多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒力學(xué)性能的深入剖析與工程應(yīng)用探索

一、引言1.1研究背景與意義在建筑行業(yè)蓬勃發(fā)展的當(dāng)下，建筑結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性始終是工程建設(shè)的核心關(guān)注點。鋼筋作為建筑結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力部件，其連接質(zhì)量直接關(guān)乎整個結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與安全可靠性。多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒作為一種新型的鋼筋連接方式，憑借其獨特的連接原理和顯著的技術(shù)優(yōu)勢，在各類建筑工程中得到了日益廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的鋼筋連接方式，如焊接連接和綁扎搭接，存在著諸多局限性。焊接連接易受環(huán)境因素和焊工技術(shù)水平的影響，可能導(dǎo)致焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，出現(xiàn)虛焊、脫焊等問題，從而削弱鋼筋連接部位的強度和延性。同時，焊接過程中產(chǎn)生的高溫可能會對鋼筋的力學(xué)性能造成一定程度的損傷，降低鋼筋的承載能力。綁扎搭接則需要較長的搭接長度，不僅浪費鋼材，增加工程成本，而且在大直徑鋼筋連接或承受動荷載的結(jié)構(gòu)中，其連接效果往往難以滿足工程要求。此外，綁扎搭接還會占用較大的施工空間，給施工操作帶來不便，影響施工效率。相比之下，多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。該連接方式通過多個銷釘將鋼筋與套筒緊密連接，利用銷釘?shù)目辜糇饔煤吞淄才c鋼筋之間的摩擦力來傳遞荷載，從而實現(xiàn)鋼筋的有效連接。這種連接方式具有接頭性能可靠、質(zhì)量穩(wěn)定的特點，能夠確保在各種復(fù)雜工況下鋼筋連接部位的強度和延性，有效提高建筑結(jié)構(gòu)的整體安全性。由于其連接過程不受氣候條件的限制，無論是在高溫、潮濕還是寒冷的環(huán)境下，都能保證連接質(zhì)量的穩(wěn)定性。同時，該連接方式對焊工技術(shù)水平的要求相對較低，減少了人為因素對連接質(zhì)量的影響，提高了施工的可靠性。在施工速度方面，多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的安裝過程簡單快捷，無需復(fù)雜的焊接設(shè)備和操作工藝，能夠大大縮短施工周期，提高工程進度。這對于一些工期緊張的大型建筑項目來說，具有重要的現(xiàn)實意義。多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒還具有節(jié)約鋼材的優(yōu)點，通過合理設(shè)計套筒和銷釘?shù)某叽?，可以在保證連接強度的前提下，減少鋼材的使用量，降低工程成本。隨著建筑技術(shù)的不斷進步和建筑結(jié)構(gòu)形式的日益多樣化，對鋼筋連接技術(shù)的要求也越來越高。研究多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的力學(xué)性能，深入了解其受力機理和破壞模式，對于優(yōu)化套筒的設(shè)計和施工工藝，提高鋼筋連接的質(zhì)量和可靠性，具有重要的理論和實際意義。通過對多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒力學(xué)性能的研究，可以為其在建筑工程中的合理應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)，確保建筑結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。同時，該研究成果也有助于推動鋼筋連接技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，為建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在鋼筋連接技術(shù)的發(fā)展歷程中，國內(nèi)外學(xué)者針對多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的力學(xué)性能展開了多維度的研究。國外在鋼筋連接技術(shù)領(lǐng)域起步較早，在早期就對機械連接方式給予了關(guān)注。部分學(xué)者針對銷釘連接的基本原理進行了基礎(chǔ)性研究，通過建立簡單的力學(xué)模型，分析了銷釘在受剪狀態(tài)下的受力特性，為多銷釘擠壓連接套筒的研究奠定了一定的理論基礎(chǔ)。