一種新型鋼筋連接的關(guān)鍵技術(shù)研究

霍健棠，范炳禮，朱桂濱，陳俊豪，顧錦全

（廣東省建工設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引言

目前在建筑施工過程中，鋼筋的連接方式主要有3種：綁扎連接、焊接連接、機(jī)械連接。但這3 種連接都有各有不足，如綁扎搭接長(zhǎng)度太長(zhǎng)，浪費(fèi)鋼筋過多；焊接易受多雨天氣影響，影響工期，還需要較多設(shè)備；機(jī)械連接成本較高，勞動(dòng)強(qiáng)度大。改良傳統(tǒng)的鋼筋連接方式，減少浪費(fèi)、縮短工期、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，做到安全，高效，經(jīng)濟(jì)的推進(jìn)項(xiàng)目，就是本項(xiàng)的目的。這些傳統(tǒng)的連接方式通常需要在構(gòu)件連接處進(jìn)行開洞、鉆孔或是焊接等，而這些措施在一定程度上會(huì)造成構(gòu)件損傷或結(jié)構(gòu)破壞，影響結(jié)構(gòu)的安全性，加之開洞或焊接處往往是應(yīng)力集中處，正是構(gòu)件的受力薄弱處，這無論對(duì)于錨固栓釘還是焊縫都有較高的強(qiáng)度和變形能力要求，稍處理不好就會(huì)造成構(gòu)件脫節(jié)甚至結(jié)構(gòu)破壞。

最近幾年鋼筋連接方式在機(jī)械連接上有了新的技術(shù)，如剝肋滾軋直螺紋連接技術(shù)使機(jī)械連接前進(jìn)了不少，但也仍在不同程度上存在著不足。

建設(shè)部和國(guó)家科委1997 年制定的“九五”推廣重點(diǎn)項(xiàng)目“魯班工程”中，首先啟動(dòng)的項(xiàng)目就是“新型鋼筋與鋼筋連接技術(shù)”。新型鋼筋指的是冷軋帶肋鋼筋，鋼筋連接技術(shù)指的是鋼筋焊接技術(shù)和機(jī)械連接技術(shù)，國(guó)家科委和建設(shè)部很重視這一新技術(shù)[1]。

為彌補(bǔ)上述目前常用的3 種鋼筋連接方式的不足，此次研究擬設(shè)計(jì)一種新型的鋼筋連接方式，創(chuàng)新性地利用傳統(tǒng)的榫卯技術(shù)改良現(xiàn)有的機(jī)械連接方式，既以榫卯連接方式連接鋼筋，設(shè)計(jì)一種新型的鋼筋榫卯鏈接件，并通過強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，證明新型連接件的強(qiáng)度滿足建筑施工的需要。

1 鋼筋榫卯連接的設(shè)計(jì)

1.1 連接理論

鋼筋榫卯連接理論是指為在建筑工程中，鋼筋榫卯連接的設(shè)計(jì)、計(jì)算和施工等方面的理論基礎(chǔ)。這些理論基礎(chǔ)主要包括以下內(nèi)容。

（1）鋼筋的力學(xué)性能。鋼筋的強(qiáng)度、韌性、彈性模量等力學(xué)性能對(duì)于鋼筋榫卯連接的承載能力非常重要。因此，在設(shè)計(jì)和施工過程中，需要對(duì)鋼筋的力學(xué)性能進(jìn)行充分的考慮和計(jì)算[2]。

（2）榫頭和卯眼的設(shè)計(jì)。榫頭和卯眼的設(shè)計(jì)對(duì)于鋼筋榫卯連接的牢固性和可靠性也非常關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)過程中，需要考慮到榫頭和卯眼的強(qiáng)度、剛度、厚度等因素，以確保連接的穩(wěn)定性和可靠性。

