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钢筋长短丝直螺纹机械连接接头承载力试验研究

2025-03-28 56 上传者：管理员

摘要：桩基钢筋笼采用直螺纹机械连接时，对于不能转动的连接钢筋，通常将一端钢筋直螺纹长度由30 mm加长至60 mm，连接套筒预先拧入加长的螺纹内，再反拧入另一根钢筋端头螺纹上。此连接工艺存在长丝端钢筋母材截面削弱，上、下钢筋连接接头无法顶紧等问题，从而削弱了连接接头的力学性能。由此，选用2种钢筋母材进行5组对比试验，研究以上各因素对连接接头承载力的削弱影响。试验结果表明：长短丝连接接头会削弱直螺纹接头的抗拉强度；长短丝连接接头端部未切平会削弱接头的抗拉强度，但影响不大；扭矩值为0对承载力削弱的影响更大；通过定制加长套筒，使长丝端螺纹与连接套筒有效连接长度由30 mm增加至40 mm，可有效提高机械连接接头的抗拉强度。

关键词：
加长套筒
桩基钢筋笼
直螺纹机械连接
连接接头
钢筋母材
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近年来,钢筋混凝土结构快速发展,随着建筑规模和结构跨度的增大,大直径钢筋的可靠连接被广泛关注[1-4]｡目前,常用的钢筋连接技术有绑扎搭接､焊接和机械连接3类[5-8],与传统的绑扎搭接和焊接相比,钢筋机械连接具有连接强度高､质量可靠､施工速度快､经济效益好等优点[9-10]｡在钢筋机械连接中,套筒挤压连接质量稳定可靠但施工成本较高[11-12],锥螺纹连接操作便捷但产品质量稳定性差[13-14],直螺纹连接因具有施工安全系数高､无污染､节省材料等特点,在工程中被广泛使用[15-16]｡

对于不能转动的连接钢筋,为方便施工,通常先将连接钢筋端头的螺纹加长,将锁定螺母和连接套筒预先拧入加长的螺纹内,再反拧入另一根钢筋端头的螺纹上,最后用锁定螺母锁定连接套筒[17]｡此连接工艺存在长丝端钢筋母材截面削弱,连接钢筋接头无法顶紧等诸多问题,从而削弱了连接接头的力学性能｡鉴于此,以某钻孔灌注桩钢筋笼接长为例,展开钢筋直螺纹机械连接接头力学性能试验｡

1、工程概况

某工程采用钻孔灌注桩,桩长61.5m,主筋采用⌀25mm的HRB400级钢筋,钢筋连接采用直螺纹机械连接｡根据相关产品及技术规范规定,选取连接套筒长度为60mm,由于桩基施工中钢筋笼需整体吊装､对接,上､下对接钢筋均不能转动｡因此,钢筋连接端部丝头加工长度一端为30mm,另一端长度由30mm加长至60mm,先把连接套筒全部拧入长丝一端钢筋,上､下钢筋位置对接准确后,再反拧套筒进行对接连接,如图1､图2所示｡

图1钢筋笼对接施工现场

图2钢筋直螺纹机械连接示意

混凝土浇筑施工前,对此种连接接头进行抽样送检｡按JGJ107—2016《钢筋机械连接技术规程》[18]进行接头极限抗拉强度检测,并判断接头等级｡抽检的试验接头大部分达不到Ⅲ级接头标准,接头性能不稳定,力学性能明显下降｡经分析,初步考虑以下原因:①钢筋一端丝头长度由30mm加长至60mm,长丝一端外露连接螺纹削弱了钢筋截面积,影响钢筋抗拉强度;②钢筋笼对接时,由于上下钢筋不能自由转动或移动,导致接头中间钢筋丝头不能顶紧,长丝一端套筒拧紧扭矩未满足规范要求;③实际施工时,钢筋端部切平工作量大且切割速度慢,施工现场未采用带锯､砂轮锯或带圆弧形刀片的专用钢筋切断机切平;④工程钢材用量过大,存在不同品牌钢筋同时应用的现象,虽然原材料力学性能是合格的,但不同的母材钢筋抗拉强度富余不同,导致长短丝机械连接时接头力学性能有所不同｡因此,提出对以上因素进行试验研究,分析连接接头的力学性能｡

2、试验概况

2.1试验工况

试验设置母材种类､接头类型､套筒长度､钢筋端部类型､套筒拧紧力矩5个工况,共计5组试件,详见表1｡其中,第一组为对照组,采用标准接头,钢筋端部切平顶紧且螺纹外露长度和套筒拧紧力矩均符合规范要求;第二､三､四组均采用螺纹外露长度为30mm的长短丝接头,第二组钢筋端部类型和套筒拧紧力矩与对照组一致,主要分析螺纹外露长度为30mm的长短丝接头对接头承载力的影响,第三组钢筋端部未切平,第四组长螺纹端扭矩值为0;第五组套筒长度为70mm,长丝端螺纹与连接套筒有效连接长度由30mm增加至40mm｡

表1接头力学性能试验工况

2.2材料性能

试验选用2种⌀25mm的HRB400级钢筋作为母材A和母材B,其中,母材A抗拉强度富余量较大｡钢筋力学性能试验参照GB/T228.1—2021《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》[19]进行,其力学性能见表2｡

