目前, 钢筋套筒灌浆连接技术是预制混凝土构件纵向钢筋连接的主流技术。钢筋套筒灌浆连接^[1]具有安全可靠、应用范围广泛的优点, 但其连接成本较高, 且目前常用的半灌浆套筒非灌浆端的竖向钢筋需要进行套丝加工处理, 不仅提高了连接成本, 且经过套丝加工的螺纹连接端连接性能难以保证。

　　 为降低连接成本, 研究开发预制混凝土构件纵向钢筋连接新技术, 在对比分析现有钢筋套筒灌浆连接和约束浆锚连接技术^[2]的基础上, 通过长期的预制混凝土构件生产和项目施工调研, 提出了一种新型的预制构件纵向钢筋连接方式———钢筋螺旋插筋连接技术, 并已获得专利授权。

　　 为研究钢筋螺旋插筋连接性能, 确定其主要技术参数, 综合评价其经济效益, 本文设计了48个钢筋螺旋插筋连接试件, 通过单向拉伸试验来评估该连接技术的可靠性和适用性。

　　 钢筋螺旋插筋连接构造如图1所示, 上部预制构件钢筋的下端一段弯曲成圆形螺旋箍筋;采用预埋金属波纹管在螺旋段钢筋内部成一孔道;所成孔洞底部和顶部分别留设灌浆孔和排气孔。构件制作时, 将上部构件钢筋、金属波纹管、灌浆管和排气管进行定位, 之后浇筑混凝土成型。施工时, 将下部构件钢筋插入预留孔洞中至设计长度, 从灌浆孔进行压力灌浆, 待排气孔出浆后养护1~2d, 即可实现预制构件钢筋的连接。

　　 本试验连接钢筋选用HRB335级, 直径d为12mm, 钢筋螺旋段环外径为70mm, 螺旋间距S分别为40mm和70mm。混凝土强度等级为C50, 金属波纹管外径D为40mm。试件钢筋浆锚长度在受拉钢筋基本锚固长度^[3,4]基础上, 通过系数折减设计, 本文的浆锚钢筋锚固长度分别为0.8l_a, 0.7l_a, 0.6l_a, 0.5l_a, 0.4l_a, 0.3l_a, 0.2l_a, 0.1l_a (l_a为受拉钢筋基本锚固长度, 根据材性试验, l_a为267mm) 。

　　 混凝土试件截面尺寸设计为150mm×150mm。为防止预埋钢筋端混凝土局部受拉破坏, 同时与实际情况相符合, 设计长度为300mm (大于l_a=267mm) 的混凝土段来保护预埋钢筋。预埋钢筋直筋端伸出试件300mm, 浆锚钢筋伸出试件600mm。试件尺寸设计见图2和表1。

　　 试件制作流程为:连接钢筋、金属波纹管、木模板材料下料→预埋钢筋和金属波纹管入模→浇筑混凝土并振捣→养护7d后拆模→继续养护21d后灌浆→继续养护28d后成型。图3为待浇混凝土模板, 图4为成型试件。

　　 试验时专门制作了一个钢架用于试件加载, 钢架主体部分由4根Ф36钢柱和两块40mm厚承压钢板组成。其中钢柱长1 500mm, 两端分别刻出600mm长的螺纹, 可以通过螺母来调节钢架内部空间尺寸。承压钢板四周设有钢柱插孔, 并在钢板内靠近中心处预留钢筋插孔。试验采用20t手动式液压穿心千斤顶进行加载, 并配有一对直径为12mm的三片状钢筋锚具。加载装置和设备见图5, 图6为加载中的试件。

　　 试验前, 根据试件长度来调节两块钢垫板之间的距离。将试件放入加载钢架内部, 使试件的两连接钢筋分别从两块钢垫板上的孔洞伸出, 将空心千斤顶穿过浆锚钢筋使其端部顶在钢垫板上, 然后在两端的钢筋上装上锚具锚紧钢筋。由于两连接钢筋不同轴, 故加载时在试件两侧分别放置钢垫块来平衡弯矩。根据相关规范^[5], 加载按5k N/min的速度进行, 在加载过程中, 注意观察和记录试件表面混凝土裂缝开展情况, 记录钢筋的屈服荷载和极限荷载, 直至钢筋被拉断或拔出。