（3）鋼筋連接的施工技術(shù)。鋼筋連接的施工技術(shù)對(duì)于鋼筋榫卯連接的質(zhì)量和可靠性也有很大的影響。在施工過程中，需要確保鋼筋的尺寸和形狀符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)要進(jìn)行必要的防腐和防銹處理。此外，還需要選擇合適的連接方式和工具，確保連接的牢固性和可靠性。

總之，鋼筋榫卯連接理論是建筑工程中非常重要的一部分，它涉及鋼筋的力學(xué)性能、榫頭和卯眼的設(shè)計(jì)、鋼筋連接的施工技術(shù)等多個(gè)方面。只有在理論基礎(chǔ)上充分考慮和計(jì)算，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行操作，才能確保鋼筋榫卯連接的質(zhì)量和可靠性，從而保障建筑工程的安全和穩(wěn)定性。

1.2 鋼筋榫卯連接件的設(shè)計(jì)思路及目標(biāo)

主要設(shè)計(jì)思路如下：設(shè)計(jì)鋼筋榫卯接頭的具體形式、設(shè)計(jì)接頭應(yīng)力的補(bǔ)強(qiáng)方式。榫卯連接件接頭形式為：采用兩個(gè)扣接連接在一起的連接頭以及一個(gè)固定兩連接頭的擠緊件組成一個(gè)高強(qiáng)度、可拆分的鋼筋連接件。該連接件能夠?qū)⒁粚?duì)鋼筋快速連接起來，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便；榫卯連接件的補(bǔ)強(qiáng)形式為增加榫卯連接件截面使其大于鋼筋截面。

本連接件的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下。

（1）高強(qiáng)度。它采用高強(qiáng)度連接件和鋼筋制成，具有較高的強(qiáng)度和抗拉、抗壓強(qiáng)度。

（2）可拆卸。連接件可以拆卸，方便施工和維護(hù)。

（3）方便施工。連接件的組裝方式簡(jiǎn)單，施工速度快，有利于加快施工進(jìn)度。

（4）耐久性好。連接件的材料經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制，耐久性好，可以長(zhǎng)期使用。

（5）環(huán)保。連接件的制造過程少產(chǎn)生有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境污染小。

鋼筋榫卯連接研究?jī)?nèi)容應(yīng)包括連接構(gòu)件尺寸大小、榫頭和卯眼的設(shè)計(jì)等，其中榫頭和卯眼的設(shè)計(jì)是研究關(guān)鍵內(nèi)容[3]。

1.3 鋼筋榫卯連接件的設(shè)計(jì)成果

榫卯連接件，包括第一連接頭，第一連接頭插接有第二連接頭，第一連接頭和第二連接頭之間設(shè)有銷釘擠緊件，銷釘擠緊件的兩側(cè)分別向第一連接頭和第二連接頭施加推力，將第一連接頭和第二連接頭鎖緊，第一連接頭和第二連接頭的末端還設(shè)有連接結(jié)構(gòu)，連接結(jié)構(gòu)用于連接鋼筋。

第一連接頭和第二連接頭均包括連接本體，連接本體的上端設(shè)有一對(duì)凸臺(tái)，兩凸臺(tái)之間形成插槽，其中一凸臺(tái)低于另一凸臺(tái)，另一凸臺(tái)的上部設(shè)有插板，插板的上端突出于另一凸臺(tái)，第一連接頭和第二連接頭的插板分別插入對(duì)方的插槽中連接。榫卯連接件示意圖如圖1 所示。

圖1 榫卯連接件示意圖

其中一凸臺(tái)和另一凸臺(tái)的高度比為（7:1）~（10:1），插槽的深度為1~3cm，凸臺(tái)和插板的內(nèi)壁均為粗糙面，連接結(jié)構(gòu)包括連接套管。所述的連接套管的一端和第一連接頭或第二連接頭的末端連接，連接套管的長(zhǎng)度為5~20cm，內(nèi)壁上開設(shè)有連接螺紋，擠緊件為一條形件，所述條形件的長(zhǎng)度小于等于凸臺(tái)的寬度。榫卯連接件尺寸如圖2 所示。

