裝配式剪力墻鋼筋機械搭接軸向拉伸試驗研究*

游春華，何 根，梅 華，蘇萬林，候 蕾

(湖南工學院土木與建筑工程學院， 衡陽 421002)

0 概述

理想狀態(tài)下，裝配式建筑具有工業(yè)化程度高、建設周期短、勞動力與能源消耗量少等優(yōu)點。然而工程實踐過程中，由于裝配式結(jié)構(gòu)對預制構(gòu)件裝配精度、連接質(zhì)量要求極高，導致裝配式結(jié)構(gòu)的建設周期與建設成本均高于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。因此，突破預制構(gòu)件對裝配精度的限制，提高裝配質(zhì)量的可靠度，是裝配式結(jié)構(gòu)亟需解決的課題。

1 研究現(xiàn)狀

受力鋼筋的有效連接是裝配式結(jié)構(gòu)的核心問題之一，國內(nèi)外學者已開展廣泛研究。LING[1-3]研究了不同類型套筒的鋼筋與灌漿料之間粘結(jié)性能。ALIAS等[4]研究了錨固長度對鋼筋粘結(jié)強度的影響。HOSSEINI等[5]在套筒中加設螺旋箍筋，試驗發(fā)現(xiàn)該構(gòu)造可以有效減小鋼筋的滑移。RAHMAN等[6]在連接鋼筋端頭設置錐形螺帽以改善連接件的錨固性能。吳濤等[7]對20個套筒灌漿連接件進行單軸拉伸試驗，研究了套筒種類、錨固長度和鋼筋直徑對套筒筒壁應變的影響，并開展了鋼筋與套筒相互作用的數(shù)值模擬。鄭永峰等[8]對鋼筋套筒灌漿對接連接進行了高周反復拉壓試驗，試驗表明，當鋼筋錨固長度為7.0～7.5倍鋼筋直徑，鋼筋連接滿足《鋼筋機械連接技術(shù)規(guī)程》(JGJ 107—2010)要求，并于文獻[9]提出套筒灌漿的約束機理及約束應力的分布。許成順等[10]開展了高應力反復拉壓作用下鋼筋套筒灌漿連接性能試驗研究，得出與文獻[8]相同的結(jié)論。

姜洪斌等[11-12]研究插入式預留孔灌漿鋼筋搭接連接力學性能，并提出鋼筋極限搭接長度理論計算分析公式。余瓊等[13]研究了套筒漿錨搭接連接方案，研究了不同直徑鋼筋、搭接長度對連接質(zhì)量的影響，提出了接頭的平均搭接粘結(jié)應力和臨界搭接長度的計算公式。任宏偉等[14-15]分別研究了剪力墻豎向鋼筋套筒對接與搭接方案，試驗得出套筒長度及壁厚、鋼筋直徑、灌漿料強度等參數(shù)對連接性能的影響規(guī)律，并提出套筒注漿搭接時鋼筋搭接長度計算公式；韓文龍等[16]對部分縱筋采用套筒擠壓搭接連接的疊合次梁-主梁連接節(jié)點進行了受力性能研究，檢驗了鋼筋套筒擠壓連接的可靠性。

綜上所述，國內(nèi)外關于鋼筋的連接形式主要采用套筒+灌漿錨固連接，以達到鋼筋等強連接的工程效果。然而由于套筒制造工藝復雜、制造材料特殊、灌漿質(zhì)量不易保證和檢測、施工現(xiàn)場裝配構(gòu)件鋼筋與套筒對位困難、裝配構(gòu)件接縫防水困難等諸多不足，嚴重制約了裝配式結(jié)構(gòu)應用的推廣。

2 鋼筋機械搭接應用場景

為了解決裝配式剪力墻鋼筋套筒連接對位精度要求高、灌漿質(zhì)量離散度大的難題，筆者提出疊板搭接、鋼板抗剪裝配自穩(wěn)定剪力墻新型連接技術(shù)，該技術(shù)已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)三項[17-19]。上下片剪力墻通過抗剪鋼板實現(xiàn)裝配自穩(wěn)定，利用疊板后澆混凝土實現(xiàn)上下片剪力墻結(jié)構(gòu)連接。該連接方案的關鍵技術(shù)是在500mm×(400～500)mm的墻-梁交接范圍內(nèi)，實現(xiàn)剪力墻約束邊緣構(gòu)件主受力鋼筋等強連接。裝配連接方案見圖1。

圖1 剪力墻裝配連接示意圖

為克服套筒連接對裝配精度要求過高的不足，筆者提出卡件式鋼筋機械搭接連接方法，該方法采用符合《鋼絲繩夾》(GB/T 5976—2006)[20]的不銹鋼卡件，通過螺栓提供預壓力，實現(xiàn)鋼筋機械搭接有效連接，具有施工簡單、成本低等優(yōu)點。

為了驗證卡件式鋼筋機械搭接試件的力學性能，對6組共18個試件開展軸向拉伸試驗，以驗證不同直徑、卡件數(shù)量、搭接長度、卡件間距及螺栓扭矩等對連接可靠性的影響。

