預(yù)制混凝土構(gòu)件鋼筋約束漿錨連接技術(shù)發(fā)展展望

吳 濤，劉全威，張 磊，白國良，徐亞洲

（ 1. 長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061；2. 西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710055 ）

和現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相比，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)可以大量節(jié)約資源，提高生產(chǎn)效率，提升建筑品質(zhì)，促進技術(shù)、材料和工藝創(chuàng)新，帶動設(shè)計、建材、裝飾等關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，是建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的必然途徑和發(fā)展方向[1-3]．

預(yù)制構(gòu)件的連接節(jié)點是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，成熟可靠的節(jié)點連接技術(shù)是保證裝配式結(jié)構(gòu)整體性、安全性的關(guān)鍵[4]．和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比，預(yù)制結(jié)構(gòu)鋼筋連接部位較小，其鋼筋錨固在構(gòu)件中，不能靈活調(diào)整，傳統(tǒng)的鋼筋綁扎搭接、焊接連接和機械連接受限于施工空間和精度的問題，難以在預(yù)制構(gòu)件中應(yīng)用．

國外預(yù)制構(gòu)件的鋼筋普遍采用套筒灌漿連接，我國近年來基于國內(nèi)裝配式結(jié)構(gòu)體系的特點開發(fā)了約束漿錨連接技術(shù)，該技術(shù)是將兩連接鋼筋拉開一定距離后進行灌漿錨固從而實現(xiàn)鋼筋可靠連接的方式[5-6]．約束漿錨連接技術(shù)施工工藝簡單，成本低廉，已成為預(yù)制剪力墻等構(gòu)件鋼筋縱向連接的主要方式之一．

1 約束漿錨連接機理及技術(shù)要點

1.1 約束漿錨連接機理

搭接鋼筋之間能夠傳力是由于鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)錨固作用．兩根相向受力的鋼筋分別錨固在搭接區(qū)段的混凝土中而將力傳遞給混凝土，從而實現(xiàn)鋼筋之間應(yīng)力的傳遞[7]．

約束漿錨連接的理論基礎(chǔ)為鋼筋的非接觸搭接，又在鋼筋搭接區(qū)段配置了橫向約束．其傳力路徑為：構(gòu)件受力時，拉力先通過剪力傳遞到灌漿料中，再傳遞到灌漿料和周圍混凝土之間的界面中去．其連接機理(如圖1)是：當錨固鋼筋受拉時，隨著拉力增大，縱向鋼筋表面的應(yīng)力增大直到出現(xiàn)應(yīng)力峰值，同時應(yīng)力最大處應(yīng)變達到最大，拉力增大到一定階段高應(yīng)力區(qū)鋼筋會出現(xiàn)徑向縮變，峰值區(qū)鋼筋與灌漿料間的摩阻力和膠結(jié)力降低，鋼筋產(chǎn)生局部滑移．此后，鋼筋錨固的握裹力峰值區(qū)向縱向延伸，鋼筋拉力仍可繼續(xù)增長．

約束漿錨連接的抗拉能力主要是由以下幾點決定[8]：鋼筋的拉拔破壞；灌漿料的拉拔破壞；周圍混凝土的劈裂破壞．因此，須保證鋼筋有足夠的錨固長度和有效的橫向約束來提高約束漿錨連接性能．

圖1 約束漿錨連接機理Fig.1 Mechanism of constraint grout-filled lap connection

1.2 約束漿錨連接技術(shù)要點

1.2.1 灌漿料

用于鋼筋約束漿錨連接的灌漿料[9]要滿足高強、早強和微膨脹性的要求，具有良好的力學(xué)性能和一定的變形能力，使其能與被連接鋼筋很好地共同工作，同時還要滿足裝配式結(jié)構(gòu)快速施工的要求．

1.2.2 成孔工藝

成孔工藝是約束漿錨連接的技術(shù)核心，優(yōu)良的成孔工藝不僅要保證約束漿錨連接的可靠性，還要能節(jié)省灌漿料和鋼材，并能降低施工精度和難度．約束漿錨連接成孔要做到內(nèi)壁粗糙，連接界面安全可靠，且能滿足快速施工的要求．