圖2 榫卯連接件尺寸（單位：mm）

1.4 鋼筋榫卯連接件的優(yōu)勢(shì)

本次研究的鋼筋榫卯鏈接技術(shù)的優(yōu)勢(shì)如下。

（1）相對(duì)綁接技術(shù)，減少不必要的綁扎搭接的搭接長(zhǎng)度從而降低用鋼量，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

（2）相對(duì)焊接技術(shù)，不需要焊接節(jié)約能源減少有害氣體產(chǎn)生，做到節(jié)能環(huán)保，且不受鋼筋成分及種類影響。

（3）相對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械鏈接技術(shù)，可以工廠化生產(chǎn)，提前預(yù)制，不占用工期，全天候施工。連接方式操作便利、快捷，施工速度快，可大大縮短工期。

本項(xiàng)擬設(shè)的新型鋼筋榫卯連接方式改進(jìn)了傳統(tǒng)鋼筋的連接方式，通過簡(jiǎn)單快捷的施工安裝，適合在目前大部分的工程建設(shè)中推廣與應(yīng)用。它可廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、隧道、鐵路、高速公路等工程中，可以提高工程的施工質(zhì)量和施工效率，同時(shí)也能有效降低工程成本。因此，在未來的建筑施工中，鋼筋榫卯連接技術(shù)將擁有十分廣泛的應(yīng)用前景。

2 強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果

2.1 單向拉伸實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

測(cè)定實(shí)驗(yàn)試件鋼筋母材為標(biāo)準(zhǔn)HRB400，直徑為20mm 符合鋼筋各項(xiàng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)奠定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)有效需檢驗(yàn)：榫卯連接件連接鋼筋極限抗拉強(qiáng)度與對(duì)比鋼筋極限抗拉強(qiáng)度，榫卯連接件連接鋼筋抗拉變形對(duì)比鋼筋抗拉變形；探索榫卯連接件的危險(xiǎn)截面與應(yīng)力集中點(diǎn)的位置，榫卯連接件對(duì)比直螺紋套筒連接件受力與變形情況[4]。

2.2 單向拉伸實(shí)驗(yàn)試件

2.2.1 試驗(yàn)試件材料及長(zhǎng)度

鋼筋種類：HRB400。

試件類型：A 型試件為鋼筋母材，長(zhǎng)600mm，直徑為20mm；B 型試件為HRB400 榫卯連接件連接鋼筋母材，長(zhǎng)718mm，每側(cè)長(zhǎng)359mm；C 型試件為HRB400 滾軋直螺紋套筒連接鋼筋母材，長(zhǎng)651mm，每側(cè)長(zhǎng)325.5mm。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)試件

（1）采用同樣規(guī)格、材料、工藝的鋼筋連接接頭，各種檢驗(yàn)試件均為3 個(gè)/套；其中A 型鋼筋母材試件3 個(gè)；連接鋼筋母材的B 型榫卯接頭試件（外徑31mm，壁厚5.5mm，長(zhǎng)度118mm）3 個(gè)；連接母材鋼筋的C 型一級(jí)滾軋直螺紋套筒試件（外徑31mm，壁厚5.5mm，長(zhǎng)度51mm）3 個(gè)。

（2）全部試件的鋼筋母材均應(yīng)該在同一根鋼筋上截取。

（3）同一操作人員按相同的接頭構(gòu)件連接方法進(jìn)行安裝。

2.3 單向拉伸實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1 試驗(yàn)的加載過程

試驗(yàn)項(xiàng)目如表1 所示。所有試件均按此加載。

表1 試驗(yàn)項(xiàng)目

2.3.2 試件性能檢驗(yàn)的儀表布置和變形測(cè)量標(biāo)距

（1）單向拉伸的變形測(cè)量?jī)x表應(yīng)在鋼筋兩側(cè)對(duì)稱布置，兩側(cè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)偏差不宜大于5mm，且兩側(cè)儀表應(yīng)能獨(dú)立讀取各自變形值。應(yīng)取鋼筋兩側(cè)儀表讀數(shù)的平均值計(jì)算殘余變形值。

