 635.5 |
35.8 |
49.93 | ||||
35.5 |
49.87 | ||||
 12 |
113.1 | 51.02 |
72.61 | 450.87 | 642.97 |
50.91 |
72.35 | ||||
51.05 |
73.20 |
图2 卡件式钢筋机械搭接示意图
图3 加载装置
轴向拉伸试验结果 表3
| 试件编号 | 屈服拉力/kN | 屈服应力/MPa | 屈服应变 | 极限拉力/kN | 极限应力/MPa | 破坏应变 | 破坏形式 |
DN-10-K3-1 |
35.43 | 451.33 | 0.002 51 | 50.20 | 639.52 | 0.014 3 | 钢筋拉断 |
DN-10-K3-2 |
35.51 | 452.41 | 0.002 52 | 50.17 | 639.10 | 0.014 4 | 钢筋拉断 |
DN-10-K3-3 |
35.47 | 451.85 | 0.002 48 | 50.30 | 640.73 | 0.014 2 | 钢筋拉断 |
DN-10-K3-4 |
35.36 | 450.45 | 0.002 50 | 49.82 | 634.65 | 0.014 1 | 钢筋拉断 |
DN-10-K3-5 |
35.59 | 453.38 | 0.002 49 | 50.18 | 639.83 | 0.014 4 | 钢筋拉断 |
DN-10-K3-6 |
35.40 | 450.96 | 0.002 45 | 49.93 | 636.05 | 0.014 2 | 钢筋拉断 |
DN-12-K3-1 |
51.27 | 453.52 | 0.002 52 | 69.99 | 619.38 | 0.014 3 | 钢筋拉断 |
DN-12-K3-2 |
51.13 | 452.36 | 0.002 48 | 70.74 | 626.02 | 0.014 1 | 钢筋拉断 |
DN-12-K3-3 |
51.18 | 452.74 | 0.002 46 | 70.67 | 625.40 | 0.014 5 | 钢筋拉断 |
DN-12-K3-4 |
51.27 | 453.52 | 0.002 51 | 70.93 | 627.70 | 0.014 4 | 钢筋拉断 |
DN-12-K3-5 |
51.13 | 452.36 | 0.002 53 | 69.86 | 618.23 | 0.014 2 | 钢筋拉断 |
DN-12-K3-6 |
51.18 | 452.74 | 0.002 49 | 70.20 | 621.24 | 0.014 1 | 钢筋拉断 |
DN-10-K2-1 |
37.28 | 474.91 | 0.002 3 | 卡头滑移 | |||
DN-10-K2-2 |
37.34 | 475.65 | 0.002 6 | 卡头滑移 | |||
DN-10-K2-3 |
37.08 | 472.35 | 0.002 5 | 卡头滑移 | |||
DN-12-K2-1 |
52.89 | 467.87 | 0.002 3 | 卡头滑移 | |||
DN-12-K2-2 |
53.18 | 470.53 | 0.002 7 | 卡头滑移 | |||
DN-12-K2-3 |
53.29 | 471.44 | 0.0024 | 卡头滑移 |
3.3 试验方案
采用600kN材料力学试验机对试件进行轴向拉伸试验，直到试件破坏。拉伸加载采用位移控制，加载速度为0.5mm/min。为进一步研究卡件对钢筋轴向约束作用大小，分析钢筋在轴向拉力作用下不同区段的轴力分布规律，在两段搭接钢筋表面贴有应变片，应变片位置如图2所示，通过数据采集仪测量应力大小，试件加载装置如图3所示。
4 试验结果与分析
对6组18个试件开展轴向拉伸试验，各个试件屈服应力、极限应力及破坏形式见表3。其中不同钢筋直径及搭接长度的三卡件连接的12个试件，破坏形式均为钢筋拉断，极限应力达到618MPa以上；不同钢筋直径两卡件连接的6个试件，破坏形式均为钢筋与卡件发生滑移，极限应力在470MPa左右。
4.1 试件破坏形态
对两卡件钢筋机械搭接试件(简称两卡件试件),试验初期，由于钢筋搭接产生的偏心作用，随着荷载的逐渐增加，垂直钢筋的卡件出现较小倾斜；待荷载增加到一定数值后，卡件的倾斜程度不再变化，试件进入弹性状态。选取典型试件DN-10-K2-3,DN-12-K2-3,试件的荷载-位移曲线、应力-应变曲线分别如图4,5所示。从图4可知，DN-12-K2-3试件达到最大拉力53.29kN后，钢筋有屈服迹象，拉力逐渐变小，达到45.2kN时拉力出现陡降，试件破坏，极限破坏荷载超过
