高強鋼筋機械連接接頭的創(chuàng)新設計研究

周桂香，蔣鳳昌，曹子昂，程越東，朱恒其

（泰州職業(yè)技術學院 建筑工程學院，江蘇 泰州 225300）

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高強鋼筋機械連接接頭的創(chuàng)新設計研究

周桂香，蔣鳳昌，曹子昂，程越東，朱恒其

（泰州職業(yè)技術學院 建筑工程學院，江蘇 泰州 225300）

摘要：通過研究現(xiàn)有的鋼筋連接接頭技術，創(chuàng)新設計了兩種機械連接接頭，鐓頭式套管機械連接接頭和錐楔式套管機械連接接頭，并通過ANSYS有限元分析，旨在克服現(xiàn)有技術的一些缺陷，提高高強鋼筋的連接性能，降低材料消耗，從而為高強鋼筋推廣應用提供良好的條件。

關鍵詞：高強鋼筋；機械連接接頭；ANSYS分析模塊

隨著建筑業(yè)和加工制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，以及建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求，我國加大了高強鋼筋的技術開發(fā)和推廣應用工作。并且正式發(fā)布《關于加快應用高強鋼筋的指導意見》，這是工業(yè)和信息化部與住房和城鄉(xiāng)建設部推動上下游產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展，實現(xiàn)減量化用鋼的重要舉措。

抗拉屈服強度達到400MPa及以上的螺紋鋼筋可稱之為高強鋼筋，它具有材料強度高、綜合性能優(yōu)、材料利用率高等優(yōu)點。用高強鋼筋替代工程中大量使用的335MPa螺紋鋼筋，平均可節(jié)約鋼材12%以上。與高強鋼筋推廣應用相對應，高強鋼筋機械連接接頭技術的開發(fā)成為工程界急需解決的熱點問題［1］。

1　鋼筋機械連接現(xiàn)有的技術

在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程中，隨著高層、超高層的現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的項目建設，直徑大于25mm的粗鋼筋越來越多地出現(xiàn)在設計作品中，因此，粗鋼筋的連接質(zhì)量得到了業(yè)內(nèi)人士的重視。當實施實際工程時，在鋼筋綁扎連接、焊接連接和機械連接的三種連接形式中，應優(yōu)先考慮選用機械連接。針對鋼筋的機械連接，科研機構(gòu)和企業(yè)先后研制開發(fā)了幾種粗鋼筋機械連接的技術，如冷擠壓套筒機械連接技術和直螺紋套筒機械連接技術。

1.1冷擠壓套筒機械連接技術

鋼筋冷擠壓套筒機械連接技術是把兩根需連接為一體的鋼筋預置在套筒中，用液壓式擠壓設備對套筒施加荷載，使其產(chǎn)生冷壓塑性變形，套筒產(chǎn)生折皺而緊緊包裹住帶肋鋼筋，從而可以使套筒與鋼筋一起傳遞荷載。冷擠壓套筒機械連接技術可以適用于直徑16mm～40mm的帶肋鋼筋。而且對于延展性要求高、可焊接性能較差的鋼筋接頭，更應優(yōu)先選用；該種機械連接常用于鋼筋的A級連接接頭，能夠滿足套管材料的強度、剛度等力學性能均與帶肋鋼筋母材相當。

1.2直螺紋套筒連接技術

直螺紋套筒連接技術是優(yōu)于錐螺紋套筒連接的一項技術。首先將待連接鋼筋的端頭鐓粗，接著對鋼筋端部進行切削，形成直螺紋，然后將鋼筋旋入帶螺紋的套筒內(nèi)實現(xiàn)連接，傳遞外部荷載。將鋼筋預先鐓粗的優(yōu)點在于，切削成螺紋的過程中，螺紋部位的鋼筋截面不會小于原鋼筋截面，從而不會影響接頭部位的受力性能，該種機械連接接頭的可靠性得到提高。

綜合比較，直螺紋套筒機械連接比冷擠壓套筒機械連接更具有優(yōu)越的經(jīng)濟性，節(jié)省鋼材達到70%；與錐螺紋套筒機械連接相比，可以節(jié)省鋼材大約35%。

