新型超高強鋼筋連接套筒的性能試驗與研究

胡曉依

同濟大學(xué)土木工程學(xué)院 上海 200092

高強鋼筋能控制裂縫寬度并能很好地與混凝土黏結(jié)，使鋼筋混凝土構(gòu)件具有良好的耐久性。鋼筋的高強度化，不但可以降低梁柱構(gòu)件及節(jié)點區(qū)域鋼筋密集產(chǎn)生的設(shè)計及施工困難程度，同時有利于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及可持續(xù)發(fā)展[1-3]。

隨著我國建筑施工新技術(shù)的深入研究與實踐，傳統(tǒng)的鋼筋連接所采用的焊接技術(shù)受限于焊接工藝、技術(shù)水平、焊接材料和作業(yè)環(huán)境條件等因素的影響，難以全面滿足現(xiàn)代化的日益復(fù)雜的建筑施工環(huán)境所需。擠壓套筒接頭、錐螺紋套筒接頭和直螺紋套筒接頭等多種鋼筋機械連接工藝日益成熟，并逐步在多個專業(yè)領(lǐng)域中得到完善[4]。

加強對套筒接頭工藝和性能的研究，提出并設(shè)計與600 MPa熱軋帶肋高強鋼筋所匹配的套筒材料和應(yīng)用形式，并在JGJ 107—2016《鋼筋機械連接技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定要求下試驗驗證[5]，對拓展技術(shù)層面、提高應(yīng)用安全以及可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[6]。

1 科研與進展

當(dāng)前，相關(guān)學(xué)者已逐步開展了高強鋼筋與混凝土的錨固或采用漿錨的性能研究[7-10]，但超高強鋼筋與套筒之間的連接、錨固、受力機理等研究還有待豐富；國外研究理論已逐步成熟[11-12]，但主要集中在錨固板、鐓頭鋼筋等方面，未能完全代表當(dāng)前專業(yè)科學(xué)研究發(fā)展的現(xiàn)狀。

為確保600 MPa級甚至更高等級高強鋼筋直螺紋接頭能達到Ⅰ級性能要求，關(guān)鍵是需要提高鋼筋端頭螺紋的綜合性能[13-15]。

現(xiàn)有軋制技術(shù)常常使鋼筋端頭出現(xiàn)螺紋精度差、強度低等缺點，這已成為制約高強鋼筋機械連接應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。該類問題主要表現(xiàn)在直螺紋套筒的連接形式中，作為目前專業(yè)領(lǐng)域大力推廣的裝配式結(jié)構(gòu)也常采用直螺紋套筒連接。

試驗研究[16-19]表明，機械連接下的高強鋼筋直螺紋連接接頭常有2種結(jié)構(gòu)破壞形式：鋼筋螺牙從連接套筒內(nèi)被拔出、鋼筋螺牙斷裂。

前者的破壞原因是鋼筋螺牙的錐度及圓度誤差過大，與連接套筒螺牙的嚙合度不足。后者的破壞形式呈現(xiàn)斷口平齊且具有脆性斷裂特征，這說明高強鋼筋螺牙的抗拉強度低于鋼筋母材，在對鋼筋端頭螺牙加工過程中，鋼筋的橫截面存在應(yīng)力集中。

經(jīng)對各國機械連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)研究和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)各國專業(yè)領(lǐng)域和標(biāo)準(zhǔn)要求在高應(yīng)力、大變形反復(fù)拉壓等性能方面是基本一致的[20]，其他主要技術(shù)性能指標(biāo)的差異點比較結(jié)果如表1所示。

表1 各國鋼筋機械連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)差異對比

在表1中，f0mst為接頭試件實測抗拉強度，f0st為接頭試件中鋼筋抗拉強度實測值，fuk為鋼筋抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，fyk為鋼筋屈服強度標(biāo)準(zhǔn)值。E0.7和E0.9分別為接頭在0.7和0.9倍鋼筋屈服強度標(biāo)準(zhǔn)值下的割線模量，E0s為鋼筋彈性模量實測值，U為非彈性變形，d為鋼筋直徑。σmax表示為接頭疲勞性能檢測最大應(yīng)力，Δσ為接頭疲勞性能檢測應(yīng)力幅，Δσk是GB 500010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的鋼筋疲勞應(yīng)力幅限值。

2 試驗現(xiàn)象與分析

2.1 方案設(shè)計

現(xiàn)有鋼筋端頭螺紋軋制的精度和強度兩方面的弱點已經(jīng)成為制約高強鋼筋機械連接接頭應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。根據(jù)JGJ 107—2016《鋼筋機械連接技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，在鋼筋機械連接單向拉伸試驗、高應(yīng)力反復(fù)拉壓試驗以及大變形反復(fù)拉壓試驗中，套筒連接的各級標(biāo)準(zhǔn)分別如表2～表4所示。

表2 單向拉伸試驗標(biāo)準(zhǔn)

表3 高應(yīng)力反復(fù)拉壓試驗標(biāo)準(zhǔn)

表4 大變形反復(fù)拉壓試驗標(biāo)準(zhǔn)

