1. 引言
住建部印发的《“十四五”建筑业发展规划》中提出“大力发展装配式建筑”的任务，明确了到2025年装配式建筑占新建建筑比例达到30%以上的发展目标。我国大力发展装配式建筑推动产业结构调整升级，对钢筋连接件的需求急剧增加。钢筋连接关系到建筑结构在静态和动态载荷下的稳定性，根据连接接头不同，钢筋连接形式可主要分为三类：搭接连接、焊接连接和机械连接 [1] [2] 。钢筋机械连接被称为“第三代钢筋接头”，具有安装简单、节约钢材和性能可靠等优点 [3] [4] ，逐渐取代了传统的钢筋搭接工艺，广泛应用于公路、桥梁、水利工程等建筑领域。
根据钢筋机械连接用套筒的不同，钢筋机械连接可分三大类：直螺纹套筒机械连接、锥螺纹套筒机械连接和挤压套筒机械连接，其中直螺纹套筒机械连接是最常见的钢筋机械连接方式 [5] ，通过套筒与钢筋之间螺纹的紧密贴合实现拉应力在钢筋之间传递。Kheyroddin等 [1] 通过试验测试了Φ10 mm、Φ20 mm、Φ25 mm钢筋通过螺纹连接和锻造连接的力学性能，研究表明螺纹连接对塑性的影响和钢筋连接件数量紧密相关，而锻造连接对塑性的影响和钢筋连接件数量无关。Bompa等 [6] 对比分析了采用不同套筒的钢筋机械连接件的性能特点，并研究套筒尺寸对机械连接件的强度和伸长率的影响。后续试验中，Bompa等 [7] 研究了在拉压应力循环条件下Φ16 mm、Φ20 mm钢筋螺纹机械连接接头的性能，发现试验后由于螺纹接头变形，导致机械连接件的残余变形稍微大于钢筋，但差值小于0.2 mm；螺纹接头变形主要发生在试验初期，试验后期无明显变化。李向民等 [8] 应用40Cr合金钢作为钢筋套筒连接高强钢筋，对Φ20 mm、Φ25 mm规格的高强钢筋机械连接接头性能进行研究，提出应制定适用于40Cr合金钢套筒的尺寸标准。冯俊等 [9] 对比了Φ14~Φ32 mm规格的钢筋机械连接件的力学性能，研究表明45号碳素钢经等径角挤压工艺处理后制作套筒，可满足高强钢筋的机械连接要求。胡晓依 [10] 采用45号碳素钢设计了新型螺纹套筒，实现Φ20 mm、Φ25 mm规格的600 MPa级高强热轧钢筋机械连接性能达到I级要求。
跨海大桥、核电工程、特高层建筑等重点建设工程主要采用Φ36~Φ50 mm大规格HRB500E高强不锈钢钢筋、抗震钢筋，随着建筑物向大跨度、高层化、多样化方向发展和建筑工程的对质量安全要求提高，这两类钢筋的机械连接件需求将会持续增长。然而目前钢筋机械连接研究主要针对普通规格的热轧带肋钢筋，大规格高强钢筋机械连接力学性能的研究较少，因此本文针对500MPa大规格高强不锈钢钢筋、抗震钢筋机械连接展开研究。
2. 试验设计
2.1. 原材料
2.1.1. 大规格高强钢筋
试验用Φ40 mm高强不锈钢钢筋系富佰新材料(浙江)有限公司生产；试验用Φ36 mm、Φ40 mm高强抗震钢筋由凌源钢铁股份有限公司生产，Φ50 mm高强抗震钢筋系阳春新钢铁有限责任公司生产。此4种钢筋的力学性能参数如表1所示。
Table 1. Mechanical property parameters of large-specification high-strength steel bars
表1. 大规格高强钢筋力学性能参数
2.1.2. 套筒
对于Φ40 mm不锈钢钢筋，根据JG/T 163-2013《钢筋机械连接用套筒》 [11] 标准要求，选用了与钢筋母材同材质的棒材作为套筒原材料。对于Φ36 mm、Φ40 mm、Φ50 mm抗震钢筋，选用高于标准JG/T 163-2013要求的40Cr合金钢作为套筒原材料。螺纹的设计对连接件的性能至关重要 [2] ，根据GB/T 197-2018《普通螺纹公差》 [12] 标准中要求，基于螺纹加工的成本、连接件的性能稳定性，对套筒螺纹进行设计加工，套筒的基本参数如表2所示。
Table 2. Basic parameters of the couplers
表2. 套筒基本参数