2　高強鋼筋機械連接接頭設計

2.1鐓頭式套管機械連接技術

2.1.1創(chuàng)新設計的原因隨著抗拉屈服強度達到400MPa及以上的高強鋼筋推廣應用，鋼筋機械連接接頭的承載能力需要提高，從而存在一些急需改進的方面：（1）冷擠壓套管連接接頭的結(jié)構(gòu)尺寸增大和強度增大，導致操作困難；（2）螺紋制作工藝繁瑣，并且存在螺紋質(zhì)量缺陷、降低接頭承載力的情況。

為了解決上述的問題，項目組創(chuàng)新設計了一種高強鋼筋的鐓頭式套管機械連接，該機械連接由高強鋼筋和鋼套管組成［2］?；诜律鷮W原理，將高強鋼筋加熱鐓粗成蒜頭狀端部；并且套管對稱設有蒜頭狀空腔，如圖1所示。

2.1.2連接技術的實施步驟本創(chuàng)新設計連接接頭的實施方法（圖2a至圖2c）包括以下步驟：

步驟一：如圖2a所示，將套管夾具3居中夾持鋼套管，對稱安裝高強鋼筋至鋼套管中，使高強鋼筋端頭緊密接觸，并用鋼筋夾具4夾持高強鋼筋，此時鋼筋1與鋼套管2之間具有0.5～1.5mm的間隙。

步驟二：如圖2b所示，啟動電極加熱系統(tǒng)5，使得位于鋼套管中的高強鋼筋端頭加熱至適當溫度（超過600°C），此時電極斷電，防止擠壓過程中對鋼套管加熱。

步驟三：如圖2c所示，驅(qū)動鋼筋夾具，使加熱后的高強鋼筋端頭互相擠壓，高強鋼筋鐓粗成蒜頭狀端部，填滿鋼套管的蒜頭狀空腔。完成高強鋼筋機械連接的實施。

圖2　鐓頭式套管機械連接操作示意圖1-高強鋼筋2-鋼套管3-套管夾具4-鋼筋夾具5-電極加熱系統(tǒng)1-2-電極

2.1.3連接技術的優(yōu)點與現(xiàn)有技術相比，本創(chuàng)新設計具有以下優(yōu)點：（1）所采用的高強鋼筋的鐓頭式套管機械連接，構(gòu)造簡潔，構(gòu)件尺寸小，節(jié)約材料。（2）高強鋼筋端部加熱鐓粗，承載力不發(fā)生削弱，并且鋼筋的鐓粗部分與平直部分自然過渡，不存在應力集中的情況，利于構(gòu)件傳力，該機械連接的承載力性能優(yōu)良。（3）基于仿生學原理，本發(fā)明的高強鋼筋端部加熱鐓粗成蒜頭狀，充分填充了鋼套管的蒜頭狀空腔，構(gòu)件之間無間隙，故而不存在構(gòu)件間松動的現(xiàn)象，傳遞軸向拉力、軸向壓力和彎矩的性能都很好。（4）鋼套管的蒜頭狀空腔尺寸很大，鋼筋加熱鐓粗前能夠自由安裝，鋼筋加熱鐓粗后都能填滿鋼套管的空腔，故而高強鋼筋端部的原始尺寸誤差和形狀誤差等不利因素都不會對機械連接的性能形成負面影響。相應地減少了對高強鋼筋端部存在尺寸誤差和形狀誤差時而采取的預處理工序。

2.2錐楔式套管接頭機械連接技術

2.2.1創(chuàng)新設計的原因由于高強鋼筋的承載力增大，對套管的承載力要求也相應提高。繼續(xù)采用傳統(tǒng)的冷擠壓套管連接接頭，通過液壓夾具擠壓套管使其產(chǎn)生塑性變形，則有兩種可能：一是若套管采用較低強度的鋼材，則套管尺寸會很大；二是若套管采用高強度鋼材，冷擠壓產(chǎn)生塑性變形的操作困難且塑性變形后易存在質(zhì)量問題。采用直螺紋連接接頭，則存在剝肋、制作螺紋等繁瑣的操作工序，并且存在高強鋼筋截面削弱受損的情況，從而影響承載力。

