8.8級(jí)拼接錨栓單向拉伸試驗(yàn)

楊 鷗，彭昭軍，劉艷芝，康黎靜

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

0 引 言

隨著裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)逐漸應(yīng)用在實(shí)際工程中，對裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件之間連接部位受力機(jī)理和設(shè)計(jì)方法的研究也逐漸引起研究者的關(guān)注[1-3]。目前國內(nèi)外鮮見有對預(yù)制裝配式鋼管混凝土柱腳關(guān)鍵連接部位力學(xué)性能和設(shè)計(jì)方法的研究。柱腳節(jié)點(diǎn)是決定建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力的主要因素，它將上部結(jié)構(gòu)的軸力、彎矩和剪力通過錨栓連接件傳遞到下部基礎(chǔ)，來保證上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)可靠連接。因此，柱腳節(jié)點(diǎn)錨栓錨固性能的安全、可靠關(guān)系到整個(gè)建筑的安全。本文研究了一種8.8級(jí)拼接錨栓，拼接錨栓由預(yù)埋錨栓、螺紋鋼套筒、連接錨栓組成，預(yù)埋錨栓預(yù)埋于基礎(chǔ)中并與螺紋套筒連接，螺紋套筒另一端表面與基礎(chǔ)表面平齊，連接螺栓與基礎(chǔ)表面端套筒連接，并通過六角頭螺母將柱腳固定于基礎(chǔ)上，通過給錨栓適當(dāng)?shù)穆裆罴捌渌麡?gòu)造措施，使得柱腳節(jié)點(diǎn)抗拔鍵破壞形成為拼接錨栓的連接螺桿斷裂，將斷裂的連接螺桿替換成完好無損的螺桿，以實(shí)現(xiàn)柱腳“可拆改”和“可修復(fù)”。

近年來國內(nèi)外對鋼筋機(jī)械螺紋連接進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。黃晟霖[4]對500 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋剝肋滾軋直螺紋連接進(jìn)行了試驗(yàn)研究，確定了適合不同直徑鋼筋的直螺紋連接套筒設(shè)計(jì)尺寸，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)連接長度能夠滿足螺紋不先于鋼筋破壞的要求時(shí)，增加連接長度并不能使連接強(qiáng)度有所提高，且套筒厚度的增大并不能提高連接強(qiáng)度；套筒的長度以滿足擰入的鋼筋絲扣頭螺紋個(gè)數(shù)不超過13個(gè)為宜；套筒外徑與鋼筋公稱直徑的比值控制在1.6左右為佳，不宜超過1.8。邢懷念等[5]采用英制460 MPa鋼筋，對剝肋滾軋和直接滾軋螺紋套筒接頭進(jìn)行了一系列靜載、動(dòng)載試驗(yàn)研究，結(jié)果表明:直螺紋接頭能達(dá)到等強(qiáng)連接，剝肋滾軋直螺紋接頭的變形性能優(yōu)越于直接滾軋直螺紋接頭；直螺紋接頭性能等級(jí)能達(dá)到《鋼筋機(jī)械連接通用技術(shù)規(guī)程》(JGJ 107—2003)[6]Ⅰ級(jí)接頭要求；在應(yīng)力比為0.2的疲勞荷載下，英制460 MPa鋼筋剝肋滾軋直螺紋接頭的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可取為207 MPa。王賀鄭等[7]對多種規(guī)格型號(hào)的滾軋直螺紋鋼筋接頭進(jìn)行了動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)，并找出了鋼筋接頭疲勞斷裂的原因和規(guī)律。安晶等[8]采用有限元軟件ANSYS對鋼筋剝肋滾軋直螺紋套筒連接方式下不同連接長度的鋼筋與套筒的應(yīng)力分布進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明鋼筋和套筒最佳連接長度為9～11絲扣螺紋。Ruangrassamee等[9]研發(fā)了一種可耗散較大能量的鋼筋直螺紋機(jī)械連接接頭，這種接頭的鋼筋并不是對頂連接，而是在兩被連接的鋼筋之間留有一段空隙，而且這種接頭與規(guī)范UBC1997[10]規(guī)定不同的是套筒強(qiáng)度比連接鋼筋強(qiáng)度低，在反復(fù)拉壓作用下達(dá)到能量耗散作用，研究者通過單向拉伸、單向壓縮及反復(fù)拉壓研究了不同的套筒壁厚及套筒中空間隙的長度對此類接頭連接性能的影響，結(jié)果表明:接頭的承載力由套筒壁厚控制，在單向壓縮試驗(yàn)中，相對于普通無連接鋼筋，連接件屈曲后承載力更高，接頭的能量耗散是普通無連接鋼筋的5倍；在單向拉伸試驗(yàn)中，隨著套筒中空間隙長度的增加，接頭能量耗散能力也增加，但普通無連接接頭鋼筋的延性大概是有連接接頭的5倍；在反復(fù)拉壓試驗(yàn)中，接頭的能量耗散能力隨套筒中空間隙長度的增加而增加。高中勤等[11]為了解決實(shí)際工程中錨栓偏差過大的問題，使用了鋼螺紋套筒接長錨栓的技術(shù)，錨栓與鋼螺紋套筒材質(zhì)為Q235或Q345，鋼螺紋套筒直徑根據(jù)抗拉強(qiáng)度等強(qiáng)原理計(jì)算確定，鋼螺紋套筒長度取螺帽厚度的2倍，實(shí)際工程中取螺帽厚度的3倍，然而這種取法并不一定安全，本文后面會(huì)加以說明。