12设计值40.68kN,对于DN-10-K2试件组有类似特征。由图5可知，当应变在0～0.000 3区间，由于卡件倾斜转角，应力-应变曲线不完全满足线性关系；当应变在0.000 3～0.001区间，应力-应变曲线显示试件处于弹性变形阶段；当应变达到0.015,应力-应变曲线凸凹性发生变化，此时钢筋应力达到最大值475MPa。此后应力逐渐减小，应变增加，当应力达到395MPa时，卡件与钢筋发生瞬间刚体滑移，导致应力突降到261MPa, 而应变基本不变。试件失效时钢筋表面肋与U型卡件接触面发生剪切破坏，卡件与钢筋之间出现明显滑移，滑移值达5～7mm, 两卡件试件无屈服阶段，属于脆性破坏。试件破坏照片如图6所示。
图4 两卡件试件典型 荷载-位移曲线
图5 两卡件试件典型 应力-应变曲线
图6 两卡件试件连接破坏图
三卡件钢筋机械搭接试件(简称三卡件试件)的应力-应变曲线与母材钢筋的应力-应变曲线基本一致，钢筋应力达470～476MPa, 钢筋屈服，存在明显弹性、屈服、强化与颈缩四个阶段，选取典型试件DN-10-K3-1,DN-12-K3-1,试件的荷载-位移曲线、应力-应变曲线分别如图7,8所示。所有试件均表现为以钢筋拉断为最终破坏形式(表3),试件破坏照片见图9,说明三卡件试件基本实现了等强连接的工程要求。
4.2 卡件轴向约束力的确定
以试件DN-10-K2-2为例，分析两卡件试件破坏特征。当钢筋应力达到峰值475MPa时，卡件与钢筋肋接触面之间发生剪切破坏，钢筋与卡件之间产生明显位移导致试件破坏。因此可以推断，钢筋搭接破坏取决于钢筋自身抗剪切强度。试验测得两卡件试件不同区段应力如图10所示。根据实测应力可以计算出各卡件对试件提供的轴向约束力设计值，见表4。由表4可知，当荷载达到极根时，两卡件所提供的轴向约束力基本相同，因此可采用两个卡件的极限荷载来确定单个卡件对试件轴向约束力的设计值。
图7 三卡件试件典型 荷载-位移曲线
图8 三卡件试件典型 应力-应变曲线
图9 三卡件试件连接破坏图
单个卡件对试件的轴向约束力设计值 表4
试件编号 |
极限拉 力/kN |
单个卡件约束力 值实测值/kN |
单个卡件约束力 设计值/kN |
DN-10-K2-1 |
37.28 | 18.64 | 18 |
DN-10-K2-2 |
37.34 | 18.67 | |
DN-10-K2-3 |
37.08 | 18.64 | |
DN-12-K2-1 |
52.89 | 26.45 | 26 |
DN-12-K2-2 |
53.18 | 26.59 | |
DN-12-K2-3 |
53.29 | 26.65 |
4.3 卡件对钢筋轴向约束力的影响分析
选取试件DN-12-K3-5进行分析，三个测点应力如图11所示。试件DN-12-K3-5轴力图如图12(a)所示。测点1处试件破坏时的应力为618.23MPa; 测点2处在1 000s时钢筋应力为410MPa, 此后随着时间增加，此段钢筋应力增量较小，破坏时应力大小为424.02MPa, 第二段钢筋进入屈服阶段；测点3处钢筋一直处于弹性状态，钢筋拉断时最大应力为220MPa。根据实测的应力计算出钢筋各段轴力，卡件提供的轴向约束力处在21.93～24.87kN之间。
图10 试件DN-10-K2-2 测点应力图
图11 试件DN-12-K3-5 测点应力图
图12 试件DN-12-K3-5受力分析图
因此根据钢筋搭接试验，可以作出两点假定：1)忽略非卡件区域钢筋之间的接触摩擦作用，所有轴向力均由卡件约束提供，故钢筋搭接长度以三个卡件扭矩施工操作为主要考虑因素，控制在200～250mm为宜；2)根据实测结果，可以近似认为各卡件提供的轴向约束力相等。
根据上述两点假设，画出钢筋搭接连接受力分析图，见图12(b)。建立轴向平衡方程：
σsAy=nτAs (1)As=σsAynτ (2)σsAy=nτAs (1)As=σsAynτ (2)
式中：n为卡件的数量；σs为钢筋拉应力；Ay为钢筋截面面积；As为钢筋与约束接触面积；τ为钢筋与钢筋、钢筋与卡件之间平均切应力。
试验表明，当卡件的扭矩满足《U型管夹及座》(Q/STB B07283—1998) [21]要求时，试件破坏是由于卡件与钢筋接触面之间剪应力超过钢筋的剪切强度所致。因此，τ可取钢筋的剪切极限应力。
由试验及受力分析可知，在破坏阶段，σs可取钢筋极限应力，因此当卡件扭矩满足要求时，钢筋搭接强度取决于钢筋自身抗剪切强度值的大小、卡件的数量及卡件与钢筋之间接触面积三个有效因素。因此，提高卡件数量、优化U型卡件设计，增加钢筋与约束接触面积，对于提高钢筋搭接连接的可靠性具有重要意义。
5 结论
(1)剪力墙约束边缘构件受力钢筋采用符合《钢丝绳夹》(GB/T 5976—2006) [20]的不锈钢卡件进行机械搭接，当采用三个卡件时，钢筋的连接强度大于母材的连接强度，钢筋拉断，试件的应力-应变曲线与母材应力-应变曲线基本一致，存在明显的弹性、屈服、强化与颈缩四个阶段。
