鋼筋連接應(yīng)采用必要手段加以控制

鋼筋連接應(yīng)采用必要手段加以控制(關(guān)于鋼筋的連接加以控制原因的一點(diǎn)認(rèn)識(shí))鋼筋的連接可分兩類：綁扎搭接；機(jī)械連接或焊接。各種形式的鋼筋連接，其連接接頭作為混凝土結(jié)構(gòu)中受力鋼筋的一部分，還必須滿足作為受力鋼筋應(yīng)有的力學(xué)性能。包括強(qiáng)度(承載力)、延性(破壞形態(tài))、剛度(變形)、恢復(fù)性能、疲勞性能，耐久性、施工適應(yīng)性及質(zhì)量穩(wěn)定性等。在分析和評價(jià)各種連接接頭的性能時(shí)，應(yīng)以無連接接頭的整體鋼筋作為基準(zhǔn)進(jìn)行對比分析，方能真正比較其性能的優(yōu)劣。如連接接頭的力學(xué)性能能夠接近整體鋼筋，則其連接性能優(yōu)良。如能與整體鋼筋完全一樣，則可以不受限制地加以利用。反之，若連接接頭的力學(xué)性能與整體鋼筋之間還存在一定的差距，就不得不對其應(yīng)用加以適當(dāng)?shù)南拗屏?。然而，無論什么形式的連接，也不如連貫的整體鋼筋。正如人體的骨骼一樣，骨折以后經(jīng)手術(shù)恢復(fù)的骨骼，無論如何總不如未經(jīng)骨折的原生狀態(tài)骨骼，這種道理并不難理解。下面從多方面來闡述：一、剛度(變形模量)剛度是在荷載效應(yīng)作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件抵抗變形的能力。對于鋼筋連接接頭而言，則是在拉力作用下接頭區(qū)域的伸長變形。其影響到混凝土構(gòu)件的撓度變形以及接頭區(qū)域的裂縫狀態(tài)。因此，也是鋼筋連接接頭的重要受力性能之一。剛度涉及的變形問題屬于正常使用極限狀態(tài)。我國混凝土結(jié)構(gòu)中，在使用狀態(tài)下鋼筋的應(yīng)力水平約為其設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70％左右，故一般情況下尚處于彈性階段。對于整體鋼筋而言，基準(zhǔn)段(L)受力后引起的彈性伸長變形為△Ls，取決于鋼筋的彈性模量Es，如圖2中的斜直線所示。對搭接鋼筋而言，由于重疊部分(即基準(zhǔn)段L)兩根鋼筋應(yīng)力是遞增(減)變化的，每根鋼筋的伸長變形約為整體鋼筋的一半左右?；鶞?zhǔn)段兩根鋼筋的相對伸長是兩根鋼筋伸長之和，亦即單根鋼筋伸長的2倍。因此，鋼筋的彈性伸長△Ls與整體鋼筋基本一致。但是，在塔接傳力過程中，除了鋼筋的彈性變形以外，還會(huì)發(fā)生兩根鋼筋的相對滑移△Lp，這部分變形是非彈性的，且隨著荷載(拉力)的增大而呈非線性發(fā)展，如圖1(a)曲線所示。因此，對搭接接頭而言，其相對伸長變形總量△Lc=△Ls+△Lp．，始終大于彈性變形值△Ls。從變行模量的角度來衡量其剛度的話，相應(yīng)的割線模量Ec小于鋼筋的彈模量Es，如圖1(a)中的虛線所示。對鋼筋的焊接接頭，因?yàn)槭峭ㄟ^焊縫處熔融鋼材的直接傳力，因此基準(zhǔn)段(z)的伸長變形完全取決于鋼材的彈性模量Es。一般情況下焊縫材料及焊接熱影響區(qū)鋼材的彈性模量E‘s變化不大，故可以認(rèn)為焊接接頭區(qū)域的剛度基本未受影響。因此其伸長變形△Ls’與彈性伸長△Ls基本相當(dāng)。對鋼筋機(jī)械連接而言，由于鋼筋是依靠螺紋(凹凸)的咬合作用通過套筒傳力的。因此，除了被連接鋼筋段和連接套筒的彈性變形△Ls以外，還有咬合齒的變形(可視為相對兩個(gè)懸臂的受力狀態(tài))和螺紋之間的空隙行程(只要螺紋能夠旋人就必然有預(yù)留的負(fù)公差空間)，再加上某些情況下接頭鋼筋經(jīng)鐓粗、擠壓，金相組織改變而引起彈性模量的降低，因此也會(huì)產(chǎn)生非線性的變形△Lp[圖1(b)]。