上述研究表明，國內(nèi)外對鋼筋直螺紋機(jī)械連接接頭的研究已經(jīng)比較完備，對于鋼螺紋套筒接長Q235或Q345材質(zhì)的錨栓有一定的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，但對于8.8級(jí)螺栓機(jī)械連接接頭的研究尚未開展。本文對鋼螺紋套筒連接的2根8.8級(jí)螺桿所組成的拼接錨栓試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，以研究拼接錨栓的拉伸性能。為了實(shí)現(xiàn)柱腳節(jié)點(diǎn)“可拆改”和“可修復(fù)”的目的，使用8.8級(jí)高強(qiáng)螺桿作為柱腳錨栓相對于普通強(qiáng)度錨栓，可以減小錨栓直徑從而減小對柱腳基礎(chǔ)配筋的擾動(dòng)；另外使用螺紋套筒連接錨栓除了實(shí)現(xiàn)柱腳節(jié)點(diǎn)“可拆改”和“可修復(fù)”的目的，還可以解決可能因錨栓埋深太大或由于施工誤差導(dǎo)致的錨栓豎向位置不準(zhǔn)確而帶來的錨栓接長問題；地腳錨栓高位固定時(shí)，錨栓長度可能不夠，可以參考拼接錨栓的連接方式，接長地腳錨栓；拼接錨栓及改進(jìn)拼接錨栓還可以改善柱腳節(jié)點(diǎn)的延性，增強(qiáng)柱腳節(jié)點(diǎn)的抗震耗能性能，這在后續(xù)錨栓抗拔試驗(yàn)中已經(jīng)加以詳細(xì)說明。

1 試驗(yàn)試件

為了研究拼接錨栓拉伸性能，獲得錨栓在各種直徑下與鋼套管的連接長度，本試驗(yàn)選用8.8級(jí)發(fā)黑全螺紋高強(qiáng)度直螺桿，16 mm直徑的螺桿由35號(hào)鋼加工制作而成，其余直徑的螺桿由45號(hào)鋼加工制作而成，鋼螺紋套管采用40Cr材質(zhì)制作而成，強(qiáng)度達(dá)到10.9級(jí)螺栓強(qiáng)度。8.8級(jí)螺桿螺紋和鋼螺紋套筒螺紋均按《普通螺紋直徑與螺距系列》(GB/T 193—2003)[12]，《普通螺紋基本尺寸》(GB/T 196—2003)[13]，《普通螺紋公差》(GB/T197—2003)[14]加工，連接螺桿擰入套管深度即連接長度，最大連接長度參考JG/T 163—2013[15]附錄表A.1鋼筋機(jī)械連接用直螺紋套筒最小尺寸參數(shù)表,取直接滾軋直螺紋鋼筋連接用套筒長度的一半；套筒的下料長度由2倍的連接長度加5 mm確定，套筒外徑參考JG/T 163—2013[15]附錄表A.1中直接滾軋直螺紋鋼筋連接用套筒外徑，此套筒外徑與螺栓直徑比值為1.53左右，與黃晟霖[4]所提到的套筒外徑與鋼筋公稱直徑比值控制在1.6左右比較相符。設(shè)計(jì)10組30個(gè)拼接錨栓試件。各試件規(guī)格見表1。

