鋼筋漿錨對接技術可行性試驗研究*

郭正興，徐睿妮，朱張峰，張 軍，陳耀鋼

(1.東南大學土木工程學院，江蘇 南京 211189； 2.南京工業大學土木工程學院，江蘇 南京 211816； 3.江蘇中南建筑產業集團有限責任公司，江蘇 南通 226124)

0 引言

目前，我國大力推廣預制裝配式混凝土結構，該結構具有工業化程度高、節省材料、污染小、施工便利、建造周期短、投資回收快等優點，是新型建筑工業化發展的方向[1]。該結構豎向鋼筋連接方式主要有2種：①鋼筋套筒灌漿連接 指在預制構件內的預埋金屬套筒中插入鋼筋，并灌注水泥基灌漿料從而實現鋼筋對接[2]；②鋼筋漿錨搭接連接 指向預制混凝土構件中預留孔道內插入需搭接的鋼筋，并灌注水泥基灌漿料，多用于墻板結構中[3]。

預制構件主要受力筋的可靠連接是保證裝配式混凝土結構具有良好抗震性能的關鍵，也是該結構能否被推廣應用的關鍵。在有關鋼筋套筒連接的研究中，秦珩等[4]指出影響連接質量的關鍵因素包括接頭性能和套筒質量、鋼筋和套筒的定位精度等。鄭永峰等[5]提出一種新型GDPS灌漿套筒，并驗證了該套筒的可行性，推導出鋼筋黏結承載力計算經驗公式。Henin等[6]設計制作一種新型灌漿套筒，管壁內表面布有螺紋，通過單向拉伸試驗研究該鋼筋套筒灌漿連接的承載力。王東輝等[7]分別對日本東京鐵鋼梁式套筒和柱式套筒進行承載力試驗，探究套筒和鋼筋直徑大小對該接頭承載力的影響。Sayadi等[8]通過對GFRP套筒灌漿連接接頭進行單向拉伸試驗，研究鋼筋與灌漿料的機械咬合作用。

關于鋼筋漿錨搭接連接的研究中，Kemp等[9]進行了有無箍筋對搭接強度影響的對比試驗，結果表明黏結強度隨箍筋個數的增加而增大。姜洪斌等[10]提出插入式預留孔漿錨搭接連接，通過對連接試件進行單向拉伸試驗，證明其具備可靠的連接性能。尹齊等[11]為研究預埋波紋管漿錨搭接節點的性能，對漿錨試件進行連續加載的抗拔試驗，證明該連接性能可靠。劉家彬等[12]提出在波紋管漿錨約束的基礎上增配矩形螺旋箍筋，試驗結果表明試件破壞形態與現澆試件基本相同，位移延性滿足抗震要求。余瓊等[13]提出一種套筒約束漿錨搭接接頭，并研究該搭接接頭的連接性能，建議該接頭搭接長度應為12.5倍的鋼筋直徑。

為綜合鋼筋套筒灌漿對接連接性能的優勢和波紋管漿錨搭接施工的便利性，提出一種施工相對簡便、成本相對較低的金屬波紋管留孔鋼筋漿錨對接連接方法，為驗證其可行性，設計制作一系列對拉試件，對其接頭傳力性能進行試驗研究。

1 試驗概況

1.1 試件設計

金屬波紋管留孔鋼筋漿錨對接試件設計如圖1所示。對接連接鋼筋采用鐓頭形式，可減小鋼筋錨固長度，節約材料；采用金屬波紋管留孔，成孔方便，造價低廉；兩邊鐓頭間留有間隙以便充分灌漿；波紋管外側設置幫條鋼筋與螺旋筋點焊成的鋼筋籠，提高接頭性能，便于工廠化制作。

圖1 試件設計

考慮錨固長度和混凝土強度對試件受力性能的影響，共設計6組金屬波紋管留孔鋼筋漿錨對接試件，每組制作3個相同規格試件，試件編號及對應參數如表1所示。表中試件按混凝土強度-漿錨長度-相同規格試件序號(a/b/c)進行編號，如C30-20d-a，表示混凝土強度等級為C30，錨固長度為20倍鋼筋直徑的試件，序號為a。

表1 試件設計參數

1.2 材料性能

通過材料性能試驗測得高強無收縮水泥灌漿料棱柱體標準試塊抗壓強度為91MPa；C30，C40混凝土立方體抗壓強度平均值分別為36，48MPa；HRB400級鋼筋基本力學指標如表2所示。

表2 鋼筋力學參數

1.3 加載裝置及加載方案

采用最大載荷為1 000kN的MTS疲勞機對試件進行對拉連續加載，加載裝置如圖2所示。加載速度為0.1kN/s，屈服后加載速度減緩；出現外部鋼筋拔斷或混凝土部分斷裂、荷載快速下降等情況時，立即停止加載。