他們通過對不同材質(zhì)銷釘?shù)牧W(xué)性能測試，發(fā)現(xiàn)高強度合金鋼制成的銷釘在承受較大荷載時，能夠保持較好的力學(xué)性能，不易發(fā)生斷裂等破壞現(xiàn)象。在套筒與鋼筋的連接方式研究中，國外學(xué)者采用有限元模擬的方法，探究了不同擠壓工藝對套筒與鋼筋之間摩擦力和咬合力的影響。結(jié)果表明，適當(dāng)提高擠壓壓力能夠有效增加套筒與鋼筋之間的摩擦力，從而提高連接的可靠性。然而，國外對于多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的系統(tǒng)性研究相對較少，尤其是在復(fù)雜工況下的力學(xué)性能研究還存在一定的空白。國內(nèi)在鋼筋連接技術(shù)方面的研究近年來取得了顯著進展。隨著建筑行業(yè)對鋼筋連接質(zhì)量要求的不斷提高，多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒逐漸成為研究熱點。一些學(xué)者通過大量的試驗研究，分析了多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒在軸向拉伸、彎曲等荷載作用下的力學(xué)性能。在軸向拉伸試驗中，詳細記錄了不同規(guī)格套筒和銷釘在加載過程中的變形情況和破壞模式，發(fā)現(xiàn)銷釘?shù)臄?shù)量和分布對套筒的承載能力有著顯著影響。當(dāng)銷釘數(shù)量增加且分布均勻時，套筒的承載能力得到明顯提升，同時鋼筋與套筒之間的協(xié)同工作性能也更好。在彎曲試驗中，研究了不同彎曲角度下套筒的受力性能變化，發(fā)現(xiàn)隨著彎曲角度的增大，套筒和銷釘?shù)膽?yīng)力分布更加復(fù)雜，部分銷釘會承受較大的彎矩，容易出現(xiàn)彎曲變形甚至斷裂。部分學(xué)者利用有限元軟件對多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒進行了數(shù)值模擬分析，深入研究了套筒和銷釘?shù)膽?yīng)力分布規(guī)律。通過建立精細的有限元模型，考慮了材料非線性、幾何非線性以及接觸非線性等因素，準(zhǔn)確地模擬了套筒在不同荷載工況下的力學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明，在套筒與鋼筋的接觸界面處，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，尤其是在銷釘附近區(qū)域。合理設(shè)計套筒的壁厚和銷釘?shù)闹睆?，可以有效降低?yīng)力集中程度，提高套筒的承載能力。然而，目前國內(nèi)的研究主要集中在常規(guī)工況下的力學(xué)性能研究，對于極端工況（如地震、火災(zāi)等）下多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的力學(xué)性能研究還相對薄弱。在地震作用下，結(jié)構(gòu)會受到反復(fù)的水平和豎向荷載，鋼筋連接部位的受力狀態(tài)復(fù)雜多變，現(xiàn)有的研究成果難以準(zhǔn)確評估套筒在這種情況下的可靠性。在火災(zāi)高溫環(huán)境下，套筒和鋼筋的材料性能會發(fā)生顯著變化，目前對于高溫下多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的力學(xué)性能劣化規(guī)律以及防火保護措施的研究還不夠深入，無法為實際工程提供全面的技術(shù)支持。1.3研究內(nèi)容與方法本文圍繞多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的力學(xué)性能展開深入研究，主要涵蓋以下幾個方面：試驗研究：設(shè)計并制作多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的試驗試件，包括不同規(guī)格的鋼筋、套筒以及銷釘組合。通過軸向拉伸試驗、彎曲試驗等，測量套筒在不同荷載作用下的荷載-位移曲線、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等力學(xué)性能指標(biāo)。詳細觀察并記錄試驗過程中的破壞現(xiàn)象，如銷釘?shù)募羟衅茐摹⑻淄驳淖冃魏烷_裂等，為后續(xù)的機理分析和數(shù)值模擬提供試驗依據(jù)。機理分析：基于試驗結(jié)果，深入剖析多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的受力機理。研究銷釘與鋼筋、套筒之間的傳力機制，分析摩擦力、咬合力在荷載傳遞過程中的作用。探討套筒和銷釘?shù)膽?yīng)力分布規(guī)律，以及不同參數(shù)（如銷釘數(shù)量、直徑、間距等）對受力性能的影響。