（2）變形測(cè)量標(biāo)距。單向拉伸殘余變形測(cè)量應(yīng)按式（1）計(jì)算：

式中：L1——變形測(cè)量標(biāo)距，mm；L——連接接頭長(zhǎng)度，mm，本試驗(yàn)L=48mm；β——系數(shù)，取1~6，本試驗(yàn)β 取5；d——鋼筋公稱直徑，mm，本實(shí)驗(yàn)d 為20mm；本試驗(yàn)的L1=L+βd=148mm。

2.3.3 性能檢驗(yàn)試件最大力下總伸長(zhǎng)率As 的測(cè)量方法

（1）試件加載前，應(yīng)在其接頭兩側(cè)的鋼筋表面分別用細(xì)劃線A、B 和C、D 標(biāo)出測(cè)量標(biāo)距為L(zhǎng)01的標(biāo)記線，L01不應(yīng)<100mm，標(biāo)距長(zhǎng)度應(yīng)用最小刻度值≤0.1mm 的量具測(cè)量。本次試驗(yàn)L=48mm，L01取100mm，接頭兩端至B、C 點(diǎn)的距離均取40mm，A、D 點(diǎn)至夾持區(qū)的距離均取40mm。最大力下總伸長(zhǎng)率As 的測(cè)點(diǎn)布置如圖3 所示。

圖3 最大力下總伸長(zhǎng)率As 的測(cè)點(diǎn)布置

（2）試件應(yīng)按單向拉伸加載方式加載并拉斷，再次測(cè)量A、B 和C、D 間標(biāo)距長(zhǎng)度為L(zhǎng)02最大力下總伸長(zhǎng)率Asgt應(yīng)按式（2）計(jì)算。

式中：fmst——試件實(shí)測(cè)極限抗拉強(qiáng)度；E——鋼筋理論彈性模量；L01——加載前A、B 或C、D 間的實(shí)測(cè)長(zhǎng)度；L02——卸載后A、B 或C、D 間的實(shí)測(cè)長(zhǎng)度。

應(yīng)用式（2）計(jì)算時(shí)，當(dāng)試件頸縮發(fā)生在接頭一側(cè)的鋼筋母材時(shí)，L01和L02應(yīng)取另一側(cè)標(biāo)記間加載前和卸載后的長(zhǎng)度。當(dāng)破壞發(fā)生在接頭長(zhǎng)度范圍內(nèi)時(shí)，L01和L02應(yīng)取接頭兩側(cè)各自讀數(shù)的平均值。

2.4 實(shí)驗(yàn)前理論預(yù)測(cè)結(jié)果

在單向拉伸實(shí)驗(yàn)中，同一根鋼筋母材與榫卯連接件材料均為HRB400，其實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度值、極限強(qiáng)度值、拉伸率與最大力拉伸長(zhǎng)率均符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。鋼筋母材截面面積為314mm2；榫卯連接件中的d-d 截面為單向拉伸試驗(yàn)受壓截面，截面面積為346mm2；軋直螺紋套筒連接件中環(huán)截面為單向拉伸試驗(yàn)受壓截面，截面面積為441mm2。

抗拉結(jié)果預(yù)測(cè)：對(duì)比截面面積，按單向壓軸考慮榫卯連接件d-d 截面強(qiáng)度/鋼筋母材截面強(qiáng)度=1.1，因此預(yù)測(cè)單向拉伸試驗(yàn)將以鋼筋拉斷結(jié)束，d-d 截面不會(huì)受壓破壞；按單軸抗拉考慮，軋直螺紋套筒連接件環(huán)截面/鋼筋母材截面強(qiáng)度=1.4，因此預(yù)測(cè)單向拉伸試驗(yàn)將以鋼筋拉斷告終，套筒截面不會(huì)受拉破壞。

