中等直徑鋼筋焊搭混合連接的受拉性能

摘要：提出一種中等直徑（10～16 mm）鋼筋在鋼筋混凝土結構中的新型連接方式，通過焊搭混合連接降低施工難度、節約鋼筋用量。對比現行規范規定的鋼筋連接方法，研究其受拉性能，制作了非埋入式和埋入式鋼筋連接2組試件，共完成了138個鋼筋連接的拉伸試驗，得到無橫向配筋約束的改良焊搭混合連接鋼筋的破壞模式和承載力，并用有限元軟件進行了模擬和驗證，對破壞機理進行分析。試驗結果表明：該方法簡單易行，能夠實現在鋼筋混凝土結構中的可靠連接，承載力滿足要求，破壞模式合理。基于試驗結果，對焊搭混合連接的工程應用提出了建議。進行了工程實例的經濟性分析，證明了該連接具有很好的經濟前景。

關鍵詞：鋼筋連接；焊搭混連；綁扎搭接；焊接

中圖分類號：TU392.2

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2014）01002508

鋼筋連接是混凝土結構施工中量大面廣、不可避免的工作，如何有效、簡便、經濟地實現鋼筋連接是一項意義重大、影響面廣的研究。

目前，中國規范規定，受力鋼筋連接包括機械連接、綁扎搭接或焊接連接3種方式。綁扎搭接施工方便，操作難度低，但需要設置較長的錨固長度，搭接接頭連接區段內必須按要求布置箍筋[13]，箍筋用量較大。另外，當鋼筋較粗時，綁扎搭接施工困難且容易產生裂縫，因此規范對其直徑的適用范圍進行了限制[4]。機械連接需要對鋼筋接頭進行機械處理，操作工藝復雜，直徑較小的鋼筋不適用機械連接，且費用昂貴。焊接連接效果最好，連接強度可以達到甚至超過鋼筋自身強度，但是施工要求高，受施工現場天氣條件等影響較大，而且焊接位置處形成的熱影響區和殘余應力等對連接的性能影響較大；《鋼筋焊接及驗收規程》（JGJ 18-2003）規定，搭接焊時，焊接端鋼筋應預彎，并應使兩鋼筋的軸線在同一直線上，消除偏心作用的影響[5]。

實際工程中，直徑10～16 mm的鋼筋應用量很大，其連接方式主要以綁扎搭接為主，尤其是12和14 mm的鋼筋幾乎全部采用綁扎搭接。受力縱筋的綁扎搭接對搭接區橫向配筋有較高的要求[2]，且鋼筋直徑越小，橫向配筋越多，這就使得在實際工程中，由于鋼筋綁扎搭接產生了一部分額外的用鋼量。隨著HRB500鋼筋等高強鋼筋的應用，鋼筋抗拉強度增大，鋼筋搭接長度也相應增大，這部分額外增加的用鋼量將相應增加。例如在C40混凝土柱中，直徑14 mm的HRB335鋼筋基本搭接長度為413 mm，而HRB500鋼筋則需要598 mm。針對這種情況，筆者提出了2種鋼筋混凝土豎向結構構件中的鋼筋連接結構（專利號分別為：200920163870.5和201020166469.x）[67]。這是一種鋼筋焊搭混合連接，希望實現有效、簡便、經濟的鋼筋連接方式。這種連接與傳統的鋼筋綁扎搭接、機械連接和焊接連接相比，可節省材料，且施工方便、造價低，如果在鋼筋混凝土結構尤其是剪力墻等鋼筋用量較大的結構中推廣使用，可以取得很好的經濟效益和社會效益。