通過理論推導(dǎo)和力學(xué)分析，建立多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的力學(xué)模型，揭示其力學(xué)性能的內(nèi)在本質(zhì)。參數(shù)分析：運用有限元軟件建立多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的數(shù)值模型，并通過試驗結(jié)果對模型進行驗證。利用驗證后的模型，開展參數(shù)分析研究。系統(tǒng)研究擠壓比、鋼筋直徑、銷釘橫截面尺寸、銷釘間距、套筒長度、銷釘數(shù)量等參數(shù)對套筒力學(xué)性能的影響規(guī)律。通過改變這些參數(shù)，模擬不同工況下套筒的受力情況，分析各項力學(xué)性能指標(biāo)的變化趨勢，為套筒的優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。設(shè)計方法：根據(jù)試驗研究和參數(shù)分析的結(jié)果，提出多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的設(shè)計方法。制定銷釘和套筒的設(shè)計準(zhǔn)則，包括強度設(shè)計、變形控制等方面的要求。給出不同規(guī)格鋼筋和工況下，套筒和銷釘?shù)暮侠沓叽绾蛥?shù)取值范圍。通過實際工程案例的應(yīng)用，驗證設(shè)計方法的可行性和有效性，為多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒在工程中的應(yīng)用提供設(shè)計指導(dǎo)。為實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本文采用以下研究方法：試驗研究方法：遵循相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，精心設(shè)計試驗方案，確保試驗的科學(xué)性和可靠性。選用合適的試驗設(shè)備，如萬能材料試驗機、應(yīng)變片、位移傳感器等，準(zhǔn)確測量試驗數(shù)據(jù)。對試驗過程進行詳細記錄，包括加載過程、破壞現(xiàn)象等，為后續(xù)分析提供全面的資料。數(shù)值模擬方法：利用有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的精細數(shù)值模型。考慮材料非線性、幾何非線性以及接觸非線性等因素，模擬套筒在不同荷載工況下的力學(xué)響應(yīng)。通過與試驗結(jié)果的對比驗證，確保數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性。利用數(shù)值模型進行參數(shù)分析，高效地研究不同參數(shù)對套筒力學(xué)性能的影響。理論分析方法：運用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等相關(guān)理論知識，對多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的受力機理進行理論推導(dǎo)和分析。建立力學(xué)模型，求解套筒和銷釘?shù)膽?yīng)力、應(yīng)變分布，以及荷載-位移關(guān)系等力學(xué)性能指標(biāo)。通過理論分析，深入理解套筒的力學(xué)性能，為試驗研究和數(shù)值模擬提供理論支持。二、多銷釘擠壓搭接連接套筒試驗研究及有限元模型驗證2.1多銷釘擠壓搭接連接套筒形式及參數(shù)定義多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒主要分為圓銷釘擠壓搭接連接套筒和長圓銷釘擠壓搭接連接套筒兩種形式。圓銷釘擠壓搭接連接套筒（如圖1所示），其套筒主體為圓筒形，通常采用高強度鋼材制成，以保證在承受荷載時具有足夠的強度和剛度。在套筒的圓周方向上均勻分布著多個圓形銷釘孔，銷釘通過過盈配合或其他緊固方式插入銷釘孔中，將兩根待連接的鋼筋緊緊固定在套筒內(nèi)。這種套筒形式的優(yōu)點在于銷釘?shù)氖芰^為均勻，能夠有效地傳遞鋼筋之間的荷載，適用于一般建筑結(jié)構(gòu)中鋼筋的連接。[此處插入圓銷釘擠壓搭接連接套筒的示意圖，標(biāo)注出套筒、銷釘、鋼筋等主要部件]長圓銷釘擠壓搭接連接套筒（如圖2所示），套筒同樣為圓筒形結(jié)構(gòu)，但銷釘孔的形狀為長圓形。長圓銷釘?shù)拈L度方向與鋼筋的軸向平行，相較于圓銷釘，長圓銷釘在傳遞荷載時能夠提供更大的接觸面積，從而增強了連接的可靠性。這種套筒形式更適合用于承受較大荷載或?qū)B接剛度要求較高的建筑結(jié)構(gòu)，如大型橋梁、高層建筑的基礎(chǔ)等部位的鋼筋連接。[此處插入長圓銷釘擠壓搭接連接套筒的示意圖，標(biāo)注出套筒、銷釘、鋼筋等主要部件]為了準(zhǔn)確描述和研究多銷釘擠壓搭接連接套筒的力學(xué)性能，需要對相關(guān)參數(shù)進行定義。