樁板式無土路基預(yù)制板新型鋼筋連接研究

刁凱，慈偉主，汪志甜

（1.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 前言

隨著我國建設(shè)事業(yè)的飛速發(fā)展，工業(yè)化建造理念在交通運(yùn)輸建設(shè)中得到探索和實(shí)踐，預(yù)制裝配是工業(yè)化建造的重要環(huán)節(jié)，其建造工藝采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼裝的施工方法，能在保證工程質(zhì)量的前提下，減少現(xiàn)場混凝土澆筑工程量、減少施工占地和工期，使交通運(yùn)輸建設(shè)更環(huán)保、更安全、高質(zhì)量和低消耗[1]。

裝配化樁板式無土路基結(jié)構(gòu)是一種新型路基結(jié)構(gòu)，相比于土質(zhì)路基有工后沉降小，整體剛度大的優(yōu)點(diǎn)。樁板結(jié)構(gòu)是處理深厚軟土、松軟土和深厚濕陷性黃土的有效方法。這種結(jié)構(gòu)形式適應(yīng)性很強(qiáng)，在不同地段可以靈活應(yīng)用[2]。

預(yù)制板鋼筋之間的構(gòu)造連接是裝配化樁板式無土路基結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵位置，是確保結(jié)構(gòu)整體性能的主要部位，其質(zhì)量直接影響到板結(jié)構(gòu)承載力和使用性能。本文將對(duì)裝配式樁板式無土路基的預(yù)制板新型鋼筋連接構(gòu)造開展相應(yīng)的研究工作。

1 預(yù)制板新型鋼筋連接形式

近年來隨著預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的深入發(fā)展，國內(nèi)外提出了很多應(yīng)用于裝配式預(yù)制結(jié)構(gòu)鋼筋連接新技術(shù)，包括套筒灌漿連接、環(huán)形鋼筋連接等[3]。

1.1 套筒灌漿連接

鋼筋套筒灌漿連接技術(shù)是通過鑄造的中空型套筒，鋼筋從兩端插入套筒內(nèi)部，不進(jìn)行搭接、融接，鋼筋與套筒間灌注高強(qiáng)度微膨脹灌漿料。其連接機(jī)理是借助砂漿微膨脹特性加強(qiáng)套筒對(duì)其的圍束作用，使灌漿料與鋼筋、套筒內(nèi)側(cè)間的正向作用力得到增強(qiáng)，連接的鋼筋通過該正向力與粗糙表面產(chǎn)生摩擦力，來傳遞鋼筋應(yīng)力，如圖1所示。目前套筒灌漿連接在預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)鋼筋連接中被廣泛應(yīng)用，是目前比較成熟的預(yù)制混凝土構(gòu)件連接技術(shù)。但這種構(gòu)造仍存在允許誤差小，接頭尺寸大，對(duì)于板厚及鋼筋間距較小的板，常難以滿足構(gòu)造要求。

圖1 灌漿套筒連接構(gòu)造

1.2 環(huán)形鋼筋搭接連接

環(huán)形鋼筋搭接連接是指鋼筋連接時(shí)上下層鋼筋采用同一根鋼筋，通過彎成180°的半圓弧，再與對(duì)應(yīng)另一側(cè)的半圓弧鋼筋進(jìn)行搭接，在重合環(huán)內(nèi)設(shè)置橫向鋼筋，以此實(shí)現(xiàn)鋼筋之間的可靠傳力，如圖2所示。環(huán)形鋼筋以其無需焊接施工方便，重合長度短可減小接縫尺寸的優(yōu)勢，在預(yù)制板中得到廣泛應(yīng)用，在國內(nèi)的預(yù)制板連接中也逐漸得到應(yīng)用，但國內(nèi)規(guī)范尚未對(duì)這種連接方式進(jìn)行規(guī)定，其受力性能和構(gòu)造要求也有待研究。

圖2 環(huán)形鋼筋連接構(gòu)造

2 套筒灌漿連接研究現(xiàn)狀

目前，套筒灌漿連接接縫在預(yù)制板鋼筋連接中逐漸得到廣泛應(yīng)用。套筒灌漿連接適應(yīng)工業(yè)化建造預(yù)制安裝方式，受力性能安全可靠，施工方便快捷、綠色環(huán)保。

2.1 構(gòu)造參數(shù)

套筒灌漿連接套筒材料宜選用球墨鑄鐵，也可選用合金結(jié)構(gòu)鋼，選用球墨鑄鐵時(shí)通過鑄造工藝制造，選用低合金結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼時(shí)通過機(jī)械加工制造，其性能參數(shù)需符合國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4]的規(guī)定，如表1所示。

套筒材料性能參數(shù)表 表1

國內(nèi)外已有很多種套筒灌漿接頭，可分為全套筒灌漿接頭和半套筒灌漿接頭[5]。如美國的NMB灌漿套筒[6]、LENTON INTERLOK 灌漿套筒[7]、日本的東京鐵鋼灌漿套筒[8]、澳大利亞的ReidBar Grouter灌漿套筒[9]、中國臺(tái)灣潤泰[10-12]、北京JM灌漿套筒[13-14]等。幾種灌漿套筒連接公稱直徑25mm鋼筋產(chǎn)品參數(shù)如表2所示。由表可知，不同國家的套筒灌漿產(chǎn)品參數(shù)差別很大，國內(nèi)的灌漿料強(qiáng)度等級(jí)偏高，建議套筒與灌漿料配套使用。

