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高强钢筋机械连接接头力学性能的试验研究.doc

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高强钢筋机械连接接头力学性能的试验研究.doc
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高 强 钢 筋 机械 连 接 接 头力 学 性 能 的试 验 研究 李向民 王玉 兰 高润 东 许 清风 严炜炯 王卓 琳 上 海 市建 筑 科学 研 究院 上 海市 工 程结 构 安全 重 点实 验室 上 海市 建筑 建 材业 市 场管 理 总站 摘 要: 应用40Cr 合金钢通过制作钢筋套筒, 用于 500, 600 MPa 级高强钢 筋连接。通过 试验研究了接头的单向拉伸性能、高应力反复拉压性能 和大变形反复拉压性能。 试验结果表明:研发的 500, 600 MPa 级高强钢 筋专用连接接头, 强度和变形性能 均满足JGJ 107 —2016 《钢筋机械连接技术规程》规定的 Ⅰ级接头要求。随着高 强钢筋在我国的不断推广, 40Cr 合金钢套筒的应用前景将十分广阔。 关键词 : 高强钢筋; 40Cr 合金钢; 机械连接; 强度; 变形; 作 者简 介: 李向民, 男, 1973 年出生, 博士。电子信箱:13601902634@163.com 基 金: 上海市科委课题 (15DZ1203506) EXPERIMENTAL RESEARCH ON MECHANICAL PROPERTIES OF MECHANICAL SPLICING OF HIGH STRENGTH REBARS LI Xiangmin WANG Yulan GAO Rundong XU Qingfeng YAN Weijiong WANG Zhuolin Shanghai Key Laboratory of Engineering Structure Safety, Shanghai Research Institute of Building Sciences; Shanghai Architecture and Construction Materials Marketing Management Station; Abstract : The 40Cr alloy steel was used to manufacture sleeve as the splice of both 500 MPa and 600 MPa high strength rebars.Then the mechanical properties of mechanical splicing were tested under uniaxial tension, high tensile-compressive stress reversed, and high tensile-compressive deformation reversed.The experiment results indicated that for the splices 500 MPa or 600 MPa high strength rebars, both of the strength and deformation could meet the Grade I splice requirement of Technical specification for mechanical splicing of steel reinforcing bars (JGJ107 —2016) .With the popularizing of high strength rebars in China, the sleeve manufactured by the 40 Cr alloy steel has a broad application prospect. Keyword : high strength rebar; 40Cr alloy steel; mechanical splicing; strength; deformation; 机械连接是混凝土结构中钢筋连接的主要形式之一, 400 MPa 级及以下钢筋的机 械连接技术已比较成熟, 而500 MPa 级及以上高强钢筋的机械连接目前应用研究 还偏少。 范重等论述了高强钢筋制造及在工程中应用的可行性[1];王晓锋系统研 究了配置高强钢筋混凝土框架 柱的抗震性能, 以上研究主要针对500 MPa 级高强 钢筋现浇混凝土结构, 并未对高强钢筋机械连接开展专门研究[2]。刘璐等研究 了500 MPa 级高强钢筋装配整体式框架节点的抗震性能, 梁柱连接采用套筒灌浆 连接[3], 也不涉及机械连接。而 600 MPa 级高强钢筋的机械连接更是少有文献 报道。 随着住房和城乡建设部、 工业和信息化部共同颁布出台 《关于加快应用高 强钢筋的指导意 见》 (2012) , 500 MPa 及以 上高强钢筋在全国大范围推广应用 的趋势已形成。 