1.2.3 搭接長度

連接鋼筋要有足夠的搭接長度以充分利用鋼筋強度，使鋼筋達到極限強度被拉斷之前，不發(fā)生錨固破壞．鋼筋搭接長度的長短能充分說明約束漿錨連接技術(shù)的優(yōu)劣．在保證連接安全可靠的前提下，如何縮短鋼筋搭接長度是約束漿錨連接技術(shù)的改進和發(fā)展方向．

1.2.4 孔徑大小

約束漿錨連接所成孔孔徑大小，對灌漿料用量、施工精度和難度影響較大，其對鋼筋搭接長度和構(gòu)件承載能力也會產(chǎn)生一定的影響．孔徑大小對約束漿錨連接性能影響的研究目前尚屬空白．確定約束漿錨連接的最佳孔徑能夠進一步降低其成本，達到最優(yōu)的綜合經(jīng)濟效益．

2 我國常見體系的約束漿錨連接方式

2.1 插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋搭接連接

2008年哈爾濱工業(yè)大學(xué)與黑龍江宇輝集團合作，研發(fā)了插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋搭接連接技術(shù)[10]，其連接構(gòu)造如圖2．上部預(yù)制構(gòu)件預(yù)埋鋼筋旁邊預(yù)留有內(nèi)壁粗糙的孔洞，孔洞上下部分別預(yù)留有排氣孔和灌漿孔，孔洞外圍配有螺旋箍筋．施工時，只需將下部構(gòu)件鋼筋插入預(yù)留孔洞中進行壓力灌漿即可實現(xiàn)鋼筋的連接．

哈爾濱工業(yè)大學(xué)課題組對插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋搭接連接技術(shù)的錨固和搭接性能、鋼筋搭接長度影響因素、剪力墻抗震性能等問題進行了大量的試驗研究和理論分析．

圖2 插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋搭接連接Fig.2 Bar connection of plug-type preformed grout hole reinforcement

姜洪斌[11-12]采用單向拉伸的加載方式，對該技術(shù)進行了81個試件的鋼筋錨固試驗及108個試件的鋼筋搭接試驗，證明了該連接方式具有良好的錨固和搭接性能．并建議插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋搭接連接的搭接長度減短為錨固長度．趙培[13]完成了123個搭接試件的單向拉伸和高應(yīng)力反復(fù)拉壓試驗．研究表明，配置螺旋箍筋可以有效降低鋼筋搭接長度，并建立了螺旋箍筋體積配箍率對鋼筋搭接長度的影響規(guī)律．邰曉峰[14]通過3片應(yīng)用該技術(shù)的預(yù)制剪力墻試件和3片現(xiàn)澆剪力墻試件進行了低周反復(fù)荷載試驗．研究表明：采用插入式預(yù)留孔灌漿搭接連接的預(yù)制剪力墻與現(xiàn)澆剪力墻相比，有相當?shù)目拐鹦阅埽畻钣耓15]對采用該技術(shù)的剪力墻連接界面抗剪問題進行了深入研究，得出了類似的結(jié)論．

清華大學(xué)錢稼茹[16]等對4個豎向鋼筋采用該連接的預(yù)制剪力墻試件進行了擬靜力試驗，得出結(jié)論：預(yù)制剪力墻邊緣構(gòu)件的豎向鋼筋采用留洞漿錨間接搭接連接能有效傳遞鋼筋應(yīng)力；可采用規(guī)范計算豎向鋼筋采用留洞漿錨間接搭接的預(yù)制墻的受壓承載力．

哈爾濱工業(yè)大學(xué)主持制定了黑龍江省《預(yù)制裝配整體式房屋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[17](DB23T 1400-2010)，將插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋搭接連接技術(shù)寫入了該規(guī)范．黑龍江宇輝集團已將該技術(shù)應(yīng)用于哈爾濱洛克小鎮(zhèn)小區(qū)14#樓等工程中．

2.2 NPC漿錨插筋連接

2007年，中南控股集團有限公司與澳大利亞康諾克公司合作，引進了全預(yù)制裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)體系(NPC體系)．NPC漿錨插筋連接[18]（如圖3），在上部構(gòu)件中預(yù)埋金屬波紋管，施工時，將下部構(gòu)件鋼筋插入波紋管中，再將高強無收縮灌漿料注入波紋管中養(yǎng)護至規(guī)定時間，即完成鋼筋的連接．