公稱直徑25mm套筒灌漿產(chǎn)品參數(shù)表 表2

2.2 受力性能

Einea A[15]等考慮套筒直徑、鋼筋直徑及灌漿料抗壓強(qiáng)度等對(duì)于灌漿套筒連接強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)研究了14根灌漿套筒試件的連接強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明灌漿套筒鋼筋的錨固長度可以縮短為7倍鋼筋直徑，對(duì)套筒灌漿料施加約束可以提高灌漿套筒的連接強(qiáng)度。

A.Alias[16]等通過試驗(yàn)研究了8跟灌漿套筒試件的拉伸破壞模式。研究表明，套筒灌漿連接破壞模式有三種，分別為鋼筋拉出破壞、鋼筋拉斷破壞、灌漿料拉出破壞。試驗(yàn)結(jié)果表明套筒直徑減小會(huì)提高對(duì)灌漿料的環(huán)向約束作用從而提高試件的拉伸強(qiáng)度，鋼筋的錨固長度為10倍鋼筋直徑時(shí)，試件的破壞模式為鋼筋拉斷破壞模式。

吳小寶[17]等研究了灌漿料齡期和鋼筋級(jí)別對(duì)套筒連接強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明灌漿料齡期為1天、4天、7天、28天時(shí)，灌漿套筒的連接強(qiáng)度分別達(dá)到了最終的50%、90%、96%和100%。鋼筋等級(jí)越高，套筒連接強(qiáng)度越高，HRB500級(jí)鋼筋的連接強(qiáng)度比HRB400級(jí)鋼筋套筒的連接強(qiáng)度要提高5.4%～23.7%。

2.3 理論分析模型及承載力計(jì)算

Ling[18]等設(shè)計(jì)了兩種不同的全灌漿套筒（WBS、THS）并進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)THS套筒連接接頭具有更高的連接強(qiáng)度，并通過線性回歸方法進(jìn)行推導(dǎo)，得到連接鋼筋的連接強(qiáng)度計(jì)算方法。

Sayadi[19-20]等考慮碳纖維的影響設(shè)計(jì)了40根試件，包括8跟普通灌漿套筒試件及32根GFRP灌漿套筒試件。對(duì)灌漿套筒彈性段和非彈性段的受力連接性能進(jìn)行了研究分析，研究得到在套筒的彈性段增加灌漿料與套筒的機(jī)械咬合作用會(huì)降低鋼筋的連接強(qiáng)度，并推導(dǎo)提出了普通灌漿套筒和GFRP套筒連接強(qiáng)度計(jì)算公式。

3 環(huán)形鋼筋連接研究現(xiàn)狀

在預(yù)制板中，環(huán)形鋼筋搭接連接施工方便，構(gòu)造要求低，施工質(zhì)量易保證，在交通運(yùn)輸建設(shè)中越來越受到工程師們的歡迎。

3.1 構(gòu)造參數(shù)

對(duì)于鋼筋的彎曲直徑，國外關(guān)于環(huán)形鋼筋的連接較為成熟，已經(jīng)有相應(yīng)的規(guī)范和設(shè)計(jì)指南。

美國的AASHTO規(guī)范[21]考慮鋼筋彎曲后的開裂以及鋼筋彎曲內(nèi)側(cè)混凝土的壓碎，對(duì)鋼筋的最小彎曲直徑進(jìn)行了相應(yīng)規(guī)定，如表3所示。該規(guī)范還規(guī)定，相鄰受力主筋的間距不超過150mm，同時(shí)不小于25mm和鋼筋公稱直徑以及1.33倍最大粗骨料尺寸；除特殊情況，板所有鋼筋間距均不能超過1.5倍最小板厚和450mm；彎曲鋼筋基本錨固長度不小于8倍鋼筋直徑和150mm。

鋼筋最小彎曲直徑 表3

同濟(jì)大學(xué)李銳等[22]參考國際結(jié)構(gòu)混凝土協(xié)會(huì)的《模式規(guī)范》MC2010，建立了鋼筋彎弧錨固與搭接的受力機(jī)理模型，提出了錨固彎弧的最小半徑與間接搭接附加橫向鋼筋的計(jì)算方法，并根據(jù)力平衡原理，推導(dǎo)出了鋼筋彎弧最小半徑應(yīng)滿足的條件及附加橫向鋼筋截面面積的計(jì)算公式。