這部分非彈性變形并不均衡發(fā)展。受力之初先克服螺紋間隙，此時(shí)拉力不大但滑移較大，形成變形曲線上的第一個(gè)平緩段。當(dāng)螺紋變形充分咬合以后，曲線變陡，但荷載較大時(shí)非線性變形△Lp仍難以避免。因此，總變形量△Lc=△Ls+△Lp仍比彈性變形值△Ls大，而相應(yīng)的割線模量Ec肯定會(huì)小于鋼筋的彈性模量Es，如圖1(b)中的虛線所示?？傊阡摻钸B接的各種形式中，除直接傳力的焊接接頭以外，間接傳力的綁扎搭接接頭和機(jī)械連接接頭總會(huì)發(fā)生非彈性的伸長變形，使總變形△Lc大于彈性變形值△ls，即接頭的割線模量Ec小于鋼筋的彈性模量Es由于在連接區(qū)段內(nèi)剛度較小，伸長變形加大，故搭接連接區(qū)域或機(jī)械連接接頭區(qū)域往往成為裂縫集中的區(qū)域，構(gòu)件撓度也相對增大。上述鋼筋連接接頭區(qū)段的剛度蛻化(減小)的影響，還遠(yuǎn)不止對裂縫或變形(撓度)的影響。其還可能引起截面受力鋼筋應(yīng)力的差異，使縱向鋼筋受力處于不均勻受力的不利狀態(tài)。例如，在同一受彎構(gòu)件中配置的受力鋼筋，其中有連貫的整體鋼筋，也有部分鋼筋依靠連接接頭傳力。整體鋼筋的彈性模量為Es，而連接鋼筋由于剛度蛻化而使變形模量減小為割線模量Ec，如圖2所示。在同一受力截面中，由于平截面變形，兩種鋼筋應(yīng)有基本相同的應(yīng)變值o。但是，由于其變形模量的不同,整體鋼筋中引起的應(yīng)力δs=Eso。；而連接鋼筋中的應(yīng)力δc=Ec0。顯然δc<δs,即整體鋼筋要承擔(dān)比連接鋼筋更大的應(yīng)力。由圖2中看出，兩者的應(yīng)力差為△δ，而這與設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)截面內(nèi)應(yīng)力分布的理想狀態(tài)并不一致。通常整體鋼筋應(yīng)力較高，將先于被連接鋼筋提前達(dá)到屈服。因而，應(yīng)力不均勻?qū)孛婵沽Ξa(chǎn)生不利影響。這種連接鋼筋變形模量蛻化(由Es減小為Ec)引起的受力不均衡，已為試驗(yàn)量測所證實(shí)。因此，必須對連接接頭質(zhì)量提出嚴(yán)格的要求，并對其接頭面積百分率加以限制。一般施工人員往往只注意鋼筋連接的強(qiáng)度問題而并不太注意鋼筋連接區(qū)段剛度蛻化、割線模量減小對于承載受力形態(tài)的的影響，而實(shí)際這種應(yīng)力差引起的承載受力狀態(tài)變化，是實(shí)際存在。設(shè)計(jì)規(guī)范要求“在同一根鋼筋上宜少設(shè)接頭”，這一點(diǎn)實(shí)際是對施工單位的要求。在同一根鋼筋上設(shè)置多個(gè)連接接頭，其抗力受到削弱的概率就大得多。尤其是連接接頭引起的剛度蛻化，將使該鋼筋在同一截面的受力鋼筋中承受比其他鋼筋要小得多的應(yīng)力。由此而引起的各受力鋼筋受力分配的不均勻，將不利于結(jié)構(gòu)的承載受力，應(yīng)該加以認(rèn)識(shí)避免。如在切斷鋼筋后余料再用的情況下，容易發(fā)生一根鋼筋多個(gè)接頭的情況。此時(shí)應(yīng)注意應(yīng)采用重復(fù)料搭配的方式，避免短料多次拼接的做法。在混凝土結(jié)構(gòu)施的鋼筋安裝時(shí)，在同一跨度內(nèi)，最好只有一個(gè)連接接頭，以保證該構(gòu)件的力學(xué)性能。只有當(dāng)構(gòu)件的長度很大時(shí)(很大層高的柱子或桁架、屋架下弦桿等)，只限一個(gè)連接接頭有時(shí)很難做到，則可以適當(dāng)放寬。這也就是規(guī)范用“宜”字而沒有強(qiáng)調(diào)“應(yīng)”的原因。