钢筋机械连接接头面积百分率对钢筋混凝土柱受力性能影响的试验研究

钢筋机械连接接头面积百分率对钢筋混凝土柱受力性能影响的试验研究

张海鸣

中国建筑第八工程局有限公司

摘要：我国《混凝土结构设计规范》对钢筋机械连接的接头率有严格的要求，而当采用机械化施工时，纵向受力钢筋的接头可能会在同一个截面，接头百分率将会超过规范要求，文章对钢筋机械连接接头面积百分率不同的共12个混凝土柱试件进行拟静力试验，研究有钢筋机械连接接头的混凝土柱在地震荷载作用下的受力性能。

关键词：建筑工业化；钢筋；机械连接；试验研究；抗震

1试验设计及制作

1.1试验设计

试验柱的截面尺寸为250mm×250mm，柱高1300mm。本次试验钢筋接头连接方式为机械连接，钢筋接头位置均在柱的底部，钢筋接头率取三种：50%、67%和100%。接头率为50%的试件下部受拉钢筋为两根，其中一根有接头。接头率为67%的试件下部受拉钢筋为三根，其中两根有接头。接头率为100%的试件下部受拉钢筋为三根，三根钢筋全部在柱的底部采用机械连接接头。钢筋均选用HRB400钢筋，纵筋直径选用三种即：C18、C22和C25。箍筋沿柱全高配C8@150。试件混凝土强度等级为C30。另外设计了一根无钢筋接头的试件，以便进行试验结果的对比分析。为了对柱施加水平荷载时固定柱，试件设置底梁。

1.2试件制作

试件在大学结构试验室制作，现场绑扎钢筋，支模板，浇注混凝土。在试件制作过程中同时预留钢筋试样及混凝土立方体试块。

2试验方法

2.1试验加载

试验时利用反力墙和液压伺服加载系统进行加载。

本次试验主要研究的是有钢筋接头的柱在地震荷载作用下的性能，即受往复荷载作用时的性能，因此对柱进行拟静力试验，试验时对试件施加双向往复荷载即推——拉往复荷载，主要考察机械接头在反复拉压荷载作用下的工作状态。对于柱内纵向受力钢筋，柱所受轴力越小，钢筋的应力幅越大，因此在试验时柱的轴压比取0，即仅施加水平荷载不施加竖向荷载。试验加载时首先用荷载控制，钢筋屈服后再用位移控制，荷载降至极限荷载的85%以下时，停止加载。

2.2试验数据采集及仪表布置

（1）裂缝的观测

试验时，每加一级荷载，暂停5分钟，然后观测裂缝，尤其要注意初始裂缝的出现。初始裂缝出现后，随着荷载的增大，新增裂缝逐渐增多，原有裂缝也不断发展延伸。在试件上画出每级荷载下裂缝的分布情况。

（2）钢筋应力（应变）监测

为了得到钢筋在每个加载阶段的应力，以便判断有接头钢筋的工作状态，在靠近接头位置处的钢筋上布置了应变片，应变片预埋在试件内，因此，在浇注混凝土前就在钢筋上粘贴应变片，并采用环氧树脂进行防潮处理。每级荷载下钢筋的应力通过数据采集器采集。

（3）试件侧移测试

在试件的支座及柱的顶部各布置一个百分表以便测试构件的侧移。

3试验结果及分析

3.1材料性能试验结果

预留试块立方体抗压强度平均值为36.6MPa。钢筋原材屈服强度、抗拉强度及钢筋接头的抗拉强度均符合规范要求。

根据试件试验结果，直径为18mm和25mm的钢筋接头试件破坏时均断于钢筋位置，直径为22mm的钢筋接头试件，有一根断于钢筋位置，另外两根均断于接头位置，且为钢筋从套筒内拔出，抗拉强度大于HRB400钢筋屈服强度标准值但小于极限强度标准值。