2.5 實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

此次實(shí)驗(yàn)由廣東省建工設(shè)計(jì)院有限公司于2023 年6月1 日送檢廣東穗科建設(shè)工程檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司于2023 年6 月16 日受檢，對(duì)A 型試件、B 型試件和C 型試件進(jìn)行單向拉伸實(shí)驗(yàn)各3 次：A 型試件的屈服強(qiáng)度合格標(biāo)準(zhǔn)為400MPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別為450MPa、435MPa 和440MPa；抗拉強(qiáng)度合格標(biāo)準(zhǔn)為540MPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別為625MPa、615MPa、620MPa；B 型試件抗拉強(qiáng)度合格標(biāo)準(zhǔn)為540MPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別為620MPa、610MPa、615MPa；C 型試件抗拉強(qiáng)度合格標(biāo)準(zhǔn)為540MPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別為625MPa、615MPa、610MPa；A、B 和C 型各3 次實(shí)驗(yàn)均以鋼筋拉斷告終。實(shí)驗(yàn)評(píng)定為：所檢項(xiàng)目均符合《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》（JGJ 107—2016）標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)分析

3.1.1 A 型實(shí)驗(yàn)試件

0→0.6fyk→0（檢測(cè)殘余應(yīng)變）階段，屬于彈性階段，此階段中伸長(zhǎng)量與加載荷載之間成正比，滿足胡克定律，卸載后試樣恢復(fù)其原長(zhǎng)，其中變形拉伸完全屬于彈性狀態(tài)。

0（檢測(cè)殘余應(yīng)變）→最大拉力（記錄極限抗拉強(qiáng)度）→破壞（測(cè)定最大力下總伸長(zhǎng)率）階段，試樣從彈性階段進(jìn)入屈服階段再到強(qiáng)化階段，由彈性變形進(jìn)入塑型變形，其變形量遠(yuǎn)大于彈性變形，在強(qiáng)化階段中可明顯觀察到試件縱向拉長(zhǎng)，橫向縮小。繼續(xù)以最大拉力繼續(xù)加載拉伸實(shí)驗(yàn)，試件伸長(zhǎng)到一定程度后，試件某一段發(fā)生頸縮現(xiàn)象橫截面積急劇縮小，荷載讀數(shù)降低，直至試件拉斷。

3.1.2 B 型實(shí)驗(yàn)試件

0→0.6fyk→0（檢測(cè)殘余應(yīng)變）階段，榫卯連接件與鋼筋母材都屬于彈性階段，鋼筋母材與榫卯連接件同時(shí)變形拉伸，鋼筋母材變形拉伸比榫卯連接件變形拉伸較長(zhǎng)，且兩者變形伸長(zhǎng)量與加載荷載之間成正比，滿足胡克定律，卸載后兩者都可以恢復(fù)其原長(zhǎng)，其中兩者變形拉伸都完全屬于彈性狀態(tài)。

0（檢測(cè)殘余應(yīng)變）→最大拉力（記錄極限抗拉強(qiáng)度）→破壞（測(cè)定最大力下總伸長(zhǎng)率）階段，榫卯連接件與鋼筋母材從彈性階段進(jìn)入屈服階段再到強(qiáng)化階段，由彈性變形進(jìn)入塑型變形，鋼筋母材變形拉伸量比榫卯連接件大，在強(qiáng)化階段中可明顯觀察到榫卯連接件與鋼筋母材縱向拉長(zhǎng)，橫向縮小。繼續(xù)以最大拉力繼續(xù)加載拉伸實(shí)驗(yàn)，榫卯連接件與鋼筋母材伸長(zhǎng)到一定程度后，鋼筋母材先某一段發(fā)生頸縮現(xiàn)象橫截面積急劇縮小，荷載讀數(shù)降低，在鋼筋母材發(fā)生頸縮現(xiàn)象后榫卯連接件也發(fā)生頸縮現(xiàn)象，榫卯連接件拉伸變形速率開始降緩，直至鋼筋母材拉斷，榫卯連接件停止形變，沒有發(fā)生斷裂或破壞。

