鋼筋絲頭不頂緊滾軋直螺紋鋼筋接頭殘余變形研究*

錢冠龍，郝 敏，王 碩，牟順利，李曉濱，王愛(ài)軍

(1.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088；2.國(guó)家建筑鋼材質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心，北京 100088；3.北京思達(dá)建茂科技發(fā)展有限公司，北京 102206)

0 引言

自20世紀(jì)80年代后期至今，鋼筋機(jī)械連接技術(shù)在我國(guó)大量應(yīng)用于各類混凝土建筑中，其中滾軋直螺紋鋼筋接頭的應(yīng)用最為廣泛，在裝配式建筑領(lǐng)域應(yīng)用的半灌漿套筒鋼筋接頭也主要采用滾軋直螺紋預(yù)制鋼筋端頭。JGJ 107—2016《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》、JGJ 355—2015《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》分別對(duì)鋼筋機(jī)械接頭、套筒灌漿接頭性能進(jìn)行了規(guī)定，包括接頭極限抗拉強(qiáng)度、單向拉伸試驗(yàn)后的殘余變形u0、高應(yīng)力反復(fù)拉壓試驗(yàn)后的殘余變形u20、大變形反復(fù)拉壓試驗(yàn)后的殘余變形。當(dāng)u0，u20過(guò)大時(shí)，采用該種連接形式的混凝土結(jié)構(gòu)承受荷載后，接頭部位混凝土可能出現(xiàn)有害裂紋，破壞連接鋼筋氣密保護(hù)，造成高筋銹蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性下降，影響建筑使用壽命。

為減小鋼筋直螺紋接頭承受荷載后的殘余變形，《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定了鋼筋絲頭應(yīng)在套筒中央位置相互頂緊，對(duì)無(wú)法對(duì)頂?shù)钠渌甭菁y接頭，應(yīng)附加鎖母、頂緊凸臺(tái)等措施緊固要求，且僅規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)型接頭應(yīng)進(jìn)行型式檢驗(yàn)的要求，非標(biāo)準(zhǔn)接頭不強(qiáng)制要求進(jìn)行型式檢驗(yàn)，這種類以模擬工程實(shí)際作業(yè)方式連接的接頭能否通過(guò)接頭型式檢驗(yàn)?zāi)壳拔匆娤嚓P(guān)文獻(xiàn)和報(bào)道；JG/T 398—2019《鋼筋連接用灌漿套筒》對(duì)半灌漿套筒提出明確要求，即半灌漿套筒螺紋端與灌漿端連接處的通孔直徑設(shè)計(jì)不宜過(guò)大，螺紋小徑與通孔直徑差應(yīng)≥1mm，通孔長(zhǎng)度應(yīng)≥3mm，即要求套筒螺紋孔底應(yīng)設(shè)置比螺紋小徑至少高0.5mm的頂緊凸臺(tái)，但市場(chǎng)上有很多套筒產(chǎn)品并未設(shè)置頂緊凸臺(tái)，且廠家提供的接頭型式檢驗(yàn)報(bào)告中也無(wú)相應(yīng)殘余變形測(cè)量值，因此，很多人認(rèn)為無(wú)頂緊凸臺(tái)的半灌漿套筒也能滿足殘余變形要求，這種思想缺乏客觀、科學(xué)的研究成果支撐。針對(duì)這些問(wèn)題，以3種規(guī)格HRB 400E鋼筋、2種牙型角螺紋套筒、3組不同螺紋尺寸的滾軋直螺紋絲頭進(jìn)行接頭組裝和殘余變形試驗(yàn)，研究絲頭不頂緊的滾軋直螺紋鋼筋接頭性能，為工程應(yīng)用相關(guān)灌漿套筒產(chǎn)品及特殊形式直螺紋連接施工提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 材料

1)鋼筋 采用HRB 400E鋼筋，直徑為16，25，28mm。

2)直螺紋套筒 取60°，75°2種牙型角螺紋套筒，套筒外徑及長(zhǎng)度均滿足JG/T 163—2013《鋼筋機(jī)械連接用套筒》規(guī)定要求，如表1所示。