圖2 加載裝置

2 試驗結果

試件的破壞模式主要有帶鐓頭連接鋼筋外部拉斷破壞和試件混凝土部分及幫條鋼筋被拉斷2種，如圖3所示。

圖3 試件破壞模式

1)鐓頭鋼筋拉斷破壞 鋼筋錨固長度滿足黏結力要求，幫條鋼筋與混凝土黏結充分，有效傳力，當試件所受荷載持續增加，鐓頭鋼筋逐漸屈服并發生頸縮現象，鋼筋拉斷破壞。

2)混凝土部分及幫條鋼筋拉斷破壞 斷裂發生在中部橫向裂縫處，隨著荷載持續增加，試件中部橫向裂縫進一步擴展，裂縫寬度增大。由于鐓頭鋼筋對拉連接，中部缺乏連接鋼筋，依靠周圍幫條鋼筋傳力，在接近鐓頭鋼筋極限拉力時，幫條鋼筋一側與混凝土黏結失效，進而混凝土部分迅速斷裂，混凝土塊崩落。

3 試驗結果分析

3.1 荷載-位移曲線

C30-30d-a/b/c 3個試件加載過程中的荷載-位移曲線如圖4所示，其中橫坐標為試驗機兩頭夾具間的相對位移，縱坐標為施加于兩端連接鋼筋上的拉力。

圖4 試件荷載-位移曲線

由圖4可知，試件為外部鋼筋斷裂破壞時，C30-30d-b曲線形狀與單根鋼筋拉伸的荷載-位移曲線類似，可分為4個階段。第1階段為初始上升階段，試件剛度較大，荷載和位移基本呈線性關系，鋼筋與灌漿料間相互擠壓，四周幫條有效傳力，試件中部開始出現橫向裂縫；第2階段為鋼筋屈服階段；第3階段為鋼筋強化階段，該階段鋼筋與灌漿料間充分擠壓；第4階段為鋼筋頸縮破壞階段。當試件為連接件混凝土部分拉斷破壞時，C30-30d-a曲線的第1個上升段和屈服段與外部鋼筋斷裂破壞時的曲線類似，進入強化階段后，由于幫條鋼筋錨固長度不足，黏結長度不足，接近鐓頭鋼筋極限荷載前，幫條鋼筋與混凝土黏結界面失效，混凝土和灌漿料在中部對接處斷裂，幫條鋼筋被拉出，荷載迅速下降。

3.2 破壞模式和極限荷載分析

統計不同規格試件的破壞模式、對應極限荷載及連接鋼筋平均黏結應力等，如表3所示。表中平均黏結應力計算公式[14]為：

表3 試件破壞模式與極限荷載統計

(1)

式中：τ為鋼筋混凝土平均黏結應力；F為拉拔極限荷載；d為鋼筋直徑；l為有效黏結長度。

由表3可知，在同等混凝土強度等級下，隨著漿錨長度的增加，試件破壞模式逐漸從混凝土中部拉斷轉變為外部鋼筋母材拉斷，鋼筋平均黏結應力減小，在C40試件中該特征表現明顯，原因是漿錨長度增加，對接鋼筋的錨固能力增強，同時幫條鋼筋與混凝土的黏結長度增加，在試件中部的傳力效果表現更佳，最終實現試件斷于對接鋼筋母材。當試件破壞形式為鋼筋外部拉斷破壞時，試件承載力近似相等，均為單根鋼筋抗拉承載力，幫條鋼筋充分發揮黏結作用，在兩端鋼筋間起橋接功能；當試件為混凝土部分拉斷破壞時，試件承載力由幫條鋼筋與混凝土間的黏結力及幫條鋼筋抗拉承載力中的交小值決定，隨著中部混凝土及灌漿料的斷裂，幫條鋼筋從試件半邊滑移脫出或發生斷裂破壞。

同等漿錨長度條件下，采用更高強度等級混凝土能改善對接試件受力性能，如C30-20d-c為混凝土中部拉斷破壞，采用相等漿錨長度的C40試件則實現了試件斷于鋼筋母材的要求。由于試驗的離散性和制作過程中的誤差，個別試件如C30-30d-a表現為有悖于試驗結果規律的破壞形態，此處不予考慮。

4 結語

針對新型金屬波紋管留孔鋼筋漿錨對接連接方式開展對拉試驗，得到以下結論。

1)該新型漿錨對接連接方式具有良好的受力性能，試件可實現斷于母材的要求，可為采用此連接方式的裝配式混凝土剪力墻連接性能試驗提供基礎。

2)對于φ12對接鐓頭鋼筋，在混凝土強度等級為C30、鋼筋漿錨長度≥25d，或混凝土強度等級為C40、鋼筋漿錨長度≥20d的條件下，可達到試件斷于外部母材的目標。

3)應用于更大直徑的鋼筋對接時，可采取放大鋼筋漿錨長度或提高混凝土強度的方法，也可考慮適當增加幫條鋼筋數量或增大幫條鋼筋截面積。