表1 試件規(guī)格

材性試驗(yàn)在湘潭大學(xué)1 000 kN萬能試驗(yàn)機(jī)上完成，8.8級(jí)螺栓及鋼螺紋套筒力學(xué)性能測試值如表2所示。

表2 8.8級(jí)錨栓與鋼螺紋套筒力學(xué)性能測試值

2 試驗(yàn)加載裝置及方案

試驗(yàn)加載裝置采用湖南大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的500 kN萬能材料試驗(yàn)機(jī)，如圖1所示。按照規(guī)范GB/T 228.1—2010[16]中的規(guī)定和要求，本次拉拔試驗(yàn)通過位移控制加載速度，控制速度為5 mm·min-1,拉拔過程中的拉拔力、位移等數(shù)值可通過力傳感器直接在顯示器上讀取并保存。試驗(yàn)過程中采用量程為25 mm的中國臺(tái)灣EEE數(shù)顯千分表測量套筒段拼接錨栓接頭及螺桿在拉伸過程中的變形，如圖2所示，當(dāng)力加載到極限值過后出現(xiàn)下降段時(shí)，取下千分表數(shù)據(jù)采集線，以防止千分表數(shù)據(jù)采集接口被震壞，螺栓斷裂或螺栓從鋼螺紋套筒中拔出時(shí)停止加載。

圖1 試驗(yàn)裝置

圖2 千分表采集段示意圖

由于萬能材料試驗(yàn)機(jī)自帶夾具的夾持力太小，本試驗(yàn)采用自制夾具夾持試件，自制夾具通過上下各3個(gè)六角頭螺母錨住試件以達(dá)到夾持試件的作用，如圖1(b)所示。自制夾具由拉伸試驗(yàn)機(jī)自帶夾具進(jìn)行夾持，在夾持試件前先進(jìn)行自制夾具對中。對于拼接錨栓試件，本試驗(yàn)通過螺絲將上下延伸鋼板固定于距套筒兩端2.5倍直徑的上下兩螺桿上，對于螺桿拉伸試件，則是用螺絲將上下延伸鋼板以100 mm的距離固定于螺桿上。而后將千分表用橡皮泥及橡皮膏固定于上延伸鋼板上，橡皮泥起初始固定千分表作用，并在試件斷裂瞬間起緩沖作用以保護(hù)千分表。將千分表測頭與下延伸鋼板接觸，以測量距離套筒兩端2.5倍直徑處兩測點(diǎn)的相對位移，如圖2所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試件破壞模態(tài)

在預(yù)試驗(yàn)中，自制夾具上下各通過1個(gè)六角頭螺母錨栓16 mm直徑的8.8級(jí)螺桿，在加載過程中出現(xiàn)了六角頭螺母滑移，16 mm直徑的螺桿螺紋被磨平的現(xiàn)象，因此文獻(xiàn)[11]由單個(gè)六角頭螺母厚度確定鋼螺紋套筒長度不一定安全。

試驗(yàn)結(jié)果表明，拼接錨栓試件僅S16075的3個(gè)試件破壞模態(tài)為螺桿從鋼螺紋套筒中拔出，螺桿螺紋被磨平，套筒螺紋完好無損，如圖3(a)所示；其余試件均為螺桿拉斷破壞，且破壞截面均在套筒外，如圖3(b)所示。

圖3 試件破壞形態(tài)

3.2 螺紋應(yīng)力計(jì)算與相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

螺紋應(yīng)力計(jì)算參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》[17]，螺紋應(yīng)力分3個(gè)方面計(jì)算，分別為：螺紋擠壓應(yīng)力計(jì)算，螺桿螺紋剪切應(yīng)力計(jì)算，螺桿螺紋彎曲應(yīng)力計(jì)算。