表1 直螺紋套筒尺寸參數(shù)

1.2 絲頭加工

1.2.1螺紋加工設(shè)備

螺紋加工設(shè)備包括剝肋滾絲機(jī)、1625/P2.5/60°滾絲輪、2832/P3.0/60°滾絲輪、1622/P2.5/75°滾絲輪、2532/P3.0/75°滾絲輪。

1.2.2絲頭長(zhǎng)度

絲頭長(zhǎng)度按《鋼筋機(jī)械連接用套筒》規(guī)定的剝肋滾軋直螺紋套筒長(zhǎng)度尺寸的1/2減去1mm，參數(shù)如表2所示。

表2 鋼筋絲頭螺紋參數(shù)

1.2.3絲頭螺紋中徑

《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的6f精度(75°絲頭參考6f計(jì)算)螺紋中徑尺寸如表2所示，實(shí)際滾軋加工的鋼筋絲頭，沿長(zhǎng)度方向，從端部到尾部絲頭螺紋中徑不斷增大，試驗(yàn)采用3組不同尺寸加工鋼筋絲頭。

1)第1組 鋼筋絲頭全長(zhǎng)滿足6f螺紋環(huán)規(guī)通規(guī)通過(guò)的要求，且通規(guī)外露螺紋1扣，同時(shí)滿足止規(guī)過(guò)3扣要求。

2)第2組 以套筒代替螺紋環(huán)規(guī)通規(guī)，鋼筋絲頭旋入套筒至手?jǐn)Q不動(dòng)，套筒外露螺紋3扣，絲頭端部螺紋用6f螺紋環(huán)規(guī)止規(guī)測(cè)量，滿足3扣可止進(jìn)要求。

3)第3組 以套筒代螺紋環(huán)規(guī)通規(guī)，鋼筋絲頭旋入套筒至手?jǐn)Q不動(dòng)，套筒外露螺紋5～6扣；絲頭端部螺紋用6f螺紋環(huán)規(guī)止規(guī)測(cè)量，絲頭進(jìn)入環(huán)規(guī)≤1扣。

利用60°，75° 2種牙型角滾絲輪分別加工第1，2組絲頭試件鋼筋各9根(6根組裝3個(gè)接頭、3根檢測(cè)絲頭)，第3組絲頭試件鋼筋19根(16根組裝8個(gè)接頭，3根檢測(cè)絲頭)，絲頭螺紋加工情況如表3所示。

表3 鋼筋絲頭螺紋加工情況

1.3 接頭安裝

1)分組 第1，2組中3種規(guī)格(直徑16，25，28mm)A，B型鋼筋絲頭分別與對(duì)應(yīng)的套筒組裝成接頭，每種接頭各3個(gè)；第3組中3種規(guī)格A，B型鋼筋絲頭分別與對(duì)應(yīng)套筒組裝成接頭，每種接頭各8個(gè)。

2)安裝 按《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，用扭矩扳手組裝套筒和鋼筋絲頭制作接頭試件，擰緊扭矩如表4，5所示，第1，3組典型接頭外觀情況分別如圖1，2所示。

表4 第1，2組絲頭組裝的接頭擰緊扭矩

表5 第3組絲頭組裝的接頭擰緊扭矩

圖1 第1組典型接頭

圖2 第3組典型接頭

1.4 試驗(yàn)方法

1)測(cè)量鋼筋絲頭中徑尺寸

取第1～3組鋼筋檢測(cè)絲頭試件各3根，測(cè)量絲頭前端、中段、尾段螺紋中徑，計(jì)算同組3個(gè)試件相同絲頭位置尺寸平均值。

對(duì)于60°牙型角螺紋鋼筋絲頭，使用60°標(biāo)準(zhǔn)螺紋中徑千分尺測(cè)量，如圖3所示；對(duì)于75°牙型角螺紋鋼筋絲頭，使用外徑千分尺、專用鋼針，采用三針?lè)y(cè)量并換算出螺紋中徑尺寸，如圖4所示。

