大直徑鋼筋漿錨搭接連接試驗(yàn)研究

馬衛(wèi)華，孫亞?wèn)|，張清晨，李平 （哈爾濱市市政工程設(shè)計(jì)院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150070）

0 前言

預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)由于其質(zhì)量可靠、施工簡(jiǎn)單、施工場(chǎng)地要求較低、減少環(huán)境污染等特點(diǎn)成為近年來(lái)比較推崇的設(shè)計(jì)方向。預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)不同于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)部件之間的鋼筋連接，鋼筋搭接連接性能的基礎(chǔ)就是鋼筋的錨固性能。漿錨搭接連接就是在豎向結(jié)構(gòu)底部范圍內(nèi)預(yù)留出豎向鋼筋孔，孔內(nèi)表面應(yīng)存在螺紋狀粗糙面，其周圍配有橫向約束的螺旋箍筋。豎向結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配連接時(shí)，將下部結(jié)構(gòu)預(yù)留鋼筋伸入孔道內(nèi)，通過(guò)灌漿孔注入灌漿料，直到排氣孔中出現(xiàn)溢出的灌漿料時(shí)證明灌漿料可以停止注漿，當(dāng)灌漿料強(qiáng)度逐漸增大，豎向結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)連接為整體。

姜洪斌分析了螺旋箍筋約束情況下縱筋搭接連接機(jī)理，給出了考慮螺旋箍筋配筋量的縱筋搭接長(zhǎng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法。馬軍衛(wèi)研究發(fā)現(xiàn)提高體積配筋率可以明顯提高試件對(duì)鋼筋的錨固性能。趙培以螺旋箍筋約束的鋼筋搭接混凝土核心區(qū)為分析模型，綜合考慮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了約束漿錨搭接連接設(shè)計(jì)計(jì)算方法和相應(yīng)構(gòu)造要求。胡成超發(fā)現(xiàn)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高并不一定能提高GFRP筋的粘結(jié)強(qiáng)度，但粘結(jié)界面發(fā)生混凝土表面破壞時(shí)，提高混凝土強(qiáng)度可以有效提高GFRP筋的粘結(jié)強(qiáng)度。

漿錨搭接對(duì)連接結(jié)構(gòu)主要依靠鋼筋與灌漿料的粘結(jié)錨固以及鋼筋之間的搭接傳力，實(shí)現(xiàn)鋼筋之間的連接。波紋管粗擦面可以提高灌漿料與周圍混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)配置螺旋箍筋增加橫向約束并加強(qiáng)鋼筋的搭接連接性能。因此了解這種漿錨搭接連接性能，應(yīng)選取鋼筋直徑及鋼筋搭接長(zhǎng)度為參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

大直徑鋼筋漿錨搭接連接試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6組試件，共18試驗(yàn)試件進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。試件尺寸均為180mm×180mm，預(yù)埋鋼筋強(qiáng)度等級(jí)均為HRB400，預(yù)埋鋼筋直徑分別選取25mm、28mm，預(yù)埋波紋管內(nèi)徑70mm，螺旋箍筋強(qiáng)度等級(jí)為HPB300，螺旋箍筋直徑為6mm，間距為40mm，試件兩端100mm范圍內(nèi)設(shè)置為箍筋加密區(qū)，加密區(qū)箍筋間距為25mm。試件構(gòu)造如圖1～圖2所示，試件參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 試件構(gòu)造圖（單位：mm）

1.2 加載裝置

本試驗(yàn)中特別制作了一個(gè)反力架用于荷載施加的實(shí)現(xiàn)。這個(gè)裝置主要包含4根長(zhǎng)2000mm的40cm精軋螺紋鋼，螺紋鋼下端錨固在地梁上；上端采用4道工字型鋼梁作與精軋螺紋鋼構(gòu)成加載裝置的主體；同高度的橫梁間采用2cm厚八塊開(kāi)孔鋼板作為橫向連接構(gòu)造，以增加加載架的整體穩(wěn)定性和剛度。拉伸試件兩端采用三葉型夾片式錨具進(jìn)行連接，下端放置應(yīng)力環(huán)，上部作為加載端放置50T液壓千斤頂進(jìn)行加載，并設(shè)置位移計(jì)。試驗(yàn)加載裝置如圖2所示。