二、恢復(fù)力(消除殘余效應(yīng))混凝土結(jié)構(gòu)承載受力以后，產(chǎn)生變形、裂縫均屬正?，F(xiàn)象。但在外加荷載撤去以后，大部分撓曲變形及裂縫寬度應(yīng)該能夠減小或閉合，當(dāng)然也可能還剩下小部分殘余變形或裂縫寬度。這種性能稱為恢復(fù)性能，簡稱恢復(fù)力。由于作用在建筑結(jié)構(gòu)上使用荷載的不確定性，偶爾的超載可能引起較大的撓曲變形和裂縫。然而，當(dāng)荷載消失以后，如果能基本回復(fù)到承載前的變形和裂縫狀態(tài)，就不會(huì)給繼續(xù)使用造成明顯的影響。反之，如造成明顯的較大殘余變形及殘余裂縫寬度就比較不利。因此，恢復(fù)性能也是混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件和材料的重要受力性能之一。對于混凝土結(jié)構(gòu)的使用功能，特別對于裂縫控制性能，有著重要的影響。對于鋼筋而言，在一般使用狀態(tài)下，應(yīng)力水平約為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%左右，尚處于彈性階段，故卸載后彈性變形可以基本恢復(fù)。對于整體鋼筋的基準(zhǔn)段(L)，荷載作用下的彈性變形△Ls在卸載以后可以基本消失，所以整體鋼筋具有很好的恢復(fù)性能。對于焊接連接接頭而言，由于是通過焊縫處鋼材的直接傳力，且熱影響區(qū)鋼材的變形基本也是彈性的，因此恢復(fù)性能較好，大體與整體鋼筋相似。但是對于綁扎搭接而言，情況就大不一樣了。在搭接連接區(qū)段(基準(zhǔn)段L)發(fā)生非線性變形△Lc以后，卸載只能基本恢復(fù)其中彈性伸長的部分△Ls。由于搭接鋼筋相對滑移引起的非彈性變形△Lp無法全部恢復(fù)，遂成為殘余伸長變形和殘余裂縫寬度。實(shí)際工程中，也?？梢杂^察到在搭接連接區(qū)域的可見裂縫。這些裂縫往往是由于偶然超載而引起的，但在卸載以后無法完全恢復(fù)，因而留下了殘余變形和殘余裂縫。因此，綁扎搭接連接的恢復(fù)性能不良。鋼筋的機(jī)械連接情況類似。由于非彈性變形△L`p的存在，在荷載消失以后不可避免地會(huì)留下殘余變形(撓度)，并在混凝土構(gòu)件中留下殘余裂縫。然而性能良好的機(jī)械連接形式，在確保施工質(zhì)量時(shí)，這種殘余變形和裂縫會(huì)比搭接連接小得多。但是，由于連接接頭是通過咬合套筒的間接傳力的形式，機(jī)械連接在恢復(fù)力方面的弱點(diǎn)還是難以避免的。這也就是在混凝土結(jié)構(gòu)中，機(jī)械連接所在部位往往成為產(chǎn)生裂縫位置的原因。恢復(fù)力還體現(xiàn)在遭受高應(yīng)力和大變形后抗力的蛻化。這與偶然一次或幾次)超載作用后的恢復(fù)性能不同，在遭受地震作用下的混凝土結(jié)構(gòu)中，往往由于往復(fù)的強(qiáng)迫位移而引起鋼筋的很大的拉壓反復(fù)變形。在強(qiáng)震情況下，由于強(qiáng)迫位移數(shù)值很大，一往往還在混凝土結(jié)構(gòu)中的某些部位形成塑性鉸并使鋼筋屈服。此外，在風(fēng)荷載和較小地震的作用下，鋼筋雖然不一定達(dá)到屈服，但也可能達(dá)到接近屈服的高應(yīng)力狀態(tài)(例如0.9Fyk)。相對于疲勞荷載而言，這種反復(fù)作用的次數(shù)相對不會(huì)太多，但也可能對連接鋼筋的抗力造成影響?？傊?，在接近或超過屈服強(qiáng)度和彈性極限的高應(yīng)力和大變形的反復(fù)作用下，鋼筋的承載受力性能將發(fā)生蛻化。盡管連接鋼筋不一定斷裂或拉開，但由于高應(yīng)力、大變形所引起的非彈性變形，就可能引起連接接頭處的殘余伸長。