圖3 NPC外墻豎向連接Fig.3 External wall vertical connection in NPC

中南控股集團有限公司與東南大學(xué)合作，對NPC漿錨插筋連接技術(shù)的界面性能、節(jié)點和構(gòu)件抗震性能等問題進行了大量的理論和試驗研究．

陳云鋼[19]等以混凝土強度、鋼筋直徑和錨固長度等為變參數(shù)，通過了162個波紋管漿錨試件的拉拔試驗．試驗中，所有試件均發(fā)生鋼筋拉斷破壞，證明了波紋管界面連接可靠．陳耀剛[20]等用足尺模型對NPC連接T形外墻、梁、板節(jié)點；內(nèi)墻、板節(jié)點；外周剪力墻間填充墻節(jié)點進行了低周反復(fù)荷載試驗．系列試驗結(jié)果表明：NPC結(jié)構(gòu)體系的抗震耗能能力和承載能力與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)體系相當，可滿足工程需要．朱張峰[21]等對2個預(yù)制和1個現(xiàn)澆的1/2比例三層平面剪力墻模型進行了低周反復(fù)荷載試驗，結(jié)果表明：NPC模型具有與現(xiàn)澆模型相近的承載能力、位移延性及耗能能力，具有相當?shù)目拐鹦阅埽?/p>

東南大學(xué)主編了江蘇省《預(yù)制裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)體系技術(shù)規(guī)程》[22](DGJ32/TJ125-2010)，將NPC漿錨插筋連接技術(shù)寫入了該規(guī)程，NPC漿錨插筋連接技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于江蘇海門中南世紀城33號樓等工程中．

2.3 兩種約束漿錨連接方式對比

2.3.1 連接構(gòu)造對比[23]

從構(gòu)造上看，兩種約束漿錨連接都是通過非接觸搭接的方式將兩構(gòu)件的鋼筋連接在一起，都具有預(yù)留孔洞．其不同之處在于：(1) 約束配置．插入式預(yù)留孔灌漿搭接在鋼筋搭接區(qū)段外圍配置有螺旋箍筋加強，而NPC漿錨插筋連接沒有配置橫向約束；(2) 接縫構(gòu)造不同．NPC漿錨插筋連接外墻豎向接縫采用了外低內(nèi)高的企口構(gòu)造，具有防水功能．而插入式預(yù)留孔灌漿搭接只需在接縫處澆筑20mm的水平座漿層；(3) 成孔工藝不同．插入式預(yù)留孔灌漿搭接采用抽芯方式成孔，而NPC漿錨插筋連接采用埋置金屬波紋管成孔．

2.3.2 連接性能對比

插入式預(yù)留孔灌漿搭接在鋼筋搭接區(qū)段配置有螺旋箍筋，可以有效約束搭接鋼筋間的橫肋斜向擠壓錐楔作用造成的縱向劈裂裂縫的發(fā)展，能有效降低鋼筋搭接長度．而NPC漿錨插筋連接沒有配置相應(yīng)的橫向約束，導(dǎo)致其鋼筋搭接長度與前兩者相比增加很多，不僅會浪費鋼材和灌漿料，還會造成施工難度的增加．

從試驗資料來看，此兩種約束漿錨連接方式在滿足各自鋼筋搭接長度要求的前提下，其相應(yīng)的預(yù)制構(gòu)件均能達到與現(xiàn)澆構(gòu)件相同或相近的承載能力和抗震性能，符合我國《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[24](JGJ 1-2014)的設(shè)計理念．

表1 約束漿錨連接相關(guān)規(guī)范Tab.1 Relevant code of constraint grout-filled lap connection

3 約束漿錨連接相關(guān)規(guī)范分析

近幾年，隨著國家大力推行裝配整體式結(jié)構(gòu)的相關(guān)政策相繼出臺，各省各地區(qū)紛紛響應(yīng)，分別編制了本省市的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)程．截至目前，全國一共制定了17本裝配式混凝土結(jié)構(gòu)方面的規(guī)范．這些規(guī)范大部分都納入了約束漿錨連接技術(shù)，但只有少數(shù)省份對約束漿錨連接的設(shè)計方法和主要技術(shù)要點進行了詳細規(guī)定．表1給出了較有代表性的幾個省份的相關(guān)規(guī)定．