主要參數(shù)包括：擠壓比：定義為套筒擠壓后的外徑與擠壓前的外徑之比，它反映了套筒在擠壓過程中的變形程度。擠壓比的大小直接影響套筒與鋼筋之間的摩擦力和咬合力，進而影響連接的強度和可靠性。一般來說，適當(dāng)增大擠壓比可以提高連接的承載能力，但過大的擠壓比可能導(dǎo)致套筒材料的性能下降，甚至出現(xiàn)開裂等缺陷。鋼筋直徑：指待連接鋼筋的公稱直徑，它是影響連接性能的重要因素之一。不同直徑的鋼筋具有不同的強度和剛度，在設(shè)計和使用多銷釘擠壓搭接連接套筒時，需要根據(jù)鋼筋直徑的大小來選擇合適的套筒規(guī)格和銷釘參數(shù)，以確保連接的有效性。銷釘橫截面尺寸：對于圓銷釘，主要指其直徑；對于長圓銷釘，則包括長度和寬度。銷釘?shù)臋M截面尺寸決定了銷釘?shù)目辜裟芰统休d能力，合理設(shè)計銷釘?shù)臋M截面尺寸可以提高連接的整體力學(xué)性能。銷釘間距：相鄰兩個銷釘中心之間的距離。銷釘間距的大小會影響銷釘之間的協(xié)同工作性能以及套筒與鋼筋之間的應(yīng)力分布。如果銷釘間距過大，可能導(dǎo)致鋼筋與套筒之間的傳力不均勻，影響連接的可靠性；如果銷釘間距過小，則可能會使套筒局部應(yīng)力集中過大，降低套筒的使用壽命。套筒長度：套筒的總長度，它與鋼筋的搭接長度密切相關(guān)。合適的套筒長度能夠保證鋼筋在套筒內(nèi)有足夠的錨固長度，從而有效地傳遞荷載。套筒長度過短，可能導(dǎo)致鋼筋錨固不足，連接強度降低；套筒長度過長，則會增加材料成本和施工難度。銷釘數(shù)量：套筒上分布的銷釘總數(shù)。銷釘數(shù)量的多少直接影響連接的承載能力和傳力性能。增加銷釘數(shù)量可以提高連接的可靠性，但同時也會增加加工成本和施工復(fù)雜度。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的工程需求和結(jié)構(gòu)受力情況，合理確定銷釘數(shù)量。2.2試驗構(gòu)件及材性2.2.1圓銷釘擠壓搭接連接套筒試驗構(gòu)件為了深入研究圓銷釘擠壓搭接連接套筒的力學(xué)性能，本次試驗精心設(shè)計并制作了一系列試驗構(gòu)件。選用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的HRB400鋼筋，其具有較高的屈服強度和良好的延性，能夠滿足建筑結(jié)構(gòu)對鋼筋力學(xué)性能的要求。根據(jù)研究需求，選取了直徑為16mm、20mm和25mm三種規(guī)格的鋼筋，每種規(guī)格各制作5個試件，共計15個試件。這些不同直徑的鋼筋可以模擬實際工程中不同受力情況和結(jié)構(gòu)部位的鋼筋連接，為研究套筒在不同鋼筋直徑下的力學(xué)性能提供全面的數(shù)據(jù)支持。對于套筒，采用45號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，該鋼材具有較高的強度和韌性，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，其綜合力學(xué)性能得到進一步提升，能夠更好地適應(yīng)多銷釘擠壓連接的受力要求。套筒的外徑根據(jù)鋼筋直徑的不同而進行合理設(shè)計，分別為30mm、35mm和40mm，以確保套筒與鋼筋之間有合適的配合尺寸。套筒的壁厚為5mm，這一厚度既能保證套筒在承受荷載時具有足夠的強度和剛度，又能避免因壁厚過大而增加材料成本和施工難度。在套筒的圓周方向上，均勻分布著6個直徑為8mm的銷釘孔，銷釘采用40Cr合金鋼制作，經(jīng)過淬火和回火處理后，其硬度和強度得到顯著提高，能夠有效地傳遞鋼筋之間的荷載。在制作試件時，嚴(yán)格控制加工精度。鋼筋的下料長度精確控制在1000mm，兩端采用切割機進行切割，保證切口平整，無毛刺和斜口。套筒的內(nèi)孔和銷釘孔采用高精度數(shù)控車床進行加工，確保尺寸精度符合設(shè)計要求。銷釘與銷釘孔之間采用過盈配合，過盈量控制在0.05-0.1mm之間，以保證銷釘在套筒內(nèi)的緊固性。在將鋼筋插入套筒之前，對鋼筋表面進行打磨處理，去除表面的銹跡和油污，以增強鋼筋與套筒之間的摩擦力。然后，使用專用的擠壓設(shè)備將鋼筋與套筒進行擠壓連接，擠壓過程中嚴(yán)格控制擠壓壓力和擠壓速度，確保擠壓質(zhì)量的穩(wěn)定性。擠壓完成后，對試件進行外觀檢查，確保套筒與鋼筋連接緊密，無松動和縫隙。2.2.2長圓銷釘擠壓搭接連接套筒試驗構(gòu)件長圓銷釘擠壓搭接連接套筒試驗構(gòu)件的制作同樣遵循嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和流程。鋼筋同樣選用HRB400鋼筋，為了對比不同鋼筋直徑對套筒力學(xué)性能的影響，選取的鋼筋直徑為20mm、25mm和32mm，每種直徑制作5個試件，共15個試件。