反映為混凝土結(jié)構(gòu)中的宏觀現(xiàn)象，則為明顯的殘余撓度和殘余裂縫寬度。因此，從承受反復(fù)荷載作用的角度而言，應(yīng)考慮鋼筋連接有可能引起的傳力性能蛻化，亦即不可恢復(fù)的殘余變形或裂縫。三、延性(破壞形態(tài))延性是鋼筋受力后極限變形的能力，即拉斷前的最大伸長變形(均勻伸長率)。其涉及鋼筋斷裂前的變形與耗能能力，與混凝土結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)有極大的關(guān)系。地震災(zāi)害調(diào)查及許多惡性的結(jié)構(gòu)工程事故調(diào)查都表明，引起構(gòu)件斷裂、結(jié)構(gòu)解體、建筑倒塌的根本原因往往并非強(qiáng)度不足，而是延性太差(脆性)。由于破壞形態(tài)對結(jié)構(gòu)安全的影響，混凝土結(jié)構(gòu)的延性是不亞于其強(qiáng)度的最重要的影響因素之一。中國有87％的行政區(qū)必須考慮抗震，結(jié)構(gòu)延性的意義更為突出。圖3對比了不同延性鋼筋受力后變形、屈服、直至斷裂前的全過程應(yīng)力一應(yīng)變曲線，以及鋼筋的耗能能力(U)，亦即外力拉斷鋼筋所必須做的功(w)。由圖可以看出，強(qiáng)度較高的鋼筋(f1)，因均勻仲長率(&1，)較小，耗能能力并不大U1)；相反強(qiáng)度并不高的鋼筋(f2)，由于均勻伸長率(&2)很大，耗能能力要大得多(U2)。因此要使延性較好的鋼筋斷裂，外力必須作更大的功(w2>w1)。對于鋼筋的連接接頭也是一樣，其受拉到斷裂前的伸長變形能力(延性)決定了其破壞形態(tài)。搭接鋼筋連接可以在相對滑移很大的情況下仍然能夠維持鋼筋之間的傳力，因而具有一定的延性。如果能夠滿足搭接長度以及必要的構(gòu)造措施，在地震作用等很大的強(qiáng)迫位移情況下，只要搭接鋼筋不分離，就可以避免發(fā)生構(gòu)件斷裂、結(jié)構(gòu)解體、建筑倒塌等嚴(yán)重后果。焊接的鋼筋盡管是通過熔融金屬冷卻后的連接而直接傳力的。但在我國的施工條件下，很難完全避免和檢驗(yàn)出焊縫內(nèi)的缺陷(裂紋、氣孔、夾渣、未融合等)。同時(shí)焊接熱影響區(qū)內(nèi)的金相組織變化和某些情況下產(chǎn)生的焊接應(yīng)力，都可能導(dǎo)致鋼筋的焊接接頭在變形并不太大的情況下斷裂(脆斷)。受力鋼筋的斷裂使傳力中斷，相當(dāng)于配筋結(jié)構(gòu)蛻化成為素混凝土結(jié)構(gòu)。因此承載力急劇降低，往往導(dǎo)致構(gòu)件斷裂，結(jié)構(gòu)解體，建筑物倒塌等嚴(yán)重后果。鋼筋機(jī)械連接接頭受到材料、施工、工藝等因素影響，往往也可能在變形不大時(shí)發(fā)生脆性的斷裂。如擠壓過度時(shí)套筒沿縱向劈裂；鐓粗工藝造成鋼筋內(nèi)部金相組織變化引起的截面變化處鋼材脆斷；因制作與施工的原因造成螺紋不足或咬合的螺紋缺陷引起“倒牙”而拔出分離……都可能引起傳力中斷而造成嚴(yán)重后果。四、疲勞性能當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)用于橋梁、道路’、吊車梁等處作為承載受力的主要構(gòu)件時(shí)，構(gòu)件將承受長期反復(fù)荷載的作用，稱為疲勞荷載。在疲勞荷載作用下，受力鋼筋局部缺陷在反復(fù)交變的應(yīng)力作用下?lián)p傷累積。當(dāng)損傷增加到一定程度時(shí)，就會(huì)引起明顯無預(yù)兆的疲勞破壞(斷裂)。在鋼筋表面凹凸不平，形狀復(fù)雜的條件下，曲率較大處往往成為疲勞破壞的誘發(fā)點(diǎn)。承受疲勞荷載的受力鋼筋同樣存在著連接接頭，其抗力同樣會(huì)受到很大的削弱。