薄壁鋼管與鋼筋間的搭接連接試驗研究

李兆杰，徐 帥，孟凡林，殷承諾

吉林建筑大學 土木工程學院,長春 130118

0 引言

目前,隨著裝配式建筑的大力推廣和使用,裝配式剪力墻結構及其對應的連接技術得到業內人士的廣泛關注.在裝配式剪力墻結構中,豎向鋼筋的受力及其連接對剪力墻的整體質量和性能起著決定作用,國內外學者在這方面也做了諸多研究.目前,主要采用的有套筒灌漿連接[1]、漿錨搭接連接[2]和機械連接[3]等.基于薄壁鋼管的裝配式混凝土剪力墻[4-5]改變于灌芯裝配式混凝土剪力墻[6]的制作工藝,在墻體的豎向連接方面,采用連接鋼筋實現上下層之間的搭接連接,連接方便快捷.但就目前而言,國內外關于本文所設計的鋼筋搭接連接方式并無相關的研究,為推廣基于薄壁鋼管的裝配式混凝土剪力墻的實際應用,對這種節點連接的試驗研究就很有必要.

1 試驗方案

1.1 試驗設計

本試驗所采用的的鋼筋搭接連接方式為錨固于薄壁鋼管內的灌芯混凝土中的鋼筋與薄壁鋼管的間接搭接連接.試驗共設計制作了3組試件,分別用SJ1，SJ2，SJ3表示,每組包括5個相同試件,SJ1組試件為對照組,SJ2，SJ3組試件為試驗組,試件的幾何尺寸和主要的試驗參數見表1,具體的搭接形式如圖1所示.

表1 鋼筋連接試件的幾何參數Table 1 Geometric parameters of steel bar connection specimens

(a) SJ1

(b) SJ2,SJ3

連接鋼筋使用HRB400級鋼筋,直徑為10 mm和14 mm兩種,鋼筋的搭接長度按照《混凝土結構設計規范》GB 50010-2010[7]中縱向受拉鋼筋末端采用彎鉤錨固措施時的錨固長度計算公式計算,即直徑10 mm鋼筋的搭接長度為210 mm,直徑14 mm鋼筋的搭接長度為294 mm.在制作試件時預留鋼筋并按照《金屬材料拉伸試驗第一部分:室溫試驗方法》G/T228.1-20106[8]的規定測得鋼筋的屈服強度,并計算出對應的屈服荷載:C10鋼筋的屈服荷載為69.5 kN,C14鋼筋的屈服荷載為146.5 kN.制作試件所采用的混凝土為C30;薄壁鋼管為Q235B,氬弧焊直縫焊接,鋼管壁厚為1.0 mm和2.0 mm兩種.

1.2 加載制度和量測內容

采用單軸拉伸試驗[9-10]對鋼筋搭接連接性能進行試驗研究,試驗裝置如圖2所示.

(a) SJ1,SJ2 (b)SJ3圖2 試驗裝置Fig.2 Test apparatus

試驗時將試件兩端外伸的2根鋼筋分別與直徑為20 mm的螺桿焊接,并通過轉換裝置與試驗機的夾頭連接.采用位移加載方式對搭接連接試件進行加載,位移控制速率設定為1 mm/min.試件上下端連接鋼筋的合力使用荷載傳感器測量,連接鋼筋的變形和滑移使用LVDT測定.試驗中,當發生下列情況之一時,視為發生連接破壞:

(1) 連接鋼筋與周圍混凝土之間發生滑移;

(2) 混凝土灌芯與薄壁鋼管或周圍混凝土之間發生滑移;

(3) 連接鋼筋屈服.

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

由試驗可知,SJ1組試件的破壞為連接鋼筋屈服,整個試驗過程中混凝土灌芯與周圍混凝土未發生滑移;SJ2和SJ3組試件在發生連接破壞時,都是混凝土灌芯和薄壁鋼管內壁之間發生滑移,并沒有連接鋼筋屈服或者連接鋼筋與周圍混凝土之間發生滑移的現象出現.試驗結果及連接破壞形式見表2.

表2 鋼筋搭接連接試驗結果Table 2 Test results of steel lap joint

2.2 試件破壞形態及荷載-變形曲線

2.2.1 SJ1組試件

SJ1組試件在發生破壞時連接鋼筋均屈服,試驗的整個過程并未出現連接鋼筋和混凝土灌芯與周圍混凝土之間的滑移.本組試件的荷載-位移曲線如圖3(a)所示,在加載初期,荷載-位移曲線呈線性,隨著荷載增大,連接鋼筋發生屈服,并在其周圍出現裂縫;之后繼續加載,裂縫的開展使得在連接鋼筋周圍逐漸形成楔形塊體,達到峰值荷載后曲線下降直至鋼筋被拉斷,試件的破壞形態見圖4(a).