3 試驗概況

3.1 試件設計

剪力墻結(jié)構(gòu)廣泛應用于高層住宅建筑，是我國建筑體量最大的建筑類型。剪力墻配筋由約束邊緣構(gòu)件受力鋼筋、墻內(nèi)分布筋構(gòu)成。通過對百米以內(nèi)高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)配筋統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，7度及以下抗震地區(qū)，剪力墻約束邊緣構(gòu)件的鋼筋直徑一般不超過14mm，分布筋按構(gòu)造配筋即可，直徑一般不超過10mm?；谝陨戏治觯捎弥睆綖?0mm和12mm兩種規(guī)格的HRB400鋼筋，進行卡件式鋼筋機械搭接試件的拉伸試驗。

為進一步驗證卡件對鋼筋的軸向約束作用，試件設計兩卡件與三卡件兩種連接形式，并分別在卡件不同區(qū)段粘貼應變片。試件搭接參數(shù)見表1，試件及應變片粘貼位置見圖2。

圖2 卡件式鋼筋機械搭接示意圖

鋼筋搭接試件參數(shù) 表1

3.2 材料力學性能

分別從10mm和12mm直徑的鋼筋中切割出3根母材，長度均為450mm，通過試驗測量其母材強度。鋼筋屈服強度和極限強度根據(jù)母材試驗測量結(jié)果取平均值，見表2。

不銹鋼卡件采用標準304不銹鋼U型卡夾，規(guī)格分別M10，M12，符合國家《鋼絲繩夾》(GB/T 5976—2006)[20]要求。采用電動數(shù)顯扭矩扳手施加擰緊扭矩，擰緊扭矩見表1?？穆菟ňo固力矩符合《U型管夾及座》(Q/STB B07283—1998)[21]要求。

鋼筋的力學性能 表2

軸向拉伸試驗結(jié)果 表3

3.3 試驗方案

采用600kN材料力學試驗機對試件進行軸向拉伸試驗，直到試件破壞。拉伸加載采用位移控制，加載速度為0.5mm/min。為進一步研究卡件對鋼筋軸向約束作用大小，分析鋼筋在軸向拉力作用下不同區(qū)段的軸力分布規(guī)律，在兩段搭接鋼筋表面貼有應變片，應變片位置如圖2所示，通過數(shù)據(jù)采集儀測量應力大小，試件加載裝置如圖3所示。

圖3 加載裝置

4 試驗結(jié)果與分析

對6組18個試件開展軸向拉伸試驗，各個試件屈服應力、極限應力及破壞形式見表3。其中不同鋼筋直徑及搭接長度的三卡件連接的12個試件，破壞形式均為鋼筋拉斷，極限應力達到618MPa以上；不同鋼筋直徑兩卡件連接的6個試件，破壞形式均為鋼筋與卡件發(fā)生滑移，極限應力在470MPa左右。

4.1 試件破壞形態(tài)

對兩卡件鋼筋機械搭接試件(簡稱兩卡件試件)，試驗初期，由于鋼筋搭接產(chǎn)生的偏心作用，隨著荷載的逐漸增加，垂直鋼筋的卡件出現(xiàn)較小傾斜；待荷載增加到一定數(shù)值后，卡件的傾斜程度不再變化，試件進入彈性狀態(tài)。選取典型試件DN-10-K2-3，DN-12-K2-3，試件的荷載-位移曲線、應力-應變曲線分別如圖4，5所示。從圖4可知，DN-12-K2-3試件達到最大拉力53.29kN后，鋼筋有屈服跡象，拉力逐漸變小，達到45.2kN時拉力出現(xiàn)陡降，試件破壞，極限破壞荷載超過12設計值40.68kN，對于DN-10-K2試件組有類似特征。由圖5可知，當應變在0～0.000 3區(qū)間，由于卡件傾斜轉(zhuǎn)角，應力-應變曲線不完全滿足線性關系；當應變在0.000 3～0.001區(qū)間，應力-應變曲線顯示試件處于彈性變形階段；當應變達到0.015，應力-應變曲線凸凹性發(fā)生變化，此時鋼筋應力達到最大值475MPa。此后應力逐漸減小，應變增加，當應力達到395MPa時，卡件與鋼筋發(fā)生瞬間剛體滑移，導致應力突降到261MPa，而應變基本不變。試件失效時鋼筋表面肋與U型卡件接觸面發(fā)生剪切破壞，卡件與鋼筋之間出現(xiàn)明顯滑移，滑移值達5～7mm，兩卡件試件無屈服階段，屬于脆性破壞。試件破壞照片如圖6所示。

圖4 兩卡件試件典型荷載-位移曲線

圖5 兩卡件試件典型應力-應變曲線

圖6 兩卡件試件連接破壞圖

三卡件鋼筋機械搭接試件(簡稱三卡件試件)的應力-應變曲線與母材鋼筋的應力-應變曲線基本一致，鋼筋應力達470～476MPa，鋼筋屈服，存在明顯彈性、屈服、強化與頸縮四個階段，選取典型試件DN-10-K3-1，DN-12-K3-1，試件的荷載-位移曲線、應力-應變曲線分別如圖7，8所示。所有試件均表現(xiàn)為以鋼筋拉斷為最終破壞形式(表3)，試件破壞照片見圖9，說明三卡件試件基本實現(xiàn)了等強連接的工程要求。