表2钢筋实测抗拉强度

2.3试验方法

根据JGJ107—2016《钢筋机械连接技术规程》,分别对母材A和母材B的机械连接接头进行4组工况的力学性能试验,实测接头的抗拉强度｡

3、试验结果及分析

3.1试验结果

1)母材A的机械连接接头检测情况见表3｡标准机械接头为钢筋拉断,极限抗拉强度635MPa,与母材A的原材料强度基本一致;仅改变接头类型的长短丝接头为钢筋拉断,接头极限抗拉强度596.1MPa,为原材料的93.8%;改变接头类型的长短丝接头且钢筋端部未切平,其极限抗拉强度587.8MPa,为原材料的92.5%;改变接头类型的长短丝接头且钢筋端部未切平､长丝端扭矩值为0,其极限抗拉强度537.8MPa,为原材料的91.5%;将长端直螺纹从60mm增加至70mm,使长丝端螺纹与连接套筒有效连接长度从30mm增加至40mm,接头破坏为钢筋拉断,极限抗拉强度提高至584.4MPa｡经评判,第二组为Ⅰ级接头;第三组为Ⅱ级接头;第四组为Ⅲ级接头;第五组为Ⅰ级接头｡

表3母材A的机械连接接头极限抗拉强度实测值

2)母材B的机械连接接头极限抗拉强度检测情况见表4｡标准机械接头极限抗拉强度为588.9MPa,与母材B的原材料强度基本一致;仅改变接头类型的长短丝接头极限抗拉强度为523.3MPa,为原材料的88.7%;改变接头类型的长短丝接头且钢筋端部未切平,其极限抗拉强度为521.1MPa,为原材料的88.3%;改变接头类型的长短丝接头且钢筋端部未切平､长丝端扭矩为零,其极限抗拉强度为432.8MPa,为原材料的73.4%｡经判别,第二组为Ⅲ级接头;第三组为Ⅲ级接头,存在个别接头不合格;第四组均为不合格接头｡

表4母材B的机械连接接头极限抗拉强度实测值

3.2结果分析

分析表3和表4,母材A和母材B的标准机械接头为钢筋拉断,其极限抗拉强度分别为原材料的99.9%和99.8%,说明标准直螺纹机械接头螺纹虽然对钢筋截面产生一定削弱,但由于螺纹露出套筒仅1~2丝,且钢筋接头在套筒内相互切平､顶紧,所以基本不影响强度｡

第二组与第一组比较,钢筋机械连接接头一端直螺纹由30mm加长至60mm,其接头抗拉强度下降较明显,说明外露螺纹削弱了连接接头的抗拉强度｡由第二组试验结果可知,母材A和母材B螺纹削弱后的极限抗拉强度分别为原材料强度的93.8%和88.7%｡试验中试件为⌀25mm的螺纹,螺距为3mm,基本中径为23.70mm,基本小径为21.75mm,按基本中径和基本小径计算的截面积分别为原公称面积的89.87%和75.9%｡依据相关规范进行螺栓轴向力设计值计算时,采用螺栓内径净截面面积,即采用基本小径进行截面积计算｡由此可以看出,第二组试验结果处在基本中径附近｡

比较第二､三､四组,第三组改变接头类型的长短丝接头且钢筋端部未切平,母材A和母材B制成的接头其抗拉强度分别为原材料的92.5%和88.3%,与端部切平的情况相比,2种母材钢筋两端未切平的连接接头抗拉强度分别下降1.4%和0.4%,略低于第二组的结果,说明端部未切平会削弱接头的抗拉强度,但影响不大｡而第四组的结果比第三组分别低了91.5%和83.1%,说明与端部切平相比较,扭矩值为0对承载力削弱的影响更大｡

第四组与第一组比较,当钢筋直螺纹机械连接接头只有一端达到最小拧紧扭矩要求时,其抗拉强度较两端均达到最小拧紧扭矩要求的机械连接接头明显下降,母材A和母材B钢筋制成的连接接头分别在原材的基础上下降了8.5%和16.9%｡可以看出,母材B的钢筋接头抗拉强度降低值比母材A的多了近1倍｡从试件成形情况看,丝头加工质量与母材材质关系较大,母材强度高,丝头加工完整性较好,接头相对抗拉强度较高｡在第四组试验结果中,母材B的试件在受力较小情况下,有接头拉脱现象也充分说明了这一点｡

第五组与第四组比较,在端部未切平且长丝端扭矩值为0的情况下,30mm+70mm长短丝机械连接接头抗拉强度比30mm+60mm长短丝机械连接接头抗拉强度提高8.7%,通过定制加长套筒,使长丝端螺纹与连接套筒有效连接长度由30mm增加至40mm,可以有效提高机械连接接头的抗拉强度｡

4、结语

1)一端直螺纹由30mm加长至60mm的长短丝连接方式,会削弱直螺纹连接接头的抗拉强度,钢筋端部未切平会削弱接头的抗拉强度,但影响不大｡与端部切平相比较,扭矩值为0对承载力削弱的影响更大｡

2)端部未切平且长丝端扭矩值为0的情况下,通过加长套筒,使长丝端螺纹与套筒有效连接长度由30mm增至40mm,可有效提高机械连接接头的抗拉强度｡

3)母材强度高､丝头加工完整性较好,则接头抗拉强度高｡施工前,建议采用抗拉强度富余量较大的母材钢筋､定制加长套筒等技术措施,制作与现场工况相一致的接头进行抗拉强度测试,合格后方可批量施工｡

4)设计单位宜参照相关技术标准,按螺纹净面积进行长短丝接头承载力计算,同时需考虑实际施工工况｡由于施工工况限制,目前工程中常采用长短丝连接接头,但影响该连接接头力学性能的因素较多,且施工现场质量管理水平参差不齐,工程施工中应高度重视｡若设计要求达到Ⅰ级接头标准,此类长短丝接头工艺的直螺纹机械连接接头应慎用｡

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