　　 钢筋浆锚长度较大的试件在加载初期, 试件表面一般没有明显变化, 加载至浆锚钢筋屈服后, 试件自由端混凝土一般慢慢开始发出“噼噼啪啪”的声响, 加载接近钢筋极限荷载时, 自由端钢筋周围一般有部分混凝土破碎脱落, 最终试件一般会发生浆锚钢筋或自由端钢筋拉断破坏。钢筋浆锚长度较小的试件在加载初期, 试件表面一般没有明显变化, 持续加载至某一荷载值时, 试件往往在预埋波纹管端部位置附近突然发生沿整个横截面的劈断破坏, 继续加载, 浆锚钢筋一般被拔出, 部分浆锚钢筋被拉断。部分试件破坏模式见图7和图8。

　　 48个钢筋螺旋插筋连接试件中, 钢筋浆锚长度≥0.4l_a的30个试件均发生了浆锚钢筋拉断破坏, 其中有3个试件发生了自由端钢筋拉断破坏, 其他试件均发生了加载端浆锚钢筋拉断破坏。钢筋浆锚长度为0.3l_a的6个试件中, 试件40-0.3-1和70-0.3-1发生了浆锚钢筋拉断破坏, 其他4个试件均发生了试件横向劈断、浆锚钢筋拔出破坏。钢筋浆锚长度≤0.2l_a的12个试件, 全部发生试件横向劈断、浆锚钢筋拔出破坏。钢筋浆锚长度≥0.3l_a的36个试件浆锚钢筋均达到了屈服状态, 钢筋浆锚长度≤0.2l_a的12个试件浆锚钢筋均未达到屈服状态而直接发生横向劈裂破坏, 浆锚钢筋出现滑移被拔出。试验结果汇总见表2。

　　 对比分析各个试件在加载过程中的表观现象和破坏状态, 可以发现以下规律:

　　 (1) 浆锚钢筋或自由端钢筋拉断的试件的自由端钢筋周围混凝土都出现了不同程度的破碎脱落, 而浆锚端钢筋周围混凝土基本完好无损 (图9) 。这是由于两连接钢筋是非同轴的, 加载时会产生弯矩和剪力, 导致自由端钢筋两侧一侧受拉一侧受压, 受拉侧混凝土发生局部劈拉破坏而受压侧混凝土发生局部受压破碎, 因此试件加载时自由端钢筋周围混凝土会出现破碎脱落的现象。而浆锚端钢筋被高强灌浆料包裹, 浆锚钢筋、高强灌浆料和金属波纹管紧固结合成一个整体, 由于金属波纹管与外围混凝土接触面积较大, 因此加载时浆锚钢筋两侧受拉和受压区均不会出现局部应力集中的现象, 同时螺旋钢筋增强了对混凝土变形的约束, 所以浆锚端钢筋周围混凝土在加载过程中基本完好无损。

　　 (2) 浆锚钢筋螺旋间距相同时, 对于浆锚钢筋或自由端钢筋拉断的试件, 试件加载过程中自由端混凝土破碎剥落现象随钢筋浆锚长度的减小而逐步加重。这是由于各试件加载达到钢筋极限荷载时, 钢筋所受拉力F和偏心距e基本保持不变, 由力矩平衡方程Fe=Pl (l为试件两端受到的局部压力P之间的距离) 可以得出, 试件长度越短, l越小, 试件受到的局部压力P越大, 因此自由端混凝土破碎剥落现象越严重 (图10) 。

　　 (3) 对于浆锚钢筋被拔出的试件, 加载至某一荷载值时, 试件在预埋波纹管端部位置附近突然发生沿整个横截面的劈断破坏。这是由于试件加载时, 试件在预埋波纹管端部位置受到双向拉力作用, 该处拉力全部由混凝土截面承担, 而试件其他位置均由钢筋和混凝土截面共同承担拉力。试件加载时, 预埋波纹管端部位置混凝土截面是受拉力最大的位置, 因此当荷载达到一定数值时, 预埋波纹管端部位置混凝土截面应力达到极限值后, 试件便从预埋波纹管端部位置沿整个混凝土截面发生劈断破坏。图11为部分发生劈断破坏的试件。