当前我国正在大力推广装配式混凝土建筑, 在装配式混凝土结构 连接节点处采用高强钢筋机械连接也是重要的技术选择。 一方面, 应用高强钢筋 可以大大减少配筋量、简化节点构造;另一方面, 机械连接属干式连接、工业化 程度高。JG/T 163—2013 《钢筋机械连接用套筒》[4]针对套筒原材料为 45 号碳 素钢的情况, 给出了 400, 500 MPa 级钢筋机 械连接用直螺纹套筒最小尺寸要求。 45 号碳素钢屈服强度不低于 355 MPa、抗拉强度不低于 600 MPa、断后伸长率不 低于16%[5]。 大量工程案例表明:用45 号碳素钢加工制作的套筒, 连接 400 MPa 级钢筋是比较可靠的, 连接500 MPa 级钢筋有时难以达到 JGJ 107—2016《钢筋 机械连接技术规程》[6]规定的Ⅰ级接头标准, 存在套筒被拉断的情况。 基于此, 探索应用40 Cr 合金钢来加工制作套筒, 应用于 500, 600MPa 级高强钢筋连接。40Cr 合金钢屈服强度不低于 785 MPa、抗拉强度不低于 980 MPa、断后伸长率不 低于9%[7], 其强度明显高于 45 号碳素钢。本研究通过单向拉伸、高应力反复 拉压和大变形反复拉压等系列试验, 研究了 40Cr 合金钢高强钢筋机械连接接头 的力学性能。 1 试验设计 1.1 原材 料 1.1.1 高强钢 筋 试验用高强钢筋包括 HRB500E (500 MPa 级) 和T6E/E/G (600 MPa 级) 两个强度 级别, HRB500E (500 MPa 级) 系江苏永钢集团有限公司生产的抗震钢筋, T6E/E/G (600 MPa 级) 系江苏天舜金属材料集团有限公司生产的抗震钢筋。高 强钢筋力学性能参数如表 1 所示。 表1 高强钢筋力学性能参数 Table 1 Mechanical properties of high strength rebars 下载原表 1.1.2 套筒 套筒由40Cr 合金钢通过机械加工而成, 材料性能高于标准 JG/T 163 —2013《钢 筋机械连接用套筒》[4]的要求, 基本参数见表 2。 表2 套筒基本参数 Table 2 Basic parameters of sleeves 下载原表 1.2 试件 设计 试件设计如表3 所示。 表3 试件设计列表 Table 3 Specimen design list 下载原表 1.3 试验 方法 参照JGJ 107 —2016 《钢筋机械连接技术规程》[6]进行接头试件的单向拉伸试 验、 高应力反复拉压试验和大变形反复拉压试验。 单向拉伸采用 SHT4106-G 型1 000 k N 微机控制电液伺服万能试验机及其自带的数据采集系统;高应力反复拉 压和大变形反复拉压采用 206D-P 型2 000 k N 微机控制电液伺服万能试验机 及 其自带的数据采集系统。 测试内容包括屈服强度、 极限抗拉强度、 最大力下总伸 长率、 单向拉伸残余变形、 高应力反复拉压残余变形、 大变形反复拉压残余变形、 破坏形态。试验照片如图 1 所示。 2 试验结果分析 2.1 HRB500E 高强 钢筋机 械连 接接头 HRB500E 高强钢筋机械连接接头试验结果如表 4 所示。 图1 试验照片 Fig.1 The test photo 下载原图 由表4 可见:单向拉伸作用下, 各组试件中每个机械连接接头的实测屈服强度均 大于连接钢筋屈服强 度标准值500 MPa, 实测极限抗拉强度均大于连接钢筋极限 抗拉强度标准值630 MPa[8], 接头破坏时均为钢筋拉断且断于钢筋母材, 如图2 所示;单向拉伸作用下, 各组试件中3 个机械连接接头的最大力下总伸长率平均 值大于6.0%, 残余变形 u0 平均值小于0.10 mm 。高应力反复拉压作用下, 各组 试件中每个机械连接接头的实测极限抗拉强度均大于连接钢筋极限抗拉强度标 准值630 MPa[8], 接头破坏时均为钢筋拉断且断于钢筋母材;各组试件中 3 个机 械连接接头的残余变形 u20 平均值小于0.3 mm 。大变形反复拉压作用下, 各组试 件中每个机械连接接头的实测极限抗拉强度均大于连接钢筋极限抗拉强度标准 值630 MPa[8], 接头破坏时均为钢筋拉断且断于钢筋母材;各组试件中 3 个机械 连接接头的残余变形 u4 平均值小于0.3 mm, 残余变形u8 平均值小于 0.6 mm。基 于以上试验结果, 由 JGJ 107—2016[6]可以判定, 上述各组接头符合 Ⅰ级接头 标准。 表4 HRB500E 高强钢筋机械连接接头试验结果 Table 4 Test results of mechanical splicing of HRB500E high strength rebars 下载原表 图2 单向拉伸作用下 HRB500E 高强钢筋机械连接接头 破坏形态Fig.2 Failure mode of mechanical splicing of HRB500E high strength rebars under uniaxial tension 下载原图 a—C1;b —C2。 2.2 T6E/E/G 高强 钢筋机 械连 接接头 T6E/E/G 高强钢筋机械连接试验结果如表 5 所示。 