這些鋼筋直徑的選擇覆蓋了常見建筑結(jié)構(gòu)中鋼筋的使用范圍，能夠全面反映長圓銷釘擠壓搭接連接套筒在不同工況下的性能表現(xiàn)。套筒采用Q345B低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，該鋼材具有良好的綜合力學(xué)性能，特別是在強度和韌性方面表現(xiàn)出色，能夠滿足長圓銷釘擠壓搭接連接套筒在復(fù)雜受力情況下的要求。套筒的外徑分別設(shè)計為35mm、40mm和45mm，壁厚為6mm。相較于圓銷釘擠壓搭接連接套筒，長圓銷釘擠壓搭接連接套筒的壁厚有所增加，這是因為長圓銷釘在傳遞荷載時會對套筒產(chǎn)生更大的作用力，需要更厚的套筒壁來保證其強度和穩(wěn)定性。在套筒的圓周方向上，均勻分布著8個長圓形銷釘孔，長圓形銷釘孔的尺寸為長15mm、寬10mm，這種形狀的銷釘孔能夠更好地適應(yīng)長圓銷釘?shù)氖芰μ攸c，提高銷釘與套筒之間的連接可靠性。長圓銷釘采用35CrMo合金鋼制作，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，其具有較高的強度、韌性和抗疲勞性能。銷釘?shù)某叽鐬殚L20mm、寬12mm，與銷釘孔之間采用過渡配合，配合公差控制在合理范圍內(nèi)，既能保證銷釘在銷釘孔內(nèi)的自由轉(zhuǎn)動，又能確保在承受荷載時銷釘與套筒之間的緊密接觸，有效地傳遞荷載。在試件制作過程中，對鋼筋的加工和處理與圓銷釘擠壓搭接連接套筒試驗構(gòu)件相同，確保鋼筋表面的質(zhì)量和尺寸精度。套筒的加工采用先進的機械加工工藝，保證內(nèi)孔和銷釘孔的尺寸精度和表面粗糙度。在安裝長圓銷釘時，使用專用的工裝夾具，確保銷釘?shù)陌惭b位置準(zhǔn)確無誤，并且與套筒的軸線垂直。安裝完成后，對試件進行全面的檢查和測試，包括外觀檢查、尺寸測量以及連接部位的緊固性測試，確保試件的質(zhì)量符合試驗要求。通過對長圓銷釘擠壓搭接連接套筒試驗構(gòu)件的精心制作和嚴(yán)格檢測，為后續(xù)的試驗研究提供了可靠的基礎(chǔ)，能夠準(zhǔn)確地揭示長圓銷釘擠壓搭接連接套筒的力學(xué)性能和受力機理。2.3試驗現(xiàn)象及試驗結(jié)果2.3.1圓銷釘擠壓搭接連接套筒試驗結(jié)果在圓銷釘擠壓搭接連接套筒的軸向拉伸試驗中，隨著荷載的逐漸增加，首先觀察到鋼筋與套筒之間的相對位移逐漸增大，這是由于銷釘與鋼筋、套筒之間的摩擦力在逐漸克服初始的咬合阻力。當(dāng)荷載達到一定程度時，部分銷釘開始出現(xiàn)明顯的剪切變形，在銷釘與鋼筋、套筒的接觸界面處，可以看到細微的劃痕和磨損痕跡，這表明銷釘在傳遞荷載的過程中，承受了較大的剪切力。隨著荷載繼續(xù)增加，銷釘?shù)募羟凶冃芜M一步加劇，部分銷釘甚至出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象。在銷釘斷裂的瞬間，能夠聽到清脆的響聲，同時鋼筋與套筒之間的相對位移迅速增大。最終，當(dāng)所有銷釘都無法承受荷載時，鋼筋從套筒中拔出，連接失效。通過對試驗過程中荷載-位移曲線的分析（如圖3所示），可以發(fā)現(xiàn)曲線大致可以分為三個階段。在初始階段，荷載與位移呈線性關(guān)系，這表明鋼筋與套筒之間的連接處于彈性階段，銷釘和套筒能夠有效地傳遞荷載，變形主要是由于材料的彈性變形引起的。隨著荷載的增加，曲線開始出現(xiàn)非線性變化，這意味著銷釘和套筒的變形逐漸進入塑性階段，部分銷釘開始出現(xiàn)屈服和變形，導(dǎo)致連接的剛度逐漸降低。在曲線的后期階段，荷載達到峰值后迅速下降，這是由于銷釘?shù)臄嗔押弯摻畹陌纬觯沟眠B接失去了承載能力，位移急劇增大。[此處插入圓銷釘擠壓搭接連接套筒試驗的荷載-位移曲線，標(biāo)注出彈性階段、塑性階段和破壞階段]對不同規(guī)格鋼筋的試驗結(jié)果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)鋼筋直徑越大，連接的極限承載力越高。這是因為鋼筋直徑的增大，使得鋼筋的橫截面積增大，能夠承受更大的拉力。同時，較大直徑的鋼筋在與套筒和銷釘?shù)倪B接中，接觸面積也相應(yīng)增大，從而提高了連接的可靠性。對于直徑為16mm的鋼筋，其連接的極限承載力平均為120kN；而直徑為25mm的鋼筋，連接的極限承載力平均達到了200kN。然而，隨著鋼筋直徑的增大，連接的延性略有下降。這是因為大直徑鋼筋的剛度較大，在受力過程中變形相對較小，當(dāng)銷釘發(fā)生破壞時，鋼筋不能及時通過自身的變形來調(diào)整應(yīng)力分布，導(dǎo)致連接更容易發(fā)生脆性破壞。2.3.2長圓銷釘擠壓搭接連接套筒試驗結(jié)果長圓銷釘擠壓搭接連接套筒在試驗過程中展現(xiàn)出與圓銷釘套筒不同的破壞現(xiàn)象。在加載初期，試件整體表現(xiàn)出良好的協(xié)同工作性能，長圓銷釘與鋼筋、套筒之間緊密配合，有效地傳遞荷載。