圖3 60°牙型角螺紋中徑千分尺測(cè)量示意

圖4 75°牙型角螺紋中徑三針?lè)y(cè)量示意

2)接頭單向拉伸試驗(yàn)

取表4中的第1，2組1～3號(hào)試件，第3組1～4號(hào)試件，按《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的單向拉伸試驗(yàn)，測(cè)量接頭殘余變形u0及接頭極限抗拉強(qiáng)度。

試驗(yàn)加載方式為：0→0.6fyk(fyk為鋼筋屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值)→0(測(cè)量殘余變形)→最大拉力(記錄極限抗拉強(qiáng)度)→破壞(測(cè)定最大拉力下總伸長(zhǎng)率)。接頭試件加載時(shí)的應(yīng)力速率采用2～10N/(mm2·s)。

3)接頭高應(yīng)力反復(fù)拉壓試驗(yàn)

取表4中第3組5～8號(hào)試件，按《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的高應(yīng)力反復(fù)拉壓試驗(yàn)，測(cè)量接頭殘余變形u20。試驗(yàn)加載方式為：0 →(0.9fyk→-0.5fyk)(反復(fù)20次)→破壞，接頭試件加載時(shí)的應(yīng)力速率采用2～10N/(mm2·s)。

2 檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

2.1 鋼筋絲頭中徑尺寸

鋼筋絲頭中徑尺寸如表6～8所示，表中前段相對(duì)誤差為前段測(cè)量值與理論最小值的差值，中段、尾段相對(duì)誤差分別為中段、尾段測(cè)量值與理論最大值的差值。

表6 第1組鋼筋絲頭中徑尺寸與理論值對(duì)比

表7 第2組鋼筋絲頭中徑尺寸測(cè)量值與理論值對(duì)比

表8 第3組鋼筋絲頭中徑尺寸測(cè)量值與理論值對(duì)比

2.2 單向拉伸試驗(yàn)殘余變形

16A，16B接頭單向拉伸殘余變形u0和極限抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別如圖5，6所示。25A，25B接頭單向拉伸殘余變形u0和極限抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別如圖7，8所示。28A，28B接頭單向拉伸殘余變形u0和極限抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別如圖9，10所示。

圖5 16A，16B接頭單向拉伸殘余變形

圖6 16A，16B接頭單向拉伸極限抗拉強(qiáng)度

圖7 25A，25B接頭單向拉伸殘余變形

圖8 25A，25B接頭單向拉伸極限抗拉強(qiáng)度

圖9 28A，28B接頭單向拉伸殘余變形

圖10 28A，28B接頭單向拉伸極限抗拉強(qiáng)度

2.3 高應(yīng)力反復(fù)拉壓試驗(yàn)

接頭高應(yīng)力拉壓試驗(yàn)如圖11所示。接頭高應(yīng)力拉壓典型試驗(yàn)曲線如圖12所示。16A，16B接頭高應(yīng)力反復(fù)拉壓殘余變形u20試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。25A，25B接頭高應(yīng)力反復(fù)拉壓殘余變形u20試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。28A,28B接頭高應(yīng)力反復(fù)拉壓殘余變形u20試驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。

圖11 接頭高應(yīng)力反復(fù)拉壓試驗(yàn)

圖12 接頭高應(yīng)力反復(fù)拉壓典型試驗(yàn)曲線

圖13 16A，16B接頭高應(yīng)力反復(fù)拉壓殘余變形

圖14 25A，25B接頭高應(yīng)力反復(fù)拉壓殘余變形

圖15 28A，28B接頭高應(yīng)力反復(fù)拉壓殘余變形

2.4 結(jié)果分析

根據(jù)表6～8數(shù)據(jù)可知，鋼筋絲頭前段、中段、尾段螺紋中徑尺寸呈明顯變化，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因與鋼筋絲頭加工用剝肋滾絲設(shè)備的滾絲頭結(jié)構(gòu)相關(guān)，不做深入探討。由此可見，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上應(yīng)用的該類滾絲設(shè)備中絕大多數(shù)無(wú)法加工出6f精度鋼筋絲頭。本試驗(yàn)以現(xiàn)有設(shè)備加工的鋼筋絲頭更符合工程實(shí)際應(yīng)用情況，因此，研究具有廣泛性指導(dǎo)意義。