(1)螺紋擠壓應(yīng)力計(jì)算

螺紋的主要參數(shù)如圖4所示，其中，大徑d為螺紋的公稱直徑，是與外螺紋牙頂(或內(nèi)螺紋牙底)相重合的假想圓柱體直徑。小徑d1常用于強(qiáng)度計(jì)算，是與外螺紋牙底(或內(nèi)螺紋牙頂)相重合的假想圓柱體直徑。d1與螺桿公稱直徑d、螺距P的關(guān)系為d1=d-1.082 5P。中徑d2常用于幾何計(jì)算，是一個(gè)假想圓柱體的直徑，該圓柱的母線上牙型溝槽和凸起寬度相等；螺距P為相鄰兩螺紋牙在中徑線上對應(yīng)點(diǎn)間的軸向距離，線數(shù)n為螺紋的螺旋線數(shù)目，導(dǎo)程S為沿螺紋上同一條螺旋線轉(zhuǎn)360°所移動(dòng)的軸向距離，S=nP；h為螺紋工作高度，h與螺距P的關(guān)系為h=0.541P；螺紋升角ψ為中徑d2圓柱上螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線平面的夾角，tan(ψ)=nP/(πd2)，牙型角α為在軸向截面內(nèi)，螺紋牙型兩側(cè)邊的夾角，牙側(cè)角β為在軸向截面內(nèi)，螺紋牙型一側(cè)邊與螺紋軸線的垂線之間的夾角。螺紋擠壓應(yīng)力按式(1)計(jì)算

圖4 螺紋主要參數(shù)示意圖

(1)

式中：σp為擠壓應(yīng)力；F為試件峰值荷載；z為實(shí)際工作的螺紋牙圈數(shù)，即螺桿擰入套筒的絲扣數(shù)。

(2)螺桿螺紋剪切應(yīng)力計(jì)算

(2)

式中：τ為螺桿螺紋剪切應(yīng)力；b為螺紋牙底寬度，b=0.75P。

(3)螺桿螺紋彎曲應(yīng)力計(jì)算

(3)

式中：σb為螺桿螺紋彎曲應(yīng)力。

各試件螺紋擠壓應(yīng)力按式(1)計(jì)算，螺桿螺紋剪切應(yīng)力按式(2)計(jì)算，螺桿螺紋彎曲應(yīng)力按式(3)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果及其他相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與螺紋應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

同一螺桿直徑不同連接長度試件的等效應(yīng)力-等效應(yīng)變曲線(σ-ε)如圖5所示。圖5中的等效應(yīng)力為試驗(yàn)機(jī)采集的力值與螺桿有效截面的比值，等效應(yīng)變?yōu)榍Х直硭鶞y相對位移與千分表數(shù)據(jù)采集段長度的比值。

圖5 同一直徑螺桿試件的等效應(yīng)力-等效應(yīng)變曲線

3.3 試件承載力與應(yīng)力分析

從表3及圖5可知，試件的等效峰值應(yīng)力均低于材性試驗(yàn)強(qiáng)度甚至低于800 MPa，這是拉伸試驗(yàn)過程中的偏拉及六角頭螺母與自制夾具間錨固缺陷所致，這在后續(xù)拼接錨栓抗拔試驗(yàn)中也觀察到了類似的現(xiàn)象。錨栓的錨固缺陷在實(shí)際工程中應(yīng)加以重視。實(shí)際工程中，柱腳節(jié)點(diǎn)抗拔鍵連接是通過錨栓與六角頭螺母將柱腳底板固定于混凝土基礎(chǔ)上，若柱腳底板太薄，在拉拔荷載作用下，柱腳底板產(chǎn)生比較大的彎曲變形，六角頭螺母發(fā)生傾斜，或者柱腳底板處錨栓孔洞太大，在拉拔荷載作用下六角頭螺母也會(huì)發(fā)生傾斜。這2種情況均會(huì)在六角頭螺母、錨栓、柱腳底板三者相接處產(chǎn)生其他方向的接觸應(yīng)力，導(dǎo)致錨固缺陷，降低了錨栓拉拔承載力。實(shí)際工程中柱腳底板厚度應(yīng)適當(dāng)加大，底板處錨栓孔洞不宜太大，為了避免施工誤差導(dǎo)致錨固缺陷的產(chǎn)生，錨栓抗拉承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)該進(jìn)行適當(dāng)折減。