與整體的連貫鋼筋比較，其強(qiáng)度(承載力)、延性(破壞形態(tài))、剛度(割線模量)、恢復(fù)力(恢復(fù)性能)都會(huì)有不同程度的降低，與疲勞應(yīng)力的性質(zhì)有關(guān)。因此，在承受疲勞荷載作用的混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋連接接頭應(yīng)特別慎重，除對接頭形式，接頭面積百分率及相應(yīng)的構(gòu)造措施提出要求外，對重要結(jié)構(gòu)中的鋼筋連接往往還必須進(jìn)行專門的疲勞性能試驗(yàn)。五、施工適應(yīng)性及質(zhì)量穩(wěn)定性所有的鋼筋連接形式(綁扎搭接、焊接、機(jī)械連接)都進(jìn)行過系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，并在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中提出了相應(yīng)的質(zhì)量要求。但是，試驗(yàn)室量測是一回事，而真正結(jié)構(gòu)施工的實(shí)際操作又是一回事。而后者正是確定連接質(zhì)量、保證接頭應(yīng)有抗力(連接力學(xué)性能)的真正質(zhì)量狀態(tài)。鋼筋連接的施工適應(yīng)性是連接施工的難易程度。如果施工工藝復(fù)雜，施工設(shè)備昂貴，對施工操作人員的技術(shù)水平要求很高，施工后質(zhì)量的檢驗(yàn)手段復(fù)雜，則施工適應(yīng)性就較差。施工適應(yīng)性不僅影響到施工成本和經(jīng)濟(jì)效益，還對施工質(zhì)量造成影響。一般施工適應(yīng)性較差的連接工藝，由于操作困難，施工質(zhì)量不易保證。施工時(shí)，除為滿足應(yīng)有質(zhì)量要求而制訂必要的操作規(guī)程以控制實(shí)際施工人員的操作質(zhì)量外，還必須有效的監(jiān)督檢查手段，以便真正能夠保證實(shí)際施工質(zhì)量。而這與各種連接方式的特點(diǎn)有關(guān)，其決定了施工質(zhì)量的可靠性。綁扎搭接接頭可以一目了然地觀察到搭接鋼筋的位置、搭接鋼筋接頭面積百分率、受力鋼筋的搭接長度、搭接連接區(qū)段的保護(hù)層厚度以及連接區(qū)段的配箍約束情況。因此，綁扎搭接連接盡管是一種比較古老而簡單的連接方式，其施工質(zhì)量卻比較容易得到保證，也不失為一種可靠的連接方式。實(shí)際工程中，由于搭接傳力性能不良而引起的傳力中止、構(gòu)件斷裂、結(jié)構(gòu)解體等災(zāi)害性事故很少發(fā)生。因此，其施工適應(yīng)性較好，質(zhì)量穩(wěn)定性也是比較有保證的。對于粗直徑鋼筋的搭接連接，施工難度大，質(zhì)量不易保證。所以規(guī)范對此規(guī)定了使用條件的限制。我國焊接施工目前大多還靠手工操作，焊工的技術(shù)素質(zhì)、施焊位置、熟練程度、操作環(huán)境、疲勞程度以及心理狀態(tài)等都不可避免地會(huì)影響焊接質(zhì)量。此外，施焊條件、大氣環(huán)境(陰、晴、風(fēng)、雨、曬、凍等)等客觀因素也都會(huì)影響焊接質(zhì)量。盡管有關(guān)規(guī)程對保證焊接質(zhì)量提出了種種措施，同時(shí)還有抽樣檢驗(yàn)進(jìn)行質(zhì)量控制，但由于抽檢比例較小(1／200～1／300)，檢驗(yàn)手段很難嚴(yán)密，故還難以避免漏檢的風(fēng)險(xiǎn)。有許多焊接的質(zhì)量隱患，例如裂紋、夾渣、虛焊等可能嚴(yán)重影響傳力的質(zhì)量，但這些缺陷是很難通過普查發(fā)現(xiàn)的。1997年日本坂神地震時(shí)，有些混凝土結(jié)構(gòu)因受力鋼筋在焊接連接處被拉斷，