　　 (4) 试验中发现, 钢筋浆锚长度较大的试件一般不会发生混凝土沿横截面劈断破坏, 而钢筋浆锚长度较小的试件基本都发生了混凝土沿横截面劈断破坏。这是由于浆锚钢筋与混凝土 (灌浆料) 之间的平均粘结应力与钢筋浆锚长度l_s成反比, 即:τ=F/πdl_s。其中, 试件加载达到钢筋极限荷载时, 钢筋所受拉力F基本保持不变, πd为定值, 钢筋浆锚长度越小, 浆锚钢筋与混凝土 (灌浆料) 之间的平均粘结应力越大。因此钢筋浆锚长度越小的试件越容易发生混凝土沿横截面劈断破坏。

　　 理论上认为, 浆锚钢筋或自由端钢筋拉断, 且混凝土试件不发生劈断破坏的试件连接有效^[6], 即连接可靠;而浆锚钢筋被拔出或混凝土试件发生劈断破坏的试件连接无效, 即连接不可靠。48个钢筋螺旋插筋连接试件中, 钢筋浆锚长度≥0.5l_a的24个试件均发生了浆锚钢筋或自由端钢筋拉断破坏且混凝土试件没有发生劈断破坏, 因此钢筋连接均有效;钢筋浆锚长度≤0.2l_a的12个试件全部发生了试件横向劈断、浆锚钢筋拔出破坏, 因此钢筋连接均无效;钢筋浆锚长度为0.4l_a的6个试件中, 试件40-0.4-2和70-0.4-3发生了劈断破坏, 钢筋连接无效, 其他4个试件均连接有效;钢筋浆锚长度为0.3l_a的6个试件中, 试件40-0.3-1和70-0.3-1浆锚钢筋被拉断, 且混凝土没有发生劈断破坏, 该两个试件连接有效, 而其他4个试件均发生了劈断破坏, 钢筋连接无效。试件连接可靠性详见表3。

　　 根据试验结果可知, 钢筋浆锚长度≥0.5l_a的所有试件均连接可靠, 钢筋浆锚长度等于0.4l_a时有2/3的试件连接可靠, 因此认为钢筋螺旋插筋连接的极限钢筋浆锚长度在0.4l_a和0.5l_a之间, 初步确定其可靠浆锚长度为≥0.5l_a。

　　 由于本文的试验方法设计和试验装备设置存在一定的问题, 在一些方面略显粗糙, 且有些试验缺陷无法避免, 比如加载时很难实现加载速度恒定、加载过程中难以保证两搭接钢筋受力始终平行等。这些因素会对试验结果产生一定的影响, 因此, 本文在试验研究的基础上继续进行理论分析。

　　 将钢筋与混凝土界面分离出来考虑 (图12) 。一般认为钢筋与混凝土之间的化学胶结力较小, 予以忽略, 只考虑二者之间的握裹力和机械咬合力。

　　 在钢筋所受拉力F作用下, 混凝土受到挤压力p及摩擦力μp, 将二者沿钢筋轴向以及径向分解, 不难得到τ和q的表达式^[7,8]:

　　 式中:τ为钢筋与混凝土间粘结强度;q为钢筋对混凝土环向压应力;p为钢筋对混凝土截面挤压力;μ为钢筋与混凝土间摩擦系数;α为混凝土破坏面与钢筋纵轴之间的夹角。

　　 浆锚钢筋平均粘结应力可用式 (2) 计算, 其中F为钢筋所受到的拉力, l_s为钢筋浆锚长度。

　　 将式 (2) 代入式 (1) 中可求得:

　　 为建立钢筋螺旋插筋连接钢筋浆锚长度理论计算公式, 需做以下几点说明和假设:

　　 (1) 由于高强灌浆料的抗拉强度远大于普通混凝土, 且浆锚钢筋外围配有金属波纹管, 相当于加强了横向约束。因此假设浆锚钢筋与高强灌浆料及金属波纹管三者为统一整体。

　　 (2) 文献[9]表明, 截面上混凝土未开裂时, 混凝土受到的拉应力大小与距离受力钢筋的距离大致成线性关系, 故在计算混凝土应力时假设受力纵筋边缘处混凝土所受到的拉应力最大, 试件表面边缘处混凝土拉应力为零, 中间部位混凝土拉应力按线性分布计算。