2.1.3. 试件设计
根据JGJ107-2016《钢筋机械连接技术规程》 [13] 中对于钢筋机械连接试件型式检验的要求，单向拉伸试件、高应力反复拉压试件和大变形反复拉压试件分别选用3个样品进行，试件数量设计如表3所示。
2.2. 试验方法
采用1500KPX万能材料试验机及其自带的数据采集系统，对接头试件进行单向拉伸试验、高应力反复拉压试验和大变形反复拉压试验，如图1所示。根据文献 [11] [13] ，需要分别测试不同试验中机械连接件的抗拉强度、残余变形、最大力下总伸长率和破坏形式。
Table 3. Specimen test design list/piece
表3. 试件试验设计列表/个
Figure 1. Universal material testing machine and test photos
图1. 万能材料试验机及试验照片
3. 试验结果分析
3.1. 大规格高强不锈钢钢筋机械连接件
40S机械连接件的试验结果如表4所示。在单向拉伸试验中，3个钢筋机械连接件的实测极限抗拉强度均大于钢筋母材的极限抗拉强度标准值630 MPa，此时钢筋连接接头尚未发生破坏，试件在套筒外钢筋母材发生断裂，3个试件的最大力下总伸长率均大于6.0%，残余变形u0均小于0.14 mm。在高应力反复拉压试验中，3个试件的实测极限抗拉强度均大于钢筋母材的抗拉强度标准值，接头未发生破坏，断裂发生在套筒外钢筋母材区域；高应力反复拉压后残余变形u20均小于0.3 mm，平均值为0.08 mm。大变形反复拉压试验后，3个试件的实测极限抗拉强度均大于钢筋母材的抗拉强度标准值，套筒外钢筋母材发生断裂，接头未发生破坏；残余变形u4均小于0.3 mm，平均值为0.03 mm，残余变形u8均小于0.6 mm，平均值为0.12 mm。
连接件在单向拉伸试验中的强度和残余变形，是衡量连接件能否满足正常使用的基本指标。在单向拉伸试验中，40S机械连接件的实测极限抗拉强度均大于钢筋母材的抗拉强度标准值630 MPa，且破环形态为钢筋拉断，表明钢筋母材的抗拉强度低于机械连接接头，通过套筒实现了性能可靠的机械连接，保证连接接头的强度高于完整的钢筋。连接件在单向拉伸试验中会出现塑性变形，导致机械连接件拉断后产生残余变形。在服役过程中，残余变形的存在导致建构筑物经受外力产生的裂纹难以闭合，不利于结构稳定性。40S机械连接件在单向拉伸试验中的残余变形平均值小于I级接头标准要求的0.14 mm，表明40S机械连接件应用于钢筋混凝土结构中能满足建构筑物基本的服役性能。
建构筑物在服役过程中会遭受风载、地震等自然灾害，结构中的钢筋机械连接接头在经历反复拉压会导致接头松动，因此需要通过高应力反复拉压试验、大变形反复拉压试验测试钢筋接头经受拉压力反复影响时的性能。高应力反复拉压试验对应于风载或弱震对结构性能的影响，测试连接件在承受多次拉应力、压应力重复交替后，且未进入屈服状态时，是否会出现严重变形或强度低于钢筋抗拉强度的标准值，导致结构性能不能满足服役性能要求。40S机械连接件的残余变形u20平均值为0.08 mm，实测抗拉强度均高于630 MPa，表明钢筋继续连接件在服役过程中能经受风载、弱震的干扰，保证结构的正常服役。大应力反复拉压试验等效于强震对结构性能的影响，钢筋连接件吸收、消耗地震能量，发生较大的塑性变形，连接接头发生松动、强度降低。40S机械连接件的残余变形u4平均值和残余变形u8平均值均分别低于0.3 mm和0.6 mm，实测抗拉强度均高于630 MPa，表明钢筋连接件在服役过程中，承受2倍和5倍于钢筋屈服应变的大变形情况下，仍能维持结构经受4~8次反复拉压而不发生破坏。
综上试验结果分析，根据JGJ 107-2016可知，40S机械连接接头符合I级标准。
Table 4. Test results of large-specification high-strength stainless steel bars mechanical splices