大直徑鋼筋漿錨搭接連接試驗(yàn)參數(shù)表 表1

圖2 試驗(yàn)加載裝置圖

1.3 材料性能

鋼筋強(qiáng)度：實(shí)驗(yàn)用直徑為25mm、28mm的HRB400級(jí)鋼筋，鋼筋力學(xué)性能見(jiàn)表2。試件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，在澆筑混凝土?xí)r預(yù)留100×100×100mm試件，測(cè)得混凝土力學(xué)性能見(jiàn)表3。

鋼筋力學(xué)性能 表2

混凝土力學(xué)性能 表3

1.4 加載方法

試驗(yàn)采取軸拉試驗(yàn)形式，在單向加載制度基礎(chǔ)上，以鋼筋屈服強(qiáng)度為極限加載控制值，并輔以鋼筋拔出狀態(tài)進(jìn)行控制。單向拉伸性能是承受靜載時(shí)的基本性能，本文試驗(yàn)加載設(shè)備采用50T液壓式千斤頂，加載制度如下：?jiǎn)蜗?——0.2預(yù)加載——0——控制指標(biāo)值。

1.5 測(cè)點(diǎn)布置

錨固段鋼筋與張拉端鋼筋貼片下料后首先進(jìn)行長(zhǎng)度配對(duì)編號(hào)，并在五分點(diǎn)位置共5點(diǎn)各貼一個(gè)應(yīng)變片，測(cè)點(diǎn)粘貼方向?yàn)轫樹(shù)摻铋L(zhǎng)度方向，沿鋼筋長(zhǎng)度方向引出；波紋管外側(cè)、螺旋箍筋內(nèi)側(cè)鋼筋為錨固鋼筋，測(cè)點(diǎn)粘貼方向?yàn)轫樹(shù)摻铋L(zhǎng)度方向，并垂直鋼筋長(zhǎng)度方向從試件表面引出。張拉端鋼筋外露部分，錨固端外露部分各貼一個(gè)應(yīng)變片，用于觀測(cè)鋼筋受力與千斤頂之間力傳遞的順暢情況。

混凝土表面測(cè)點(diǎn)位于試件長(zhǎng)度方向五分點(diǎn)位置位移計(jì)位于錨具上端，用以量測(cè)位移形成，并與加載應(yīng)力結(jié)合，控制加載噸位。測(cè)點(diǎn)布置詳圖，如圖3所示。

圖3 張拉端與錨固段埋置端測(cè)點(diǎn)布置

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 典型試驗(yàn)現(xiàn)象

加載速率1T/min，對(duì)于D=25mm的HRB400鋼筋，加載控制噸位為21T，對(duì)于D=28mm的HRB400鋼筋，加載控制噸位為27T，荷載分十級(jí)進(jìn)行均布加載。當(dāng)達(dá)到加載控制噸位時(shí)，結(jié)合千斤頂出缸量程限制，停止加載，并持荷3min，觀察裂縫開(kāi)展情況。加載過(guò)程中觀測(cè)鋼筋是否拔出。

試驗(yàn)持荷后從裂縫開(kāi)展情況看，裂縫基本垂直受力方向，裂縫延試件長(zhǎng)度方向的分布基本均勻，呈等間距開(kāi)裂趨勢(shì)和現(xiàn)象，鋼筋達(dá)到屈服應(yīng)力且均未拔出。裂縫開(kāi)展為典型的混凝土受拉形式。在第四級(jí)荷載84kN作用下，裂縫開(kāi)始出現(xiàn)，第五級(jí)荷載105kN作用下，用裂縫寬度測(cè)試儀觀測(cè)到裂縫開(kāi)展。綜合第四級(jí)荷載以后的數(shù)據(jù)和試驗(yàn)現(xiàn)象分析表明，裂縫在第四級(jí)荷載出現(xiàn)以后，隨著荷載的增加，裂縫開(kāi)始擴(kuò)展，并產(chǎn)生新的裂縫。