2.2 試件設(shè)計

試件選用600 MPa熱軋帶肋高強鋼筋，所用鋼筋材質(zhì)需符合GB/T 1499.2—2018《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》和DG/TJ 08-2236—2017《熱軋帶肋高強鋼筋應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中的相關(guān)要求。

新型套筒材料選用45#圓鋼，未經(jīng)處理時其極限強度僅為600 MPa，屈服強度為355 MPa，最大力作用下伸長率為16%，而采用等徑角高速塑性大變形成形工藝后，其極限強度可達到900 MPa，屈服強度為700 MPa，最大力作用下伸長率為11%。

為作對比，選用40Cr圓鋼直接加工成普通套筒，經(jīng)測試，其極限強度為980 MPa，屈服強度為785 MPa，最大力作用下伸長率為9%。兩者均滿足接頭力學(xué)性能及伸長率指標(biāo)。

在套筒連接制作過程中，鋼筋端頭螺紋加工采用的是滾圓滾軋工藝，經(jīng)滾圓和滾絲2道工序把鋼筋縱、橫肋（約占鋼筋截面積的8%）糅合成螺牙，從而使螺紋處直徑變大，成功提升了鋼筋端頭螺牙的精度和強度，不但避免了鋼筋橫截面上應(yīng)力集中，還使鋼筋表面金屬致密細化，改善了機械性能。

45#圓鋼經(jīng)過車加工成鋼管，再應(yīng)用等徑角高速塑性大變形成形工藝，將其擠壓成外表對稱、均布的多棱柱連接套筒，其內(nèi)孔可直接加工成所需的直螺紋，套筒的金屬致密細化，綜合機械性能有顯著的提高[21]。用于裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接的加長型雙套筒除了連接套筒之外，內(nèi)部還配有2個螺套和1個鎖緊螺母。圖1為試驗研究的3種套筒實物照片。

圖1 連接套筒實物照片

試件選用直徑為20、25、28 mm和32 mm這4種規(guī)格的高強鋼筋，總計5組45個試驗，每種鋼筋采用的套筒及試件參數(shù)如表5所示。每組試件分別有單向拉伸試件3個，高應(yīng)力反復(fù)拉壓試件3個，大變形反復(fù)拉壓試件3個。

表5 套筒及試件參數(shù)

試件長度按規(guī)范要求計算確定，試件長度L＝套筒長度＋2×（4×鋼筋直徑＋100＋夾持長度），其中夾持長度取150 mm，其余物理量單位以毫米計。

2.3 加載裝置與試驗方法

鋼筋單向拉伸試驗、高應(yīng)力反復(fù)拉壓試驗和大變形反復(fù)拉壓試驗的設(shè)備均采用206D-P型2 000 kN萬能試驗機或可選用等效試驗機具，如圖2所示。

圖2 套筒連接試驗設(shè)備

2.4 試驗結(jié)果

單向拉伸試驗、高應(yīng)力反復(fù)拉壓試驗以及大變形反復(fù)拉壓試驗的結(jié)果分別如表6～表8所示。

表6 單向拉伸試驗結(jié)果

表7 高應(yīng)力反復(fù)拉壓試驗結(jié)果

3 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果表明，對于直徑20、25 mm及32 mm（套筒材質(zhì)為45#鋼）的鋼筋新型套筒試件，經(jīng)單向拉伸、高應(yīng)力反復(fù)拉壓以及大變形反復(fù)拉壓3項試驗后，其性能等級均能達到Ⅰ級要求。對比直徑均為25 mm的不同材質(zhì)和形式的套筒的3項試驗結(jié)果可以看出，新型連接套筒的性能接近甚至優(yōu)于普通套筒。

對加長型的鋼筋雙套筒試件，經(jīng)單向拉伸、高應(yīng)力反復(fù)拉壓以及大變形反復(fù)拉壓3項試驗后，其性能等級均能達到Ⅰ級要求。這為將該新型套筒用于裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接提供了有力保證。

表8 大變形反復(fù)拉壓試驗結(jié)果

4 結(jié)語

600 MPa高強鋼筋采用直螺紋套筒連接的方式可行，高強鋼筋采用滾圓滾軋加工工藝，能更好地改善鋼筋端頭螺牙的精度和強度，等徑角擠壓技術(shù)則使連接套筒的金屬致密細化，提升了其綜合機械性能。

作為套筒的2種材質(zhì)，45#鋼和40Cr均能滿足接頭性能要求，但六角形異形套筒（45#鋼）對比同規(guī)格的普通圓柱形套筒（40 Cr），擠壓后的六角形套筒壁厚減薄，能提高混凝土保護層厚度；其多棱柱外形增強了混凝土的握裹力，且使連接操作更方便；45#鋼良好的切削加工性能，提高了生產(chǎn)效率，并延長刀具使用壽命；可節(jié)省鋼材30%～40%，符合“資源節(jié)約型社會”“低碳經(jīng)濟”等國家宏觀政策導(dǎo)向，有助于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

加長型雙套筒適用于預(yù)制構(gòu)件之間，以及預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆或后澆混凝土結(jié)構(gòu)之間的鋼筋連接，操作簡便易行，避免了鋼筋灌漿套筒連接存在的諸多難以克服的缺陷。