圖7 三卡件試件典型荷載-位移曲線

圖8 三卡件試件典型應力-應變曲線

圖9 三卡件試件連接破壞圖

4.2 卡件軸向約束力的確定

以試件DN-10-K2-2為例，分析兩卡件試件破壞特征。當鋼筋應力達到峰值475MPa時，卡件與鋼筋肋接觸面之間發(fā)生剪切破壞，鋼筋與卡件之間產(chǎn)生明顯位移導致試件破壞。因此可以推斷，鋼筋搭接破壞取決于鋼筋自身抗剪切強度。試驗測得兩卡件試件不同區(qū)段應力如圖10所示。根據(jù)實測應力可以計算出各卡件對試件提供的軸向約束力設計值，見表4。由表4可知，當荷載達到極根時，兩卡件所提供的軸向約束力基本相同，因此可采用兩個卡件的極限荷載來確定單個卡件對試件軸向約束力的設計值。

圖10 試件DN-10-K2-2測點應力圖

單個卡件對試件的軸向約束力設計值 表4

4.3 卡件對鋼筋軸向約束力的影響分析

選取試件DN-12-K3-5進行分析，三個測點應力如圖11所示。試件DN-12-K3-5軸力圖如圖12(a)所示。測點1處試件破壞時的應力為618.23MPa；測點2處在1 000s時鋼筋應力為410MPa，此后隨著時間增加，此段鋼筋應力增量較小，破壞時應力大小為424.02MPa，第二段鋼筋進入屈服階段；測點3處鋼筋一直處于彈性狀態(tài)，鋼筋拉斷時最大應力為220MPa。根據(jù)實測的應力計算出鋼筋各段軸力，卡件提供的軸向約束力處在21.93～24.87kN之間。

圖11 試件DN-12-K3-5測點應力圖

圖12 試件DN-12-K3-5受力分析圖

因此根據(jù)鋼筋搭接試驗，可以作出兩點假定：1)忽略非卡件區(qū)域鋼筋之間的接觸摩擦作用，所有軸向力均由卡件約束提供，故鋼筋搭接長度以三個卡件扭矩施工操作為主要考慮因素，控制在200～250mm為宜；2)根據(jù)實測結(jié)果，可以近似認為各卡件提供的軸向約束力相等。

根據(jù)上述兩點假設，畫出鋼筋搭接連接受力分析圖，見圖12(b)。建立軸向平衡方程：

σsAy=nτAs

(1)

(2)

式中:n為卡件的數(shù)量；σs為鋼筋拉應力；Ay為鋼筋截面面積；As為鋼筋與約束接觸面積；τ為鋼筋與鋼筋、鋼筋與卡件之間平均切應力。

試驗表明，當卡件的扭矩滿足《U型管夾及座》(Q/STB B07283—1998)[21]要求時，試件破壞是由于卡件與鋼筋接觸面之間剪應力超過鋼筋的剪切強度所致。因此，τ可取鋼筋的剪切極限應力。

由試驗及受力分析可知，在破壞階段，σs可取鋼筋極限應力，因此當卡件扭矩滿足要求時，鋼筋搭接強度取決于鋼筋自身抗剪切強度值的大小、卡件的數(shù)量及卡件與鋼筋之間接觸面積三個有效因素。因此，提高卡件數(shù)量、優(yōu)化U型卡件設計，增加鋼筋與約束接觸面積，對于提高鋼筋搭接連接的可靠性具有重要意義。

5 結(jié)論

(1)剪力墻約束邊緣構(gòu)件受力鋼筋采用符合《鋼絲繩夾》(GB/T 5976—2006)[20]的不銹鋼卡件進行機械搭接，當采用三個卡件時，鋼筋的連接強度大于母材的連接強度，鋼筋拉斷，試件的應力-應變曲線與母材應力-應變曲線基本一致，存在明顯的彈性、屈服、強化與頸縮四個階段。

(2)當卡件扭矩滿足《U型管夾及座》(Q/STB B07283—1998)[21]要求時，鋼筋機械搭接強度與卡件數(shù)量、卡件與鋼筋接觸面積有關，提高卡件數(shù)量、優(yōu)化U型卡件設計，增加鋼筋與約束接觸面積，對于提高鋼筋搭接連接的可靠性具有重要意義。

(3)本文提出的卡件式鋼筋機械搭接具有搭接長度短，施工操作方便，預制安裝精度要求低，工程質(zhì)量可靠等優(yōu)點，可以應用于疊板搭接、鋼板抗剪裝配自穩(wěn)定剪力墻結(jié)構(gòu)，約束邊緣構(gòu)件受力鋼筋的等強連接，具有較好的工程應用前景。