(2)当卡件扭矩满足《U型管夹及座》(Q/STB B07283—1998) [21]要求时，钢筋机械搭接强度与卡件数量、卡件与钢筋接触面积有关，提高卡件数量、优化U型卡件设计，增加钢筋与约束接触面积，对于提高钢筋搭接连接的可靠性具有重要意义。
(3)本文提出的卡件式钢筋机械搭接具有搭接长度短，施工操作方便，预制安装精度要求低，工程质量可靠等优点，可以应用于叠板搭接、钢板抗剪装配自稳定剪力墙结构，约束边缘构件受力钢筋的等强连接，具有较好的工程应用前景。
[2] LING J H,ABD RAHMAN A B,IBRAHIM I S,et al.Tensile capacity of grouted splice sleeves[J].Engineering Structures,2016,111:285-296.
[3] LING J H,LIEW Y F,LEONG W K,et al.Modelling the response of tapered head sleeve connection under tensile load using finite element method[J].Asian Journal of Civil Engineering,2017,18(5):837-852.
[4] ALIAS A,SAPAWI F,KUSBIANTORO A,et al.Performance of grouted splice sleeve connector under tensile load[J].Journal of Mechanical Engineering and Sciences,2014,7:1094-1102.
[5] HOSSEINIS J A,ABD RAHMAN A B,BAHARUDDIN A.Analysis of spiral reinforcement in grouted pipe splice connectors[J].Gradevinar,2013,65(6):537-546.
[6] ABD RAHMAN A B,YOON L H,IBRAHIM I S,et al.Performance of grouted splice sleeves with tapered bars under axial tension[J].Applied Mechanics and Materials,2015,789-790:1176-1180.
[7] 吴涛，王珅，刘毅斌，等.钢筋套筒灌浆连接件的力学性能[J].建筑科学与工程学报，2019,36(2):21-29.
[8] 郑永峰，郭正兴，曹江.新型灌浆套筒的约束机理及约束应力分布[J].哈尔滨工业大学学报，2015,47(12):106-111.
[9] 郑永峰，郭正兴.循环荷载作用下新型钢筋套筒灌浆连接结构性能[J].湖南大学学报(自然科学版),2016,43(11):131-140.
[10] 许成顺，刘洪涛，杜修力.高应力反复拉压作用下钢筋套筒灌浆连接性能试验研究[J].建筑结构学报，2018,39(12):178-184.
[11] 姜洪斌，张海顺，刘文清，等.预制混凝土插入式预留孔灌浆钢筋搭接试验[J].哈尔滨工业大学学报，2011,43(10):18-23.
[12] 姜洪斌，张海顺，刘文清，等.预制混凝土结构插入式预留孔灌浆钢筋锚固性能[J].哈尔滨工业大学学报，2011,43(4):28-31,36.
[13] 余琼，许志远，袁炜航，等.两种因素影响下套筒约束浆锚搭接接头拉伸试验[J].哈尔滨工业大学学报，2016,48(12):34-42.
[14] 任宏伟，王思远，严珊，等.装配式剪力墙竖向钢筋套筒注浆搭接试验研究[J].河南理工大学学报(自然科学版),2020,39(2):130-137.
[15] 任宏伟，严珊，王思远.装配式剪力墙竖向钢筋套筒注浆连接试验研究[J].世界地震工程，2020,36(1):93-100.
[16] 韩文龙，赵作周，钱稼茹，等.钢筋套筒挤压搭接连接叠合次梁-主梁连接节点受力性能试验研究[J].建筑结构学报，2016,37(3):86-93.
[17] 游春华，尹影，贺斌，等.叠板搭接的装配自稳定剪力墙：ZL201910858048.9[P].2020-11-17.
[18] 游春华，刘文祥，贺斌，等.装配式建筑的墙-梁-板连接结构及施工方法：ZL201910858047.4[P].2020-9-29.
[19] 游春华，何根，谢成，等.装配式剪力墙施工方法：ZL201910858311.4[P].2020-10-30.
[20] 钢丝绳夹：GB/T 5976—2006[S].北京：中国机械工业出版社，2006.
[21] U型管夹及座：Q/STB B07283—1998[S].北京：中国机械工业出版社，1997.