關于鋼筋混合連接的相關試驗研究較少，Chun等[8]通過48根軸壓柱試驗研究橫截面箍筋對于受壓鋼筋連接強度的影響；Bashandy[9]通過16個在彎曲梁跨中受拉區布置鋼筋連接的彎曲試驗，研究在總截面面積不變的情況下并筋對于鋼筋連接強度的影響； Hassan等[10]進行了20個足尺梁模型彎曲試驗，研究了受拉區縱向主筋搭接連接強度的影響因素及大小。Issa等[11]通過試驗研究，認為鋼筋焊接連接的焊腳尺寸應取為鋼筋直徑的0.3倍，焊縫最小長度應為15倍鋼筋直徑，并且認為焊接連接在高強度鋼筋、低強度混凝土或者大直徑鋼筋等特殊情況下具有較好的經濟性。Hosny等[12]進行了66個大尺寸鋼筋連接試驗，探討了常規的計算公式對于無約束高強鋼筋的適用情況，認為在某些情況下可能會過高的估計鋼筋與混凝土之間的粘結強度，并提出一種適用于無約束高強鋼的延伸長度計算公式。Xiao等[13]對高強鋼筋（HPB500）在高性能混凝土（C60）中的錨固性能進行了靜力和疲勞試驗研究，并結合有限元對試驗結果進行了分析。Simons等[14]對比現澆混凝土中鋼筋連接，研究了后植筋在地震激勵下的粘結性能，并根據試驗結果提出了地震荷載作用下后植筋的設計模型。對于搭接混合連接的受力性能的研究未見有文獻涉及。

筆者通過138個連接試件拉伸試驗，針對12和14 mm兩種直徑的鋼筋，從非埋入混凝土和埋入混凝土兩個方面進行試驗，分別研究鋼筋單獨作用的鋼筋連接性能和鋼筋與混凝土共同作用下的鋼筋連接性能，對其破壞模式和受力性能進行分析，對鋼筋焊搭混合連接的性能進行研究。

馮鵬，等：中等直徑鋼筋焊搭混合連接的受拉性能

1非埋入混凝土鋼筋連接性能試驗

1.1試驗設計

非埋入混凝土鋼筋連接性能試驗試件共計36個，按焊接方式分為3組：單點焊接、兩點焊接和三點焊接。每組又根據鋼筋等級和直徑不同制作4種試件，每種試件按相同要求制做3個。對所有試件進行拉伸試驗（見表1），并對每種母材進行材性試驗，共計16種試件。在試驗過程中記錄屈服承載力、極限承載力，并計算鋼筋伸長率[15]。

試驗使用1 000 kN拉力試驗機進行。試驗裝置見圖1。將試件兩端分別夾持在試驗機的上下夾具內，施加單調拉伸荷載至試件破壞，觀察其破壞模式，記錄屈服及極限承載力大小。試件破壞后測量其伸長率。

圖1試驗裝置

1.2破壞過程與破壞形態

從試驗過程中來看，3種鋼筋連接的破壞形態與過程基本相同，都是經歷屈服、強化、頸縮的階段后被拉斷而破壞。受到焊接熱影響作用導致鋼材性能下降，每種連接方式都有斷點位于焊縫外側端部的情況出現，但多數構件破壞模式主要以鋼筋拉斷為主，試件的破壞都發生在搭接區域以外。構件破壞形態如圖2所示。

1.3試驗結果分析

試驗結果如表1、表2所示。將試驗結果數據整理分析，如圖3所示。

圖3中的數據選取試驗結果的平均值。從圖中可以看出，對于相同母材的焊接連接，不同連接方式的極限承載力區別不大。其中HRB335Φ14三點焊連接的極限荷載較低，屬于焊接質量問題，3根構件的極限荷載離散較大，不予考慮。從結果中可以看到，3種連接方式均滿足要求。三點焊組相比于兩點焊組，在承載力的表現上沒有明顯提高，兩點焊的連接強度甚至超過三點焊，說明焊縫長度不是決定承載力的主要因素。而在工程實踐中，三點焊的連接方法在沒有明顯提高連接效果的情況下，增加了施工的成本和復雜程度，因此在下一步實驗中，選用兩點焊與綁扎進行對比，不再設置三點焊連接對比組。

圖2非埋入混凝土鋼筋連接構件破壞形態

圖3不同連接方式的屈服和極限強度對比

2埋入混凝土鋼筋連接性能試驗

2.1試驗設計

埋入混凝土鋼筋連接性能試驗試件共計102個，設計時考慮鋼筋混凝土共同作用。按連接方式分為3組：綁扎搭接、單點焊連接和兩點焊連接，分別用L、M1和M2表示，其中M2組即為所提出的焊搭混合連接方式。每組有根據鋼筋直徑和搭接長度不同進行試件設計：選擇12和14 mm 2種鋼筋直徑，每組設置6種搭接長度，M2組最短時與M1相同，因此實際包含5種搭接長度，共34種試件，每種試件按照相同要求制作3個（試件具體情況如表3所列）。