第四級(jí)荷載作用下，40D試件實(shí)測(cè)裂縫值為0.12mm，40D試件在第十級(jí)荷載后最大裂縫縫寬達(dá)到0.36mm，并于卸載后恢復(fù)。40D錨固長(zhǎng)度試件裂縫分布描繪如圖4所示。各級(jí)荷載下裂縫寬度如圖5所示。

圖4 錨固長(zhǎng)度40D試件試驗(yàn)圖

圖5 裂縫寬度測(cè)試曲線

2.2 應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果

為了得到不同錨固長(zhǎng)度下，混凝土、錨固鋼筋及主拉鋼筋應(yīng)變與荷載的關(guān)系差異，以代表性荷載等級(jí)為例，一種是荷載等級(jí)較低的二級(jí)荷載，一種是荷載等級(jí)較高的十級(jí)荷載進(jìn)行分析。

混凝土在荷載作用下的應(yīng)變特性如圖6～圖7所示，混凝土應(yīng)變?cè)诰o鄰張拉端應(yīng)力上升較快，遠(yuǎn)離張拉端應(yīng)變上升緩慢；混凝土兩側(cè)應(yīng)變?cè)诘图?jí)荷載作用下更接近于線性變化，在高級(jí)荷載作用下非線性變化有所加強(qiáng)，并且隨著搭接長(zhǎng)度的增加非線性變化更為顯著。因?yàn)槁菪拷畹拇嬖冢炷量傮w應(yīng)變值均很小，均在1.0×10以內(nèi)。

錨固鋼筋在荷載作用下的應(yīng)變特性如圖8～圖9所示，

錨固鋼筋在低荷載作用下應(yīng)變曲線斜率近似于線性變化，在高荷載作用下張拉端側(cè)應(yīng)變變化斜率較大，但在錨固端側(cè)應(yīng)變變化緩慢，應(yīng)變變化斜率均隨搭接長(zhǎng)度的增大而減小。隨著荷載等級(jí)的增大，錨固鋼筋應(yīng)變存在平臺(tái)期，并且隨著錨固長(zhǎng)度的增大平臺(tái)期增大。

張拉鋼筋在荷載作用下的應(yīng)變特性如圖10～圖11所示，張拉鋼筋同錨固鋼筋相似在低荷載作用下應(yīng)變曲線斜率接近于線形變化，高荷載作用下非線性增強(qiáng)。無(wú)論在低荷載或高荷載情況下，鋼筋中段應(yīng)力變化較小，增大的應(yīng)力被增大的結(jié)構(gòu)錨固尺寸所抵消。

圖6 二級(jí)荷載混凝土應(yīng)變

圖7 十級(jí)荷載混凝土應(yīng)變

圖8 二級(jí)荷載錨固鋼筋應(yīng)變

圖9 十級(jí)荷載錨固鋼筋應(yīng)變

圖10 二級(jí)荷載主拉鋼筋應(yīng)變

圖11 十級(jí)荷載主拉鋼筋應(yīng)變

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大直徑鋼筋漿錨搭接連接單向拉伸試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

①試驗(yàn)現(xiàn)象表明無(wú)論D=25mm的HRB400鋼筋還是D=28mm的HRB400鋼筋，達(dá)到加載控制噸位時(shí)，錨固鋼筋與張力鋼筋均未出現(xiàn)拔出情況，所有試驗(yàn)構(gòu)件未出現(xiàn)受拉破壞、劈裂破壞及局部破損，說(shuō)明鋼筋錨固長(zhǎng)度在35D～45D范圍內(nèi)，構(gòu)件錨固長(zhǎng)度均安全可靠；

②由于錨固筋、主拉鋼筋在兩端頭應(yīng)變比較大，建議應(yīng)分別設(shè)置箍筋加密區(qū)。

在連接件單向拉伸試驗(yàn)分析下，大直徑漿錨搭接連接方式具有良好的工作性能，可以為以后裝配式結(jié)構(gòu)連接方式設(shè)計(jì)提供新的理念。