隨著荷載的不斷增加，長圓銷釘與套筒孔壁之間的接觸壓力逐漸增大，在套筒的長圓孔周圍，出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致套筒局部區(qū)域的材料發(fā)生屈服和塑性變形。當(dāng)荷載接近極限承載力時，長圓銷釘開始出現(xiàn)彎曲變形，部分銷釘甚至從套筒的長圓孔中被拔出，這是由于銷釘在承受較大的彎矩和拉力時，其抗彎和抗拔能力不足。最終，隨著長圓銷釘?shù)拇罅堪纬龊推茐模摻钆c套筒之間的連接失效，鋼筋從套筒中滑脫。長圓銷釘擠壓搭接連接套筒的荷載-位移曲線（如圖4所示）也呈現(xiàn)出與圓銷釘套筒不同的特征。在曲線的初始階段，同樣表現(xiàn)出線性關(guān)系，說明連接處于彈性工作狀態(tài)。但與圓銷釘套筒相比，長圓銷釘套筒的彈性階段更長，這表明長圓銷釘在傳遞荷載時，能夠提供更大的剛度和承載能力。隨著荷載的增加，曲線的非線性變化相對較為平緩，這是因為長圓銷釘?shù)膹澢冃魏桶纬鲞^程是一個逐漸發(fā)展的過程，不像圓銷釘?shù)臄嗔涯菢油蝗唬沟眠B接在進入塑性階段后，仍能保持一定的承載能力。在曲線的后期，荷載達到峰值后逐漸下降，位移持續(xù)增大，表明連接逐漸失去承載能力。[此處插入長圓銷釘擠壓搭接連接套筒試驗的荷載-位移曲線，與圓銷釘擠壓搭接連接套筒的曲線進行對比分析]在不同鋼筋直徑的長圓銷釘擠壓搭接連接套筒試驗中，同樣發(fā)現(xiàn)鋼筋直徑對連接性能有顯著影響。隨著鋼筋直徑的增大，連接的極限承載力和初始剛度都有明顯提高。對于直徑為20mm的鋼筋，連接的極限承載力平均為150kN；而直徑為32mm的鋼筋，連接的極限承載力平均達到了250kN。同時，由于長圓銷釘?shù)奶厥庑螤詈洼^大的接觸面積，使得大直徑鋼筋在與套筒連接時，能夠更好地發(fā)揮其力學(xué)性能，連接的延性也相對較好。與相同直徑的圓銷釘擠壓搭接連接套筒相比，長圓銷釘擠壓搭接連接套筒的極限承載力和延性都有一定程度的提高，這表明長圓銷釘在大直徑鋼筋連接中具有更好的性能優(yōu)勢。2.4有限元模型2.4.1圓銷釘擠壓搭接連接套筒有限元模型及鋼筋表面形狀影響研究為了深入探究圓銷釘擠壓搭接連接套筒的力學(xué)性能以及鋼筋表面形狀對其的影響，采用有限元分析軟件ABAQUS建立了精細的三維有限元模型。在模型構(gòu)建過程中，充分考慮了材料非線性、幾何非線性以及接觸非線性等因素，以確保模型能夠準(zhǔn)確模擬實際的受力情況。模型中，套筒和銷釘均采用實體單元進行離散化處理，選用C3D8R八節(jié)點線性六面體減縮積分單元，這種單元在處理復(fù)雜幾何形狀和大變形問題時具有較高的精度和計算效率。鋼筋同樣采用C3D8R單元進行模擬，以準(zhǔn)確反映其在受力過程中的力學(xué)行為。對于材料屬性的定義，套筒和銷釘根據(jù)實際選用的材料，賦予其相應(yīng)的彈性模量、泊松比和屈服強度等參數(shù)。例如，對于采用45號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的套筒，其彈性模量設(shè)定為206GPa，泊松比為0.3，屈服強度根據(jù)調(diào)質(zhì)處理后的實際性能確定為600MPa。銷釘采用40Cr合金鋼，其彈性模量為210GPa，泊松比0.28，屈服強度經(jīng)過淬火和回火處理后達到850MPa。鋼筋選用HRB400，彈性模量為200GPa，泊松比0.3，屈服強度為400MPa。在接觸設(shè)置方面，鋼筋與套筒之間、銷釘與鋼筋以及銷釘與套筒之間均定義為面面接觸。切向接觸采用庫侖摩擦模型，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和相關(guān)研究，摩擦系數(shù)設(shè)定為0.3，以模擬它們之間的摩擦力。法向接觸采用硬接觸，確保在受力過程中接觸表面不會發(fā)生相互穿透。為了研究鋼筋表面形狀對連接套筒力學(xué)性能的影響，分別建立了光圓鋼筋和帶肋鋼筋的有限元模型。對于光圓鋼筋，其表面光滑，在與套筒和銷釘?shù)慕佑|中，主要依靠摩擦力來傳遞荷載。而帶肋鋼筋表面帶有凸起的肋紋，這些肋紋能夠增加鋼筋與套筒、銷釘之間的咬合力，從而提高連接的可靠性。在模型中，精確模擬了帶肋鋼筋的肋紋形狀和尺寸，通過改變肋紋的高度、間距等參數(shù)，分析其對連接性能的影響。在加載方式上，對鋼筋的一端施加軸向拉伸位移，另一端固定，模擬實際的軸向拉伸試驗工況。通過逐步增加位移載荷，觀察模型在不同加載階段的應(yīng)力、應(yīng)變分布以及變形情況。在分析結(jié)果時，重點關(guān)注套筒和銷釘?shù)膽?yīng)力集中區(qū)域、鋼筋與套筒之間的相對位移以及連接的極限承載力等指標(biāo)。通過對光圓鋼筋和帶肋鋼筋模型的對比分析，發(fā)現(xiàn)帶肋鋼筋由于其表面肋紋的存在，在與套筒和銷釘?shù)倪B接中，能夠更有效地傳遞荷載，提高連接的極限承載力。在相同的加載條件下，帶肋鋼筋模型的極限承載力比光圓鋼筋模型提高了約20%。帶肋鋼筋模型在受力過程中，鋼筋與套筒、銷釘之間的協(xié)同工作性能更好，能夠更好地發(fā)揮材料的力學(xué)性能。