表4. 大规格高强不锈钢钢筋机械连接件试验结果
3.2. 大规格高强抗震钢筋机械连接件
36E、40E、50E机械连接件的试验结果如表5所示。3种规格的机械连接件在单向拉伸试验中的实测极限抗拉强度均大于HRB500E钢筋的抗拉强度标准值630 MPa，而且接头未发生破坏，断裂均发生在套筒外母材区域。3种规格的机械连接件在单向拉伸试验中的最大力下总伸长率均大于6.0 mm，36E、40E、50E的最大力下总伸长率平均值分别为11.7%、11.2%、12.2%；36E、40E、50E残余变形u0平均值均小于0.14 mm，分别为0.04、0.09、0.09 mm。在高应力反复拉压试验中，3种规格的机械连接件的实测极限抗拉强度均大于钢筋母材的抗拉强度标准值630 MPa，接头未发生破坏，断裂发生在套筒外钢筋母材区域；高应力反复拉压后，36E、40E、50E机械连接件的残余变形u20平均值分别为0.25、0.10、0.07 mm，均小于0.3 mm。大变形反复拉压试验中，3个规格的机械连接件的实测极限抗拉强度均大于钢筋母材的抗拉强度标准值630 MPa，套筒外钢筋母材发生断裂，接头未发生破坏；36E、40E、50E机械连接件的残余变形u4平均值均小于等于0.3 mm，平均值分别为0.25、0.27、0.26 mm；3种规格的机械连接接头的残余变形u8均小于0.6 mm，平均值分别为0.47、0.46、0.46 mm。
36E、40E、50E机械连接件的实测极限抗拉强度均大于钢筋母材的抗拉强度标准值630 MPa，且破环形态为钢筋拉断，表明机械连接接头抗拉强度高于钢筋母材，通过套筒实现了性能可靠的机械连接。36E、40E、50E机械连接件在单向拉伸试验中的残余变形平均值均小于I级接头标准要求的0.14 mm，表明钢筋机械连接件应用于钢筋混凝土结构中能满足建构筑物基本的服役性能。36E、40E、50E机械连接件经高应力反复拉压试验后，残余变形u20平均值均小于0.3 mm，实测抗拉强度均高于630 MPa，表明钢筋继续连接件在服役过程中能经受风载、弱震的干扰，保证结构的正常服役。大应力反复拉压试验中，36E、40E、50E机械连接件的残余变形u4平均值和残余变形u8平均值均分别低于0.3 mm和0.6 mm，实测抗拉强度均高于630 MPa，表明钢筋连接件在服役过程中，承受2倍和5倍于钢筋屈服应变的大变形情况下，仍能维持结构经受4~8次反复拉压而不发生破坏。
综上试验结果描述，根据JGJ 107-2016可知，36E、40E、50E机械连接接头符合I级标准。
Table 5. Test results of large-specification high-strength seismic bars mechanical splices
表5. 大规格高强抗震钢筋机械连接件试验结果
4. 结语
根据JGJ 107-2016《钢筋机械连接技术规程》，采用与不锈钢钢筋同材质的棒材和40Cr合金钢作为原材料制作套筒，根据JG/T 103-2013《钢筋机械连接用套筒》、GB/T 197-2018《普通螺纹公差》，设计加工钢筋机械链接套筒，分别应用于Φ40mm高强不锈钢钢筋和Φ36mm、Φ40mm、Φ50mm高强抗震钢筋机械连接。钢筋机械连接件通过单向拉伸试验、高应力反复拉压试验和大变形反复拉压试验测试强度和变形能力。
结合试验测试的钢筋机械连接件的力学性能数据，分析了连接件经历风载、弱震和强震干扰的力学性能变化，证明上述连接件在受到一定程度上的外界影响后，仍能维持建构筑物的结构服役性能稳定。试验后，上述钢筋机械连接件均在套筒外钢筋发生断裂，表明机械连接接头强度高于钢筋母材；且机械连接件断裂后的残余变形平均值均小于JGJ 107-2016中I级接头标准值，表明采用本文套筒设计参数，可实现大规格高强功能性钢筋机械连接接头达到JGJ 107-2016中I级接头要求。
NOTES
*通讯作者。