2.2.2 SJ2組試件

根據試驗觀察,本組5個試件發生破壞時連接鋼筋均未達到屈服,試件的破壞形式均為混凝土灌芯與薄壁鋼管內壁之間的滑移破壞.其中,SJ2-3和SJ2-5試件的一端發生滑移,SJ2-1,SJ2-2和SJ2-4試件兩端先后滑移.各試件發生滑移之前,鋼筋的荷載-位移曲線呈線性,滑移發生后曲線產生突然下降,但荷載仍能夠穩定在一定值范圍,直至試驗終止,試件的荷載-位移曲線如圖3(b)所示.從試驗開始到結束,預制混凝土試件表面未見裂縫,試件破壞形態如圖4(b)所示.SJ1組試件的連接破壞荷載平均值為69.5 kN,SJ2組試件的連接破壞荷載平均值為32.2 kN,SJ1組和SJ2組試件的不同之處在于,SJ2組試件保留了空心孔成孔時的薄壁鋼管,在相同的搭接長度之下,光滑薄壁鋼管的存在使得試件的粘結性能降低.

(a) SJ1 (b) SJ2 (c) SJ3圖3 試件的荷載-平均位移曲線Fig.3 Typical load-average displacement curve of SJ1 group specimen

2.2.3 SJ3組試件

本組5個試件的破壞模式同SJ2組試件一樣,都是發生混凝土灌芯與薄壁鋼管內壁之間的滑移,破壞時連接鋼筋并未發生屈服,且試件的連接破壞荷載遠小于連接鋼筋的屈服荷載.對比SJ2和SJ3,SJ2組試件發生連接破壞的荷載平均值為32.2 kN,SJ3組試件發生連接破壞的荷載平均值為50.1 kN,說明增大試件的搭接長度有利于提高構件的粘結滑移性能.圖3(c)為SJ3組試件的荷載-平均位移曲線,圖4(c)為試件端部混凝土灌芯滑移和拔出情況.

(a) SJ1 (b) SJ2 (c) SJ3圖4 試件破壞形態Fig.4 Failure mode of specimen

2.3 試驗分析

由試驗可知,預留薄壁鋼管的SJ2和SJ3組試件的破壞形式均是混凝土灌芯與薄壁鋼管內壁之間的滑移,此種破壞形式主要是由于混凝土灌芯與薄壁鋼管內壁之間的粘結力不足所引起的.對比SJ2組試件和SJ1組試件,在相同的搭接長度下,混凝土灌芯與光滑薄壁鋼管內壁之間的粘結力遠低于混凝土灌芯與預制孔壁之間的粘結力,SJ2組試件的平均連接破壞荷載約為SJ1試件的平均連接破壞荷載的1/2.因此,在不增加搭接長度的條件下,需要采取措施提高鋼管內壁與混凝土灌芯之間的抗滑移性能,可使用帶有局部波紋的薄壁鋼管代替光滑薄壁鋼管.對比SJ2組試件和SJ3組試件,SJ2組試件的平均連接破壞荷載為32.2 kN,SJ3組試件的平均連接破壞荷載為50.1 kN,由兩組試件的試驗結果可知,可通過增大試件的搭接長度來提高混凝土灌芯與薄壁鋼管內壁之間的粘結力,使得混凝土灌芯與薄壁鋼管之間的滑移發生在連接鋼筋屈服之后,SJ2組試件和SJ3組試件實際所需的搭接長度見表3.

表3 實際所需的搭接長度Table 3 The actual length of the lap required

由表3可知,SJ2組試件和SJ3組試件實際所需的搭接長度分別為按照混凝土結構設計規范所設計的試驗組試件搭接長度的2.1倍和2.9倍,采用增大搭接長度的措施會提高鋼筋用量,浪費鋼材.因此,在之后的研究中,可以使用帶有局部波紋的鋼管代替光滑薄壁鋼管,從而改善混凝土灌芯與薄壁鋼管之間的抗滑移性能.

3 結論和建議

根據3組鋼筋搭接連接試件的拉伸試驗結果,得出如下結論:

(1) SJ1組試件的破壞為連接鋼筋屈服,SJ2和SJ3組試件的連接破壞形式均為混凝土灌芯與試件混凝土之間發生滑移,連接破壞發生在連接鋼筋屈服之前.試驗結果表明,SJ2組和SJ3組試件的連接性能不滿足設計規范要求.

(2) 本試驗設計的鋼筋搭接連接方式并不能充分發揮連接鋼筋的作用,在之后的研究中,可以使用帶有局部波紋的薄壁鋼管代替光滑薄壁鋼管,從而改善混凝土灌芯中鋼筋和薄壁鋼管間的搭接連接性能.