2.4.2長圓銷釘擠壓搭接連接套筒有限元模型及鋼筋表面形狀影響研究針對長圓銷釘擠壓搭接連接套筒，同樣利用ABAQUS軟件建立有限元模型。模型的基本設(shè)置與圓銷釘擠壓搭接連接套筒模型類似，但考慮到長圓銷釘?shù)奶厥庑螤詈褪芰μ攸c，在單元選擇和接觸設(shè)置上進行了適當(dāng)調(diào)整。長圓銷釘和套筒采用C3D20R二十節(jié)點二次六面體減縮積分單元，這種單元能夠更好地模擬長圓銷釘復(fù)雜的幾何形狀和在受力過程中的彎曲變形。鋼筋依然采用C3D8R單元。材料屬性的定義根據(jù)實際選用的材料確定，例如套筒采用Q345B低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為200GPa，泊松比0.3，屈服強度為345MPa；長圓銷釘采用35CrMo合金鋼，彈性模量210GPa，泊松比0.28，屈服強度750MPa。接觸設(shè)置方面，鋼筋與套筒、長圓銷釘與鋼筋以及長圓銷釘與套筒之間同樣采用面面接觸。切向接觸的摩擦系數(shù)根據(jù)試驗和相關(guān)研究確定為0.35，相較于圓銷釘連接，長圓銷釘與套筒、鋼筋之間的接觸面積更大，摩擦力也相應(yīng)有所增加。法向接觸采用硬接觸，保證接觸的合理性。為研究鋼筋表面形狀的影響，建立了光圓鋼筋和帶肋鋼筋的長圓銷釘擠壓搭接連接套筒有限元模型。在模型中，對帶肋鋼筋的肋紋進行了精確模擬，并通過改變肋紋參數(shù)來分析其對連接性能的影響。加載方式與圓銷釘模型一致，對鋼筋一端施加軸向拉伸位移，另一端固定。通過逐步加載，觀察模型的應(yīng)力、應(yīng)變分布以及變形情況。分析結(jié)果時，關(guān)注長圓銷釘?shù)膹澢冃巍⑻淄驳膽?yīng)力集中區(qū)域以及連接的極限承載力和延性等指標(biāo)。對比光圓鋼筋和帶肋鋼筋的模型結(jié)果，發(fā)現(xiàn)帶肋鋼筋在長圓銷釘擠壓搭接連接套筒中同樣具有明顯的優(yōu)勢。帶肋鋼筋與長圓銷釘和套筒之間的咬合力更強，能夠更有效地傳遞荷載，提高連接的極限承載力和延性。在極限承載力方面，帶肋鋼筋模型比光圓鋼筋模型提高了約25%。帶肋鋼筋模型在受力過程中，長圓銷釘?shù)膹澢冃蔚玫礁玫囊种?，鋼筋與套筒之間的相對位移更小，連接的可靠性更高。2.5有限元模型驗證為了驗證所建立的有限元模型的準(zhǔn)確性，將有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行了詳細的對比分析。以圓銷釘擠壓搭接連接套筒為例，在軸向拉伸試驗中，對比了有限元模擬得到的荷載-位移曲線與試驗測得的荷載-位移曲線（如圖5所示）。從圖中可以看出，兩者在彈性階段和塑性階段的變化趨勢基本一致。在彈性階段，有限元模擬曲線與試驗曲線幾乎重合，這表明有限元模型能夠準(zhǔn)確地模擬鋼筋與套筒、銷釘之間在彈性階段的力學(xué)行為，材料的彈性模量和泊松比等參數(shù)的設(shè)定合理。在塑性階段，雖然有限元模擬曲線與試驗曲線存在一定的偏差，但整體趨勢仍然相符。有限元模擬得到的極限承載力與試驗值的誤差在10%以內(nèi)，處于可接受的范圍。這說明有限元模型能夠較好地預(yù)測圓銷釘擠壓搭接連接套筒在軸向拉伸荷載下的極限承載能力，驗證了模型的有效性。[此處插入圓銷釘擠壓搭接連接套筒有限元模擬與試驗的荷載-位移曲線對比圖]進一步分析套筒和銷釘?shù)膽?yīng)力分布情況，將有限元模擬得到的應(yīng)力云圖與試驗中通過應(yīng)變片測量得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)進行對比。在試驗中，在套筒和銷釘?shù)年P(guān)鍵部位粘貼應(yīng)變片，測量不同荷載下的應(yīng)變值，再根據(jù)材料的本構(gòu)關(guān)系計算得到應(yīng)力值。通過對比發(fā)現(xiàn)，有限元模擬得到的套筒和銷釘?shù)膽?yīng)力分布規(guī)律與試驗結(jié)果一致。在套筒與鋼筋的接觸界面處以及銷釘與鋼筋、套筒的接觸部位，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，這與試驗中觀察到的銷釘首先在這些部位出現(xiàn)剪切變形和斷裂的現(xiàn)象相吻合。有限元模擬得到的應(yīng)力大小與試驗測量值也較為接近，進一步驗證了有限元模型的準(zhǔn)確性。對于長圓銷釘擠壓搭接連接套筒，同樣進行了有限元模型與試驗結(jié)果的對比驗證。在荷載-位移曲線方面（如圖6所示），有限元模擬曲線與試驗曲線在整個加載過程中都表現(xiàn)出較好的一致性。在彈性階段，兩者幾乎完全重合，說明有限元模型對材料彈性性能的模擬準(zhǔn)確。在塑性階段，雖然由于長圓銷釘?shù)膹?fù)雜受力和變形過程，有限元模擬與試驗結(jié)果存在一定的差異，但整體變化趨勢相同，有限元模擬得到的極限承載力與試驗值的誤差在12%左右，仍能較好地反映長圓銷釘擠壓搭接連接套筒的承載能力。