為了解決上述的問題，項目組創(chuàng)新設計了一種高強鋼筋機械連接的錐楔式套管接頭，所述的機械連接接頭設有帶肋鋼筋、錐楔形襯管和鋼套管［3］。所述的錐楔形襯管設有槽口，所述鋼套管對稱設有喇叭口和階梯形倒齒，如圖3所示。

圖3　錐楔式套管接頭的剖面示意圖1-帶肋鋼筋2-錐楔形襯管3-鋼套管

2.2.2連接技術的實施步驟本創(chuàng)新設計的高強鋼筋機械連接的錐楔式套管接頭的實施方法，包括以下步驟：

步驟一：將錐楔形襯管2套在帶肋鋼筋1上，并用專用老虎鉗擠壓錐楔形襯管2，產(chǎn)生環(huán)向變形，使其槽口變小，錐楔形襯管2與帶肋鋼筋1初步形成一體。

步驟二：對稱地安置錐楔形襯管2到鋼套管3的喇叭口中，并使得錐楔形襯管2與階梯形倒齒接觸，進行初步定位，如圖4所示。

圖4　錐楔式套管接頭初步定位的示意圖

步驟三：對稱頂壓錐楔形襯管2的端部，使錐楔形襯管2發(fā)生足夠的折皺狀塑性變形，產(chǎn)生與階梯形倒齒相吻合的凸齒，同時在擠壓力的作用下，帶肋鋼筋1上的肋條嵌入錐楔形襯管2的內(nèi)壁，通過控制錐楔形襯管2端部的頂壓力，完成機械連接鋼筋接頭的實施。

2.2.3連接技術的優(yōu)點與現(xiàn)有技術相比，本創(chuàng)新設計具有以下優(yōu)點：（1）高強鋼筋機械連接接頭，套管采用高強度鋼材，結(jié)構(gòu)尺寸小，節(jié)約材料。（2）接頭無需對高強鋼筋的端頭進行剝肋、制作螺紋等加工處理，也無需對鋼套管進行冷擠壓而產(chǎn)生塑性變形，僅需對錐楔形襯管進行軸向擠壓，操作簡便。（3）接頭采用高強度鋼材的鋼套管，在擠壓施工中僅發(fā)生彈性變形；低強度鋼材的錐楔形襯管發(fā)生折皺狀塑性變形，形成凸齒，與鋼套管內(nèi)的階梯形倒齒鎖緊，可產(chǎn)生足夠的握裹力和摩擦力，并且鋼套管沿環(huán)向均勻受力，使得高強鋼筋的機械連接接頭傳力性能優(yōu)良。（4）鋼套管上的階梯形倒齒和錐楔形襯管上所形成的凸齒，皆具有齒根截面大的特點，從而能承受更大的軸向拉壓應力。并且在拉壓作用下，階梯形倒齒皆能產(chǎn)生較大的斜向擠壓力，使錐楔形襯管緊緊握裹帶肋鋼筋，使機械連接接頭的連接狀態(tài)更為緊密，傳力性能優(yōu)良。

3　設計參數(shù)的ANSYS分析

3.1ANSYS分析模塊簡介

為了對高強鋼筋機械連接接頭的設計參數(shù)進一步優(yōu)化，編制ANSYS有限元分析命令流，可以進行系列化的研究。主要編制模塊包括：初始化模塊→進入前處理模塊→創(chuàng)建高強鋼筋幾何模型→創(chuàng)建鋼筋套筒幾何模型→進入求解模塊→進入通用后處理器模塊。ANSYS有限元分析的應力云圖（見圖5），可用于查詢最不利部位，以便改進設計參數(shù)。

圖5　ANSYS分析的應力云圖

ANSYS有限元分析的“初始化模塊”和“進入前處理模塊”的命令流如下所示：

！*********（1）初始化模塊*******

finish

/clear，nostart！清除數(shù)據(jù)

/title，Analyzing the connections of fine-grained bars！定義文件名

*SET，DD，25！定義鋼筋公稱直徑25MM

*SET，SHL，200！定義鋼筋長度200MM

*SET，SLS，20！定義鋼筋接頭處間隙長度20MM

*SET，D1，25！定義鋼筋套筒內(nèi)徑25MM

*SET，D2，36！定義鋼筋套筒外徑36MM

*SET，THL，100！定義鋼筋套筒長度100MM

*SET，CC，18！定義鋼筋沿圓周劃分數(shù)