3.2试件的破坏形态

由试验结果得到，对于配置直径为18mm和25mm纵向钢筋的构件，无论是否有接头，也无论接头率是多少，构件的破坏过程和破坏形形式基本相同，当荷载达到20~25kN时，柱的底部加荷载一侧首先产生水平裂缝，两个侧面上则出现稍微倾斜的斜裂缝，随着荷载的增加裂缝不断发展，裂缝宽度不断加大，同时构件上产生新的裂缝，最终受压区混凝土被压碎构件发生破坏，构件达到最大承载力，此时位移增加但荷载降低。

在推力和拉力作用下两个方向产生的裂缝基本相同，另外受推力作用时，拉力产生的裂缝基本闭合，为了比较清楚地反映试件的破坏形态，在试件上仅画出了在受相同方向荷载（推力或拉力）作用下的裂缝分布图。

由试验结果知，机械连接未出现问题的试件，无论接头率为多少，其破坏形式与一般的无钢筋接头的钢筋混凝土构件完全相同。机械连接接头存在问题的试件，当荷载加到一定值时，钢筋被从套筒内拔出，裂缝迅速发展，裂缝宽度明显加大，产生了较宽的主裂缝，即使降低荷载，裂缝和变形都发展比较快。因此，对于钢筋混凝土构件的机械连接，控制接头的百分率不是主要的，关键是如何保证机械连接接头不出现问题，即对于不同钢筋品种，通过一定的措施保证其可靠度。

3.3试件滞回曲线

对于配置C18mm和C25纵向钢筋的构件，无论受拉钢筋是否有接头，也不论接头率是多少，试件的滞回曲线基本相同，构件开裂前变形较小，构件出现裂缝后，随着荷载的增加变形加快，受拉钢筋达到屈服强度后，构件变形增加较快，达到极限荷载后，荷载缓慢降低但侧移增加较大，说明构件具有一定的延性。对于配置C22纵向钢筋的构件，在钢筋接头未发生破坏前，滞回曲线同一般构件完全相同，当钢筋接头出现问题时，构件也就达到了最大承载力，此时，构件的承载力大幅度降低，变形迅速增加，其主要原因是，当钢筋从套筒拔出后钢筋已失去作用，受拉钢筋面积突然减小，构件的承载力也突然降低，构件的刚度也迅速减小。

3.4钢筋应变试验结果

由试验结果知，试件在开裂前钢筋应变比较小，试件开裂后钢筋应变明显增加，原因是试件开裂后混凝土承担的拉力卸给钢筋，钢筋的应力将产生突变。对受拉钢筋没有接头的试件或有接头但在荷载作用下接头未发生破坏的构件，最终钢筋达到屈服应变，钢筋屈服，由于应变较大，较多应变片破坏，无法测得实际应变。对于钢筋接头出现问题的试件，当听到“砰”的声音时，某根钢筋的应变突然减小，也说明该根钢筋出现问题，钢筋从套筒内拔出。原因是钢筋从套筒内拔出后，钢筋将不能再承担拉力，因此应变突然减小，而无接头的钢筋应变迅速增加，而且钢筋接头出现问题时钢筋还未达到屈服强度。

4结语

通过试验和理论分析得到以下主要结论：

（1）对于钢筋采用机械连接的构件，载荷作用下如连接接头不发生破坏，构件的破坏形式、受力特性、承载力和变形性能与无受拉钢筋接头的构件相同，且与钢筋的接头率无关。钢筋的接头率对结构的抗震性能没有影响。

（2）如构件在荷载作用下接头产生滑移发生破坏，构件的裂缝将会迅速发展，裂缝宽度明显加大，即使降低荷载，裂缝和变形都发展比较快，产生突然的“脆性”破坏，构件的承载力和延性都将明显降低。

（3）对于钢筋混凝土构件的机械连接，控制接头的百分率不是主要的，关键是如何保证机械连接接头不出现问题，即对于不同钢筋品种，通过一定的措施保证其可靠度。