從表3可知，S16075的3個(gè)試件峰值點(diǎn)等效應(yīng)力平均值已達(dá)到S16100與S16125的6個(gè)試件峰值點(diǎn)等效應(yīng)力平均值的94.4%。S16075的3個(gè)試件螺桿與鋼螺紋套筒的連接長度為12 mm,連接絲扣數(shù)為7,由S16075拉伸荷載峰值平均值分別除以螺桿與鋼螺紋連接套筒長度以及螺桿擰入鋼螺紋套筒絲扣數(shù)得到。單位連接長度承擔(dān)的荷載為9.98 kN,每一絲扣平均承擔(dān)的荷載為17.1 kN,螺桿直徑為16 mm的試件中最大峰值荷載為128.39 kN，128.39 kN/17.1 kN=7.51，這說明對于16 mm直徑的螺桿，當(dāng)它與鋼螺紋套筒連接的絲扣數(shù)為8，連接長度為14 mm時(shí)，足以保證拼接錨栓的破壞模式為套筒外螺桿被拉斷,而不是從套筒中拔出。

由表3可以看出，螺桿的承載力比同一直徑拼接錨栓試件略高，這可能是由于拼接錨栓在偏拉荷載作用下，鋼螺紋套筒對上下兩螺桿有一定的約束作用，使螺桿受力更復(fù)雜，增加其他方向的應(yīng)力使得拼接錨栓抗拉強(qiáng)度降低。

由表3可以看出，S20075，S24075，S27075三種試件的平均擠壓應(yīng)力、平均剪切應(yīng)力、平均彎曲應(yīng)力比S16075相應(yīng)極限強(qiáng)度還要大，但S20075，S24075，S27075并沒有發(fā)生螺桿從套筒中拔出破壞，這是因?yàn)?6 mm直徑的螺桿是由強(qiáng)度較低的35號(hào)鋼加工制作而成，而20，24，27 mm直徑的螺桿是由強(qiáng)度較高的45號(hào)鋼加工制作而成。S16075的3個(gè)試件16 mm直徑的螺桿與鋼螺紋套筒連接的平均擠壓極限強(qiáng)度σpmax、平均剪切極限強(qiáng)度τmax、平均彎曲極限強(qiáng)度σbmax分別為342.252，262.330，567.667 MPa，S16100的3個(gè)試件螺桿螺紋的3種計(jì)算應(yīng)力平均值分別為283.658，217.420，470.482 MPa，剩余17.12%的連接強(qiáng)度，S16125的3個(gè)試件螺桿螺紋的3種計(jì)算應(yīng)力平均值分別為229.185，175.667，380.132 MPa，剩余33.04%的連接強(qiáng)度，近乎為17.12%的2倍。表3中S27075-4試件為補(bǔ)做試件，螺桿采用的是用于后續(xù)拼接錨栓與混凝土黏結(jié)錨固性能試驗(yàn)的同一批螺桿，其螺桿應(yīng)力已達(dá)到1 000.6 MPa,遠(yuǎn)超過800 MPa,其螺桿螺紋的擠壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力、彎曲應(yīng)力分別為449.476，341.947，739.951 MPa，分別為16 mm直徑螺桿平均擠壓極限強(qiáng)度、平均剪切極限強(qiáng)度、平均彎曲極限強(qiáng)度的1.31倍、1.30倍、1.30倍，為S27075-1，S27075-2，S27075-3三個(gè)試件平均擠壓應(yīng)力、平均剪切應(yīng)力、平均彎曲應(yīng)力的1.27倍，且S27075-1，S27075-2，S27075-3三個(gè)試件并沒有發(fā)生螺紋破壞。這說明，對于27 mm直徑的螺桿，擰入套筒0.75倍的螺桿直徑，接頭在單向拉伸作用下具有很高的安全儲(chǔ)備。各直徑試件螺桿螺紋3種應(yīng)力分別隨螺桿與套筒同一直徑倍數(shù)連接長度變化如圖6所示，其中，l為連接長度。