Daniel de Lima Araújo等[23]研究了鋼纖維加強(qiáng)混凝土中鋼纖維含量、橫向鋼筋的有無以及鋼筋彎曲直徑對(duì)于鋼筋環(huán)形連接試件抗拉性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：彎曲半徑從160mm減少到100mm時(shí)不會(huì)導(dǎo)致鋼筋環(huán)接強(qiáng)度的下降；鋼纖維含量增加到2%時(shí)能提高連接的極限抗拉能力；當(dāng)沒有鋼纖維加強(qiáng)或者含有1%鋼纖維但沒有橫向鋼筋時(shí)試件破壞模式為核心混凝土失效，說明接縫寬度為110mm時(shí)鋼筋環(huán)接不能有效的傳遞軸向荷載；合理使用鋼纖維含量能減小鋼筋環(huán)接接縫的寬度，同時(shí)保證連接的有效性。

3.2 受力性能

Lewis S等[24]中設(shè)計(jì)了六個(gè)接縫連接試件，模擬了橫向及縱向濕接縫的拉拔和彎曲。同時(shí)為了對(duì)比鋼筋不同的連接方式和材料性質(zhì)對(duì)受力性能的影響，每三個(gè)試件中有一個(gè)為T形端頭鋼筋連接，另兩個(gè)為環(huán)形鋼筋連接。通過試驗(yàn)得出以下結(jié)論：三種連接接頭在拉拔和彎曲的作用下都有足夠的強(qiáng)度和延性，環(huán)形接頭在延性不折減的情況下能有更大的承載能力；相較于T形端頭鋼筋連接，在正常使用狀態(tài)下環(huán)形接頭的裂縫寬度更小。而從施工性能和接頭所需費(fèi)用的程度來看，環(huán)形鋼筋接頭優(yōu)于T形鋼筋連接。

操禮林等[25]提出了一種環(huán)形鋼筋連接的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，利用交錯(cuò)咬合對(duì)接的U型鋼筋環(huán)片、圓鋼棒和高強(qiáng)灌漿料，來實(shí)現(xiàn)預(yù)制板的橫向拼接連接，如圖3所示，并設(shè)計(jì)了9根該種連接構(gòu)造的預(yù)制板進(jìn)行抗彎試驗(yàn)和抗剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該節(jié)點(diǎn)能夠保證通過拼縫有效地傳遞內(nèi)力(彎矩、剪力和軸力等)，且具有較高的抗彎、受剪及受拉承載力，裝配拼接后的試件表現(xiàn)出良好的整體工作性能。試驗(yàn)結(jié)束后，在鑿開的節(jié)點(diǎn)區(qū)未見交錯(cuò)布置的U型鋼筋環(huán)片發(fā)生脫落、滑移及其他錨固連接失效的破壞現(xiàn)象，表明拼接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造是安全可靠的。

圖3 大型預(yù)制板裝配拼接節(jié)點(diǎn)示意圖

3.3 理論分析模型及承載力計(jì)算

朱玉等[26]借鑒開孔板連接件的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以單剪切面核心混凝土柱抗剪承載力與環(huán)形鋼筋抗拉承載力等強(qiáng)為控制條件，提出了環(huán)接鋼筋接縫的承載力公式。

Joergensen H B等[27]以橫向鋼筋直徑、環(huán)接鋼筋直徑、環(huán)接鋼筋橫向間距及環(huán)接鋼筋重合長度為參數(shù)，設(shè)計(jì)了15組總共30個(gè)試驗(yàn)試件，進(jìn)行拉拔加載試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)試件破壞模式分為環(huán)接鋼筋屈服和核心混凝土失效兩種破壞模式。并推導(dǎo)得到此種失效模式下的抗拉承載力計(jì)算公式。

Dragosavic等[28]在U形鋼筋連接形式的接縫試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了該種類型接縫的三種破壞模式：鋼筋屈服破壞、受壓區(qū)混凝土壓碎以及U形鋼筋間混凝土開裂。并針對(duì)前兩種破壞模式總結(jié)了鋼筋應(yīng)力及抗彎承載能力的計(jì)算方法。

4 總結(jié)與展望

①本文對(duì)裝配式樁板式無土路基預(yù)制板新型鋼筋連接方式，套筒灌漿連接和環(huán)形鋼筋連接的構(gòu)造參數(shù)、受力性能、理論分析模型及承載力計(jì)算以及研究不足進(jìn)行了總結(jié)和分析，研究成果可為預(yù)制板新型鋼筋連接的設(shè)計(jì)計(jì)算提供更多選擇，為裝配式樁板式無土路基結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐；

②預(yù)制板鋼筋套筒灌漿連接產(chǎn)品形式多樣，不同國家的套筒灌漿產(chǎn)品參數(shù)差別很大，國內(nèi)的灌漿料強(qiáng)度等級(jí)偏高，建議套筒與灌漿料配套使用；

③預(yù)制板鋼筋連接形式多樣，環(huán)形鋼筋連接是最近幾年發(fā)展起來的新型連接形式，相比焊接連接，搭接連接等傳統(tǒng)連接方式施工方便，構(gòu)造要求低，施工質(zhì)量易保證，但規(guī)范尚無相關(guān)規(guī)定，因此需要對(duì)其構(gòu)造要求和受力性能進(jìn)行進(jìn)一步的研究以形成系統(tǒng)性的規(guī)范指導(dǎo)文件，促進(jìn)環(huán)形鋼筋搭接形式在我國的推廣應(yīng)用。