*SET，RR，4！定義鋼筋沿半徑劃分段數(shù)

*SET，timm，20！定義劃分單元個數(shù)

*SET，timmt，10！定義劃分單元個數(shù)

*SET，F(xiàn)CR，300000！定義荷載大小

！***（2）進入前處理模塊**************

/prep7

ET，1，BEAM188！定義高強鋼筋為三維塑性梁單元

ET，2，BEAM188！定義鋼筋套筒為三維塑性梁單元

R，1，！定義梁單元實常數(shù)

MPTEMP，1，0！定義高強鋼筋材料1

MP，EX，1，2.0E5！定義材料1彈性模量

MP，PRXY，1，0.3！定義材料1泊松比

SECTYPE，1，BEAM，CSOLID！定義截面為圓形

SECDATA，DD/2，CC，RR！定義截面幾何特性

MP，EX，2，2.0E5！定義材料2彈性模量

MP，PRXY，2，0.27！定義材料2泊松比

SECTYPE，2，BEAM，CTUBE！定義截面為圓環(huán)形

SECDATA，D1/2，D2/2，CC，RR，0，0，0，0，0，0，0，0！定義截面幾何特性

3.2分析結(jié)果

采用ANSYS命令流程序，系列化分析直徑為25mm、28mm、32mm和40mm的高強鋼筋機械連接，同時修改鋼套管的幾何尺寸設計參數(shù)，主要獲得以下結(jié)論：（1）鐓頭式套管機械連接承載力性能優(yōu)良，受力均勻，應力最大位置處于鋼筋鐓粗的蒜頭狀球面與圓柱分界線上，蒜頭狀球段的承載力略大于鋼筋母體，調(diào)整鋼套管的壁厚，可使鋼套管不先于鋼筋破壞，從而確保該種機械連接的傳力性能。（2）錐楔式套管接頭機械連接傳力性能良好，應力最大位置處于鋼套管上的階梯形倒齒和錐楔形襯管上的凸齒接觸位置，調(diào)整錐楔的角度為25°～35°時，最利于連接接頭傳力。

4　結(jié)語

本項目創(chuàng)新設計的兩種機械連接接頭，鐓頭式套管機械連接接頭和錐楔式套管機械連接接頭，并采用ANSYS有限元建模分析，優(yōu)化了相關設計參數(shù)，可以實現(xiàn)有效的結(jié)構(gòu)傳力，消除現(xiàn)有鋼筋機械連接技術的一些缺陷，為推廣應用高強鋼筋奠定良好的基礎。

參考文獻：

［1］施可夫.高強鋼筋發(fā)展應用及局限性研究［J］.福建建材，2012（2）：28-30.

［2］周桂香.一種高強鋼筋的鐓頭式套管機械連接.中國，201520838965.8［P］.2016-03-02.

［3］周桂香.一種高強鋼筋機械連接的錐楔式套管接頭.中國，201520838882.9［P］.2016-02-24.

（責任編輯劉紅）

中圖分類號：TU74

文獻標志碼：A

文章編號：1671-0142（2016）03-0055-04

作者簡介：周桂香（1965-），女，江蘇泰興人，副教授，高級工程師.

基金項目：江蘇省高等學校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201512106009Y，項目主持人：周桂香）；泰州市科技支撐計劃（社會發(fā)展）項目（TS002，項目主持人：周桂香）；泰州職業(yè)技術學院2015年度科研項目（TZYKY-15-16，項目主持人：周桂香）.

Study on Innovative Design of Mechanical Splicing of High Strength Bare

ZHOU Gui—xiang,JIANG Feng—chang,CAO Zi—ang,CHENG Yue—dong,ZHU Heng—qi
（Taizhou Polytechnic College，Taizhou Jiangsu 225300，China）

Abstract:ract:Based on the study of the crude reinforced connection technology at present，two new connections for high strength bars，upset head casing connection and taper wedge sleeve connection，have been worked out by innovative design so that some flaws of the existed connection technology can be conquered.The connection performance of high strength bars can be enhanced to reduce material consumption by using ANSYS finite element analysis，and good condition can be provided for widely using high strength bars.

Key words:ds:high strength bars；connection；innovative design