針對(duì)3組鋼筋絲頭加工安裝后的具體結(jié)果,并對(duì)照表1，2理論參數(shù)，分析如下。

1)第1組絲頭 尾段螺紋滿足《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的螺紋環(huán)規(guī)通規(guī)要求時(shí)，絲頭前段中徑尺寸明顯小于6f精度規(guī)定的中徑理論最小值，相對(duì)誤差平均值為-0.253mm，導(dǎo)致螺紋環(huán)規(guī)止端不能止住，前段螺紋中徑不滿足規(guī)定。該組絲頭安裝套筒后，鋼筋絲頭與套筒有明顯配合間隙，在套筒無(wú)螺紋鋼筋頂緊凸臺(tái)結(jié)構(gòu)情況下，該絲頭與套筒安裝到不露扣時(shí)，幾乎未施加擰緊扭矩，而由于套筒設(shè)計(jì)長(zhǎng)度和絲頭長(zhǎng)度決定了兩端安裝的絲頭不會(huì)在套筒內(nèi)對(duì)頂，也模擬了不具備頂緊凸臺(tái)的半灌漿套筒絲頭安裝情況，絲頭安裝到位后未受到來(lái)自軸向的壓力，因此，不能消除螺紋軸向配合間隙。

2)第2組絲頭 前段螺紋滿足《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的螺紋環(huán)規(guī)止規(guī)進(jìn)入≤3扣的要求，絲頭中段、尾段中徑尺寸明顯大于6f精度規(guī)定的絲頭中徑理論最大值，中段相對(duì)誤差平均值為0.116mm，尾段平均值為0.348mm，但由于套筒內(nèi)螺紋中徑理論尺寸最小值比絲頭中徑理論尺寸最大值大0.058～0.063mm，絲頭尾部中徑尺寸與套筒內(nèi)螺紋中徑理論尺寸最大值的差值僅有0.001 6～0.108mm，因此，安裝鋼筋絲頭時(shí)，手?jǐn)Q可達(dá)到套筒外露3扣螺紋，用扳手加力轉(zhuǎn)動(dòng)套筒可達(dá)到套筒外絲頭不露扣，但該組接頭螺紋過(guò)盈配合的長(zhǎng)度和過(guò)盈度較小，擰緊扭矩不能達(dá)到《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定值，此時(shí)絲頭與套筒形成的少部分過(guò)盈配合已將螺紋軸向間隙減小為合格。

3)第3組絲頭 前段螺紋滿足《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的螺紋環(huán)規(guī)止規(guī)進(jìn)入≤1扣的要求時(shí)，絲頭中段、尾段尺寸明顯大于6f精度規(guī)定的中徑理論最大值，中段相對(duì)誤差平均值為0.302mm，尾段平均值為0.537mm，安裝鋼筋絲頭時(shí)，可達(dá)到套筒外露5～6扣螺紋，用扳手加力轉(zhuǎn)動(dòng)至達(dá)到外露0～0.5扣，但絲頭尾部中徑尺寸與套筒內(nèi)螺紋中徑理論最大值的差值為0.189～0.228mm，屬于較大過(guò)盈配合，螺紋長(zhǎng)度和過(guò)盈度使套筒與絲頭組裝時(shí)需較大擰緊扭矩使絲頭前進(jìn)，因此擰緊扭矩可達(dá)《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定值，安裝后，絲頭與套筒形成超過(guò)50%長(zhǎng)度的過(guò)盈配合，將螺紋軸向間隙減小為合格。