3.1.3 C 型實(shí)驗(yàn)試件

0→0.6fyk→0（檢測(cè)殘余應(yīng)變）階段，套筒連接件與鋼筋母材都屬于彈性階段，鋼筋母材與套筒連接件同時(shí)變形拉伸，鋼筋母材變形拉伸比套筒連接件變形拉伸較長(zhǎng)，且兩者變形伸長(zhǎng)量與加載荷載之間成正比，滿足胡克定律，卸載后兩者都可以恢復(fù)其原長(zhǎng)，其中兩者變形拉伸都完全屬于彈性狀態(tài)。

0（檢測(cè)殘余應(yīng)變）→最大拉力（記錄極限抗拉強(qiáng)度）→破壞（測(cè)定最大力下總伸長(zhǎng)率）階段，套筒連接件與鋼筋母材從彈性階段進(jìn)入屈服階段再到強(qiáng)化階段，由彈性變形進(jìn)入塑型變形，鋼筋母材變形拉伸量比榫卯連接件大，在強(qiáng)化階段中可明顯觀察到套筒連接件與鋼筋母材縱向拉長(zhǎng)，橫向縮小。繼續(xù)以最大拉力繼續(xù)加載拉伸實(shí)驗(yàn)，套筒連接件與鋼筋母材伸長(zhǎng)到一定程度后，鋼筋母材先某一段發(fā)生頸縮現(xiàn)象橫截面積急劇縮小，荷載讀數(shù)降低，在鋼筋母材發(fā)生頸縮現(xiàn)象后套筒連接件也發(fā)生頸縮現(xiàn)象，套筒連接件拉伸變形速率開始降緩，直至鋼筋母材拉斷，套筒連接件停止形變，沒有發(fā)生斷裂或破壞[5]。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)以HRB400 直徑為20mm 的鋼筋標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)做對(duì)比，通過鋼筋自身、傳統(tǒng)的螺紋套筒與新型榫卯連接件做了一次對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)比螺紋套筒得證出榫卯連接件在強(qiáng)度和拉伸變形兩方面，強(qiáng)度略低、拉伸形變略小；對(duì)比鋼筋得證出榫卯連接件在強(qiáng)度和拉伸變形兩方面，強(qiáng)度略低、拉伸形變略小，至鋼筋完全被拉斷后榫卯連接件仍未破壞，強(qiáng)度符合要求。同時(shí)榫卯連接這種新型的機(jī)械連接方式在單向拉伸實(shí)驗(yàn)中如本次實(shí)驗(yàn)前預(yù)測(cè)結(jié)果。本次研究的新型鋼筋連接技術(shù)可靠、安全。

4 結(jié)語

本次研究的新型鋼筋連接方式，具有創(chuàng)新與改良性。創(chuàng)新性用傳統(tǒng)的榫卯技術(shù)改良現(xiàn)有的機(jī)械連接方式，減少不必要綁扎搭接的搭接長(zhǎng)度從而降低用鋼量創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益、不需要焊接節(jié)約能源減少有害氣體產(chǎn)生做到節(jié)能環(huán)保，不受鋼筋成分及種類影響。而且還可以工廠化生產(chǎn)，提前預(yù)制，不占用工期，全天候施工。操作便利、快捷，施工速度快，可大大縮短工。在實(shí)際施工可行性高，可節(jié)省成本以達(dá)到創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，又對(duì)環(huán)境做到節(jié)能環(huán)保，實(shí)用性與可推行性較高。