圖6 不同直徑螺桿試件螺紋應(yīng)力隨連接長度變化

由圖6可以看出，平均擠壓應(yīng)力、平均剪切應(yīng)力、平均彎曲應(yīng)力隨各直徑螺桿與套筒連接長度變化的趨勢幾乎完全一致，而且同一直徑倍數(shù)連接長度下，各直徑螺桿螺紋的3種應(yīng)力大小很接近，尤其在連接長度為d，1.25d時(shí)，各直徑的3種應(yīng)力大小幾乎一致。雖然27 mm直徑的螺桿擰入套筒的絲扣數(shù)比16，20，24 mm直徑的螺桿擰入套筒的絲扣數(shù)多一絲扣，但只要27 mm直徑試件跟其他直徑試件連接長度一致，即連接長度都為螺桿直徑同樣的倍數(shù)，27 mm直徑螺桿3種應(yīng)力隨連接長度變化趨勢及3種應(yīng)力的大小與其他3種直徑試件沒任何明顯區(qū)別。拼接錨栓峰值點(diǎn)等效拉應(yīng)力差不多大小時(shí)，即使是在不同直徑不同連接絲扣數(shù)拼接錨栓破壞時(shí)，平均擠壓應(yīng)力、平均剪切應(yīng)力、平均彎曲應(yīng)力的大小在同一直徑倍數(shù)連接長度下也差不多，且螺桿拉應(yīng)力小的試件3種應(yīng)力也小。這說明拼接錨栓拉應(yīng)力相同時(shí)，拼接錨栓螺桿螺紋的平均擠壓應(yīng)力、平均剪切應(yīng)力、平均彎曲應(yīng)力只跟螺桿與套筒連接長度有關(guān)，與螺桿直徑及螺桿擰入鋼螺紋套筒絲扣數(shù)等無關(guān)。分析原因?yàn)椋河?jì)算3種應(yīng)力的幾個(gè)參數(shù)除了力以外其他參數(shù)都與螺桿公稱直徑及螺距有關(guān)，然而按照《普通螺紋基本尺寸》(GB/T 196—2003)[13]螺距并不是隨螺桿直徑的變化而變化，比如本試驗(yàn)所使用的16，20，24，27 mm直徑螺桿的螺距分別為2，2.5，3，3 mm，可見27 mm直徑的螺桿與24 mm直徑螺桿的螺距是一樣的，而螺桿與套筒連接長度0.75d，d，1.25d都隨直徑變化而變化，這也是27 mm直徑螺桿在與其他試件同一直徑倍數(shù)連接長度下擰入套筒的絲扣數(shù)卻不一樣的原因。

3.4 試件變形性能分析

由表3可知，所有試件接頭延伸率均低于材性試驗(yàn)中無套筒連接螺桿延伸率。由表3及圖5可以看出，除S16075的3個(gè)試件螺桿未達(dá)極限強(qiáng)度從而未來得及進(jìn)行充分的塑性變形就從套筒中拔出來了，導(dǎo)致S16075的3個(gè)試件的延伸率遠(yuǎn)低于同是16 mm直徑螺桿的另2種試件，對于其他同一螺桿直徑試件，螺桿與鋼螺紋套筒連接長度越大，千分表數(shù)據(jù)采集段的延伸率越小，即鋼螺紋套筒與螺桿連接接頭延性越小，這是由于螺桿與鋼螺紋套筒連接長度越小，同一拉伸力作用下螺桿與鋼螺紋套筒連接的每一絲扣所承受的拉伸力越大，到拉伸試驗(yàn)后期塑性變性也越大。其中S16100的3個(gè)試件平均延伸率比S16125的3個(gè)試件平均延伸率提高了46.7%，S20075的3個(gè)試件的平均延伸率比S20100的3個(gè)試件平均延伸率提高了26.7%，S20100的3個(gè)試件平均延伸率比S20125的3個(gè)試件平均延伸率提高了29.7%，S24075的3個(gè)試件平均延伸率比S24100的3個(gè)試件平均延伸率提高了33.5%,S24100的3個(gè)試件平均延伸率比S24125的3個(gè)試件平均延伸率提高了4.0%，S27075的3個(gè)試件平均延伸率比S27100的3個(gè)試件平均延伸率提高了9.7%，S27100的3個(gè)試件平均延伸率比S27125的3個(gè)試件平均延伸率提高了8.5%。各直徑平均延伸率隨連接長度變化如圖7所示。

圖7 不同直徑螺桿試件平均延伸率隨連接長度變化

由圖7可以看出：直徑為27 mm與直徑為20 mm的試件平均延伸率隨連接長度幾乎為線性變化，考慮到同一直徑試件千分表數(shù)據(jù)量測段螺桿長度均為2.5d，這說明螺桿與鋼螺紋套筒連接段的平均延伸率也是隨著連接長度線性變化，進(jìn)而可以推測螺桿與套筒連接的每一絲扣平均所承擔(dān)的力幾乎也隨連接長度線性變化；直徑24 mm的試件在連接長度為0.75d時(shí)比連接長度為d，1.25d兩種連接長度試件平均延伸率大了許多，分析原因?yàn)?4 mm直徑的試件在0.75d連接長度時(shí)螺紋塑性變形比其他2種直徑大得多，導(dǎo)致千分表數(shù)據(jù)兩量測段延伸率比其他2種試件大許多。