4)現(xiàn)場(chǎng)鋼筋絲頭加工和工廠直螺紋套筒加工工藝及裝備目前均無(wú)法批量完成形成過(guò)盈配合的接頭，只能選配絲頭和套筒來(lái)制作過(guò)盈連接接頭，對(duì)于無(wú)螺紋頂緊凸臺(tái)的半灌漿套筒接頭也可采用選配方式制作過(guò)盈配合的接頭，這些接頭不能代表該產(chǎn)品在工程應(yīng)用中的絕大多數(shù)接頭螺紋配合質(zhì)量。

由圖5～10，13～15可知：

1)第1組絲頭 尾段螺紋尺寸符合《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定要求的接頭，殘余變形u0全部超過(guò)《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的0.1mm，不滿足《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的殘余變形要求，但接頭抗拉強(qiáng)度全部能達(dá)到HEB 400E鋼筋抗拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值的1.15倍(621MPa)以上，滿足《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的接頭極限抗拉強(qiáng)度要求。

2)第2組絲頭 前段螺紋尺寸符合《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定要求的接頭，殘余變形u0平均值略高于《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的0.1mm，不滿足《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的殘余變形要求，但其個(gè)別接頭殘余變形u0可滿足或接近《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的殘余變形要求，接頭抗拉強(qiáng)度全部能達(dá)到HEB 400E鋼筋抗拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值的1.15倍(621MPa)以上，滿足《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的接頭極限抗拉強(qiáng)度要求。

3)第3組絲頭 前段螺紋尺寸符合《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定要求的接頭，殘余變形u0平均值明顯低于《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的0.1mm，殘余變形u20全部低于《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》和《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的0.3mm要求，全部滿足《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》和《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的接頭殘余變形，且全部接頭極限抗拉強(qiáng)度均滿足《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

1)目前，施工現(xiàn)場(chǎng)大量應(yīng)用的鋼筋滾軋直螺紋加工設(shè)備所加工的鋼筋絲頭螺紋精度多數(shù)情況下不能滿足《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的6f精度要求，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)針對(duì)滾軋直螺紋絲頭特點(diǎn)專門規(guī)定其絲頭尺寸精度的控制方法。

2)采用滿足《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定精度螺紋環(huán)規(guī)檢驗(yàn)合格的絲頭組裝的不對(duì)頂滾軋直螺紋鋼筋接頭，擰緊扭矩均無(wú)法達(dá)到規(guī)定值，且接頭殘余變形不能滿足《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，但該類接頭極限抗拉強(qiáng)度可滿足《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》I級(jí)接頭和《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的接頭抗拉強(qiáng)度指標(biāo)。

3)采用螺紋尺寸大于套筒螺紋尺寸的鋼筋絲頭制作過(guò)盈配合長(zhǎng)度超過(guò)50%絲頭長(zhǎng)度的不對(duì)頂滾軋直螺紋鋼筋接頭，擰緊扭矩可達(dá)到規(guī)定值，接頭殘余變形u0，u20、抗拉強(qiáng)度均能滿足《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的要求。因此，在特殊場(chǎng)合使用該類型直螺紋接頭，如鋼筋籠對(duì)接的單邊加鎖母加長(zhǎng)絲頭接頭，無(wú)鎖母端的鋼筋絲頭須參照實(shí)際套筒螺紋尺寸，特別加工比標(biāo)準(zhǔn)直徑尺寸略大的鋼筋絲頭，與套筒形成螺紋過(guò)盈配合連接，即可滿足接頭殘余變形要求。

4)采用《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的6f精度控制加工的鋼筋絲頭連接無(wú)頂緊凸臺(tái)的半灌漿套筒時(shí)，鋼筋絲頭無(wú)法通過(guò)端部對(duì)頂消除螺紋間隙，其組成接頭抗拉強(qiáng)度能滿足《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》強(qiáng)度性能要求。但接頭殘余變形不能滿足該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的變形性能要求，因此，在工程中應(yīng)用的半灌漿套筒應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行《鋼筋連接用灌漿套筒》相關(guān)規(guī)定設(shè)置絲頭頂緊凸臺(tái)，為滿足接頭殘余變形要求提供保證。