　　 (3) 当受力纵筋边缘处混凝土达到抗拉强度时, 该处混凝土会发生劈裂破坏, 此后劈裂裂缝会迅速向外传递, 整个截面发生劈裂破坏^[10]。因此假定一旦受力钢筋边缘处混凝土达到抗拉强度试件即发生劈裂破坏。

　　 基于以上假设, 当受力纵筋边缘处混凝土即将达到抗拉强度时, 试件的剖断面受力图解见图13, 取一个钢筋螺旋间距S进行计算, 由力的平衡条件可建立以下方程:

　　 式中:σ_s为螺旋钢筋应力;A为钢筋截面面积;S为钢筋螺旋间距;a为混凝土试件边长;D为金属波纹管外径;d为钢筋直径;q₁为金属波纹管受到的内压力, q₁可用下式计算:

　　 混凝土即将开裂时, 有γ=0.5, 且σ_c=f_tk, 此时螺旋钢筋受到的拉应力为:

　　 式中α_E为螺旋钢筋弹性模量与混凝土弹性模量比值。

　　 联立式 (3) ~ (6) 可以得到:

　　 将受力钢筋拉断和混凝土开裂同时发生作为试件的极限状态, 即有:

　　 式中f_stk表示连接钢筋的极限抗拉强度。

　　 将式 (8) 代入到式 (7) 中则可以得到钢筋螺旋插筋连接钢筋极限浆锚长度的理论计算公式:

　　 按照文献[11]取α=30°, μ=0.3, 则钢筋螺旋插筋连接钢筋极限浆锚长度的理论计算最终表达式为:

　　 对于本文中的参数, 有D=40mm, A=36πD²mm², f_stk=489.0N/mm², f_tk=2.96N/mm², α_E=2×10⁵/ (3.45×10⁴) =5.8, a=150mm。

　　 将S=70mm和S=40mm和上述参数分别代入式 (10) , 可以得到钢筋螺旋间距为S=40mm和S=70mm的试件的钢筋极限浆锚长度分别为103mm和139mm。

　　 根据试验结果, 钢筋螺旋插筋连接的钢筋极限浆锚长度约在9d (0.4l_a) 和11d (0.5l_a) 之间;根据理论分析, 钢筋螺旋间距为S=40mm和S=70mm的试件的钢筋极限浆锚长度分别约为8.6d (103mm) 和11.6d (139mm) 。

　　 从表4可以看出, 钢筋极限浆锚长度理论值与试验值吻合良好。为安全起见, 取试验值和理论值中的较大值, 并乘以1.25的安全系数^[12], 即取l_s=1.25×11.6d≈15d, 作为钢筋螺旋插筋连接工程应用的钢筋浆锚长度建议值。

　　 为达到在工程中应用的需要, 参照相关标准规范的要求和本文的研究成果, 钢筋螺旋插筋连接技术参数要求如下:连接钢筋螺旋间距不应大于80mm, 环内径应大于45mm;螺旋段钢筋的混凝土保护层厚度^[13]不应小于受力钢筋保护层厚度;孔道直径不宜小于40mm, 墙体底部预留孔道直线段长度应大于下层预制构件连接钢筋深入孔道内的长度30mm;预留插筋中心线位置偏移允许偏差不超过3mm, 外露长度允许偏差不超过±5mm;钢筋螺旋插筋连接浆锚长度不宜小于15d, 相应的灌浆料28d强度不低于80MPa。

　　 (1) 试验研究表明, 钢筋螺旋插筋连接性能良好, 受力合理, 螺旋钢筋和金属波纹管组成的多重横向约束体系能够很好地增强其承载能力, 降低钢筋极限浆锚长度。

　　 (2) 通过试验结果分析和理论计算, 在满足其他技术参数要求的前提下, 建议钢筋螺旋插筋连接工程应用的钢筋浆锚长度取15d。

　　 (3) 钢筋螺旋插筋连接构造简单、构件生产和施工简便、成本低廉, 适用于小直径钢筋的连接, 应用于低多层装配式建筑PC构件钢筋连接具有显著的经济效益, 具有很好的推广价值。