在加載前期，相對于螺桿試件，拼接錨栓在加載前期剛度有一定的退化(圖5)，這可能是由于拼接錨栓在加載前期中既有螺紋變形又有螺桿變形。加載初期拼接錨栓試件還有一定的滑移，而螺桿試件加載初期沒有滑移，這是由拼接錨栓螺桿與套筒螺紋間有初始間隙導(dǎo)致的。

綜合以上分析，每種直徑螺桿擰入鋼螺紋套筒d(16，20，24 mm直徑螺桿擰入套筒9個(gè)絲扣，27 mm直徑螺桿擰入套筒10個(gè)絲扣)的深度是偏于安全的，且接頭延性也比較好，螺桿擰入套筒9絲扣的長度與安晶等[8]提出的鋼筋和套筒最佳連接長度為9～11絲扣螺紋比較吻合。

4 結(jié)語

(1)螺栓與鋼螺紋套筒的單邊連接長度越小，鋼螺紋套筒與螺桿連接的單一絲扣所承擔(dān)的荷載越大，拉伸試驗(yàn)后期單一絲扣塑性變形越大，鋼螺紋套筒與螺桿連接接頭的變形能力越好。

(2)當(dāng)螺栓與鋼螺紋套筒的單邊連接長度為0.75d，即螺桿擰入套筒7絲扣時(shí)，除S16075的3個(gè)試件均從鋼螺紋套筒中拔出外，其余直徑的試件均是套筒外螺桿斷裂，且S16075的3個(gè)試件拉伸荷載峰值平均值已經(jīng)達(dá)到S16100，S16125的6個(gè)試件拉伸荷載峰值平均值的94.4%。

(3)計(jì)算了S16075每一絲扣的平均極限承載力，并由此計(jì)算得出，16 mm直徑的螺桿擰入鋼螺紋套筒8絲扣既能保證螺桿斷于套筒外而不是從套筒中拔出，且對于27 mm螺桿直徑的拼接錨栓，單邊連接長度為0.75d時(shí)，接頭在單向拉伸作用下有比較大的安全儲(chǔ)備。

(4)計(jì)算了各直徑試件在不同連接長度下螺桿螺紋的平均擠壓壓力、平均剪切應(yīng)力、平均彎曲應(yīng)力，分析了3種應(yīng)力隨螺桿與套筒連接長度的變化，發(fā)現(xiàn)在同一直徑倍數(shù)的連接長度下，不同直徑不同螺距的試件3種應(yīng)力大小相差很小，說明螺桿與鋼螺紋套筒連接長度范圍內(nèi)，3種應(yīng)力的大小只與同一直徑倍數(shù)的連接長度有關(guān)。

(5)為了實(shí)際工程中鋼螺紋套筒連接8.8級(jí)螺桿接頭有更多的安全儲(chǔ)備，建議每種直徑螺桿擰入鋼螺紋套筒d,即16，20,24 mm直徑的螺桿擰入套筒9絲扣，27 mm直徑的螺桿擰入套筒10絲扣，這樣既能保證螺栓不從鋼螺紋套筒中拔出，又能保證鋼螺紋套筒與螺桿連接接頭有比較好的延性。

(6)8.8級(jí)螺桿采用強(qiáng)度達(dá)到10.9級(jí)螺栓強(qiáng)度的鋼螺紋套筒連接時(shí)，套筒長度可按2d+5 mm計(jì)算，這樣的鋼螺紋套筒長度比JG/T 163—2013附錄表A.1鋼筋機(jī)械連接用直螺紋套筒最小尺寸參數(shù)表規(guī)定的套筒長度小。鋼螺紋套筒外徑可參考JG/T 163—2013附錄表A.1鋼筋機(jī)械連接用直螺紋套筒最小尺寸參數(shù)表規(guī)定的套筒外徑。

(7)螺桿抗拉強(qiáng)度比拼接錨栓試件略大；相比于螺桿剛度，拼接錨栓試件抗拉剛度略有退化。