由表5 可见:单向拉伸作用下, 各组试件中每个机械连接接头的实测屈服强度均 大于连接钢筋屈服强度标准值 600 MPa, 实测极限抗拉强度均大于连接钢筋极限 抗拉强度标准值750 MPa[9], 且破坏形式均为钢筋拉断, 除D2 组中有两个接头 断于套筒外钢筋丝头 (也符合JGJ 107—2016 《钢筋机械连接技术规程》[6]中 钢筋拉断要求) , 其他均断于钢筋母材, 如图 3 所示;单向拉伸作用下, 各组试 件中3 个机械连接接头的最大力下总伸长率平均值大于 6.0%, 残余变形 u0 平均 值小于0.10 mm 。高应力反复拉压作用下, 各组试件中每个机械连接接头的 实测 极限抗拉强度均大于连接钢筋极限抗拉强度标准值 750 MPa[9], 接头破坏时均 为钢筋拉断且断于钢筋母材;各组试件中3 个机械连接接头的残余变形u20 平均值 小于0.3 mm;大变形反复拉压作用下, 各组试件中每个机械连接接头的实测极限 抗拉强度均大于连接钢筋极限抗拉强度标准值 750 MPa[9], 接头破坏时均为钢 筋拉断且断于钢筋母材;各组试件中3 个机械连接接头的残 余变形u4 平均 值 小 于 0.3 mm, 残余变形u8 平 均值小于0.6 mm。基于以上试验结果, 由JGJ 107 —2016 《钢筋机械连接技术规程》[6]可以判定, 上述各组接头符合 Ⅰ级接头标准。可 见, 当套筒材料为 40Cr 合金钢时, 对于600 MPa 级钢筋, 连接套筒采用与 500 MPa 级钢筋相同的规格尺寸, 同样符合Ⅰ级接头标准。 表5 T6E/E/G 高强钢筋机械连接试验结果 Table 5 Test results of mechanical splicing of T6E/E/G high strength rebars 下载原表 图3 单向拉伸作用下 T6E/E/G 高强钢筋机械连接接头破坏形态 Fig.3 Failure mode of mechanical splicing of T6E/E/G high strength rebars under uniaxial tension 下载原图 a—D1;b —D2。 3 结束语 1) 采用 40Cr 合金钢通过机械加工制作套筒, 应用于500 MPa 级高强钢筋连接, 接头的强度和变形性能均满足要求, 达到了 JGJ 107—2016《钢筋机械连接技术 规程》规定的 Ⅰ级接头标准。 2) 采用 40Cr 合金钢通过机械加工制作套筒, 应用于600 MPa 级高强钢筋连接, 套筒规格尺寸与500 MPa 级高强钢筋相同, 接头的强度和变形性能也均满足要求, 达到了JGJ 107—2016 《钢筋机械连接技术规程》规定的 Ⅰ级接头标准。 3) 本研究针对 500 MPa 和600 MPa 级高强钢筋 研发的40Cr 合金钢钢筋机械连接 用套筒, 随着高强钢筋在我国的不断推广, 应用前景十分广阔。 另外, 本研究在 确定套筒尺寸时, 参考了 JG/T 163—2013《钢筋机械连接用套筒》中给出的由 45 号碳素钢加工制造的适应 500 MPa 级钢筋机械连接用直螺纹套筒最小尺寸, 后续可通过系列研究制定由 40Cr 合金钢加工制造的套筒的最小尺寸标准, 进一 步优化连接设计方法。 参考文献 [1] 范重, 徐琳, 冯远, 等.高强钢筋在工程中应用的探讨[J].结构工程师, 2013, 29 (6) :169-176. [2] 王晓锋.配置高强钢 筋混凝土框架柱抗震性能研究[D].北京:中国建筑科学研 究院, 2013. [3] 刘璐, 黄小坤, 田 春雨, 等. 配置大直径大间距 HRB500 高强钢筋的装配整体 式钢筋混凝土框架节点抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2016, 37 (5) :247-254. [4] 中华人民共和国 住 房和城 乡建设 部.钢 筋 机械连 接用套 筒:JG/T163 —2013[S]. 北京:中国标准出版社, 2013. [5] 中华人民共和国国 家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 优质碳素结构钢:GB/T 699 —2015[S].北京: 中国标准出版社, 2016. [6] 中华人民共和国住 房 和城乡建设部.钢筋机械连接技术规程:JGJ 107 —2016[S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2016. [7] 中华人民共和国国 家质量监督检验检疫总局.合金结构钢:GB/T 3077 —2015[S]. 北京:中国标准出版社, 2016. [8] 中华人民共和国国 家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 钢筋混凝土用钢第 2 部分热轧带肋钢筋:GB1499.2—2007[S].北京:中国标准出 版社, 2007. [9] 江苏天舜金属材料 集团有限公司.天舜热处理带肋高强钢筋混凝土结构应用 技术规程:SQBJ/CT178-2016[S].上海:同济大学出版社, 2016.
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