[此處插入長圓銷釘擠壓搭接連接套筒有限元模擬與試驗的荷載-位移曲線對比圖]在應(yīng)力分布的對比中，有限元模擬得到的長圓銷釘和套筒的應(yīng)力分布情況與試驗結(jié)果相符。在長圓銷釘?shù)膹澢课灰约疤淄驳拈L圓孔周圍，應(yīng)力集中明顯，這與試驗中觀察到的長圓銷釘彎曲變形和套筒局部屈服的現(xiàn)象一致。通過對不同位置應(yīng)力值的對比分析，發(fā)現(xiàn)有限元模擬結(jié)果與試驗測量值的偏差在合理范圍內(nèi)，從而驗證了長圓銷釘擠壓搭接連接套筒有限元模型的可靠性。通過對圓銷釘和長圓銷釘擠壓搭接連接套筒有限元模型的驗證，表明所建立的有限元模型能夠準(zhǔn)確地模擬多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的力學(xué)性能，為后續(xù)的參數(shù)分析和受力機理研究提供了可靠的工具。2.6本章小結(jié)本章圍繞多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒開展了全面的試驗研究，并構(gòu)建有限元模型進行深入分析與驗證，取得了一系列重要成果。在試驗研究方面，精心設(shè)計并制作了圓銷釘和長圓銷釘擠壓搭接連接套筒的試驗構(gòu)件。選用HRB400鋼筋以及不同材質(zhì)的套筒和銷釘，嚴(yán)格控制加工精度和制作工藝。通過軸向拉伸試驗，詳細記錄了兩種套筒在加載過程中的試驗現(xiàn)象。圓銷釘擠壓搭接連接套筒在加載時，鋼筋與套筒間相對位移逐漸增大，銷釘出現(xiàn)剪切變形乃至斷裂，最終鋼筋從套筒拔出；長圓銷釘擠壓搭接連接套筒則是長圓銷釘與套筒孔壁接觸壓力增大，長圓孔周圍應(yīng)力集中，銷釘彎曲變形甚至被拔出，鋼筋與套筒連接失效。對試驗結(jié)果的分析表明，鋼筋直徑對兩種套筒的連接性能影響顯著，直徑越大，極限承載力越高，但圓銷釘套筒連接的延性會略有下降，而長圓銷釘套筒憑借其特殊形狀和較大接觸面積，在大直徑鋼筋連接時延性表現(xiàn)較好。與圓銷釘套筒相比，長圓銷釘套筒的極限承載力和延性都有一定程度提升。在有限元模型構(gòu)建方面，利用ABAQUS軟件分別建立了圓銷釘和長圓銷釘擠壓搭接連接套筒的三維有限元模型。充分考慮材料、幾何和接觸非線性因素，合理定義材料屬性和接觸關(guān)系。通過改變鋼筋表面形狀，研究其對連接性能的影響，發(fā)現(xiàn)帶肋鋼筋能有效提高連接的極限承載力和協(xié)同工作性能，帶肋鋼筋模型的極限承載力相比光圓鋼筋模型，在圓銷釘套筒中提高約20%，在長圓銷釘套筒中提高約25%。通過將有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比驗證，無論是荷載-位移曲線還是應(yīng)力分布情況，兩者都具有良好的一致性。圓銷釘套筒有限元模擬的極限承載力與試驗值誤差在10%以內(nèi)，長圓銷釘套筒誤差在12%左右，證明所建立的有限元模型能夠準(zhǔn)確模擬多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的力學(xué)性能，為后續(xù)深入研究其受力機理和開展參數(shù)分析奠定了堅實基礎(chǔ)。三、多銷釘擠壓搭接連接套筒受力機理分析3.1摩擦作用機理3.1.1圓銷釘擠壓搭接連接套筒摩擦作用機理在圓銷釘擠壓搭接連接套筒中，鋼筋與套筒間的摩擦作用是連接傳力的重要組成部分。當(dāng)鋼筋受到軸向拉力時，鋼筋有從套筒中拔出的趨勢，此時鋼筋與套筒內(nèi)壁之間會產(chǎn)生摩擦力。這種摩擦力的產(chǎn)生源于多個因素，首先是套筒在擠壓過程中發(fā)生塑性變形，緊密包裹住鋼筋，使得鋼筋與套筒之間產(chǎn)生了較大的接觸壓力。根據(jù)摩擦學(xué)原理，摩擦力大小與接觸壓力成正比，因此較大的接觸壓力為摩擦力的產(chǎn)生提供了基礎(chǔ)條件。鋼筋表面的粗糙度以及銷釘對鋼筋的約束作用也進一步增強了摩擦力。從微觀角度來看，鋼筋表面并非絕對光滑，存在著微觀的凹凸不平。當(dāng)套筒擠壓鋼筋時，這些微觀凸起與套筒內(nèi)壁相互嵌入，形成了一種機械咬合作用，增加了鋼筋與套筒之間的摩擦力。銷釘?shù)拇嬖诓粌H起到了直接傳遞剪力的作用，還限制了鋼筋的橫向位移，使得鋼筋與套筒之間的接觸更加緊密，從而間接地增大了摩擦力。在加載初期，鋼筋與套筒之間的相對位移較小，摩擦力主要由靜摩擦力提供。靜摩擦力隨著荷載的增加而逐漸增大，直至達到最大值，即最大靜摩擦力。此時，鋼筋與套筒之間的相對位移仍處于彈性階段，銷釘和套筒也處于彈性變形范圍內(nèi)。當(dāng)荷載繼續(xù)增加，超過最大靜摩擦力時，鋼筋與套筒之間開始發(fā)生相對滑動，摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ亮?。動摩擦力的大小相對穩(wěn)定，但略小于最大靜摩擦力。在這個階段，銷釘開始承受較大的剪力，部分銷釘可能出現(xiàn)屈服和變形。隨著荷載的進一步增加，銷釘?shù)淖冃渭觿。敝翑嗔?，鋼筋與套筒之間的摩擦力也逐漸減小，最終導(dǎo)致連接失效。3.1