從表中可以看出，只有江蘇省采用了NPC漿錨插筋連接技術(shù)，江蘇省依賴于NPC技術(shù)已形成了獨立完備的裝配體系．而其他省份大多推薦采用插入式預(yù)留孔灌漿連接技術(shù)，且圍繞約束漿錨連接的幾個技術(shù)要點進行了相關(guān)規(guī)定．各省對鋼筋搭接長度的規(guī)定與現(xiàn)有研究資料相比較為保守，對螺旋箍筋直徑、間距和環(huán)徑等參數(shù)的規(guī)定差異較大，各省都沒有對約束漿錨連接的預(yù)留孔徑做出規(guī)定．總的來看，各省規(guī)范對約束漿錨連接技術(shù)的規(guī)定條文殘缺，且差異較大．

4 約束漿錨連接技術(shù)目前存在的問題

約束漿錨連接技術(shù)安全可靠、成本低廉，在我國已取得較快的應(yīng)用和發(fā)展，但該技術(shù)目前還存在著一些缺點和不足，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 承載能力較低,應(yīng)用范圍狹窄

約束漿錨連接由于荷載偏心傳遞，節(jié)點受力狀況復(fù)雜，導(dǎo)致其承載能力較低，難以在大直徑鋼筋連接中應(yīng)用，無法滿足高層預(yù)制結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接的需要，一般應(yīng)用約束漿錨連接技術(shù)的連接鋼筋直徑不宜大于25 mm．且約束漿錨連接技術(shù)目前只能應(yīng)用于剪力墻縱向鋼筋的連接，不能應(yīng)用于預(yù)制柱等構(gòu)件中．

(2) 鋼筋搭接長度過長

約束漿錨連接需要連接鋼筋具有足夠的搭接長度才能保證構(gòu)件連接的安全性．插入式預(yù)留孔灌漿搭接連接鋼筋搭接長度約400～600 mm，NPC漿錨插筋連接鋼筋搭接長度約600～1 000 mm．由此導(dǎo)致鋼筋和灌漿料用量較大，還會增大運輸、施工吊裝難度，延緩施工進度．

(3) 應(yīng)用受到構(gòu)件截面尺寸限制

插入式預(yù)留孔灌漿連接的兩連接鋼筋需在螺旋箍筋內(nèi)部完成搭接連接，由此導(dǎo)致其外圍的螺旋箍筋環(huán)外徑較大，這在斷面尺寸較小尤其是需要雙排連接的剪力墻等構(gòu)件中將會受到很大限制[31]．

5 結(jié)論與展望

(1) 約束漿錨連接構(gòu)造簡單、性能可靠、施工簡便、成本低廉，其應(yīng)用于預(yù)制剪力墻等構(gòu)件縱向鋼筋連接時，具有良好的經(jīng)濟效益，有廣闊的研究空間和發(fā)展前景．

(2) 各裝配式混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)程對約束漿錨連接技術(shù)的規(guī)定條文殘缺，且差異較大．建議加大對約束漿錨連接技術(shù)研發(fā)力度，盡快出臺約束漿錨連接技術(shù)專項規(guī)程，對其關(guān)鍵技術(shù)指標作出統(tǒng)一規(guī)定．

(3) 約束漿錨連接技術(shù)還存在著承載能力較低、鋼筋搭接長度過長、灌漿料消耗量大等問題，建議從鋼筋外形、灌漿料、成孔工藝和孔徑大小等方面進行技術(shù)改進，降低鋼筋搭接長度，以進一步降低其成本，達到最佳的綜合經(jīng)濟效益．

(4) 約束漿錨連接技術(shù)主要應(yīng)用于低烈度區(qū)，該技術(shù)在高烈度區(qū)的推廣應(yīng)用亟需理論和試驗資料支撐．建議加強約束漿錨連接技術(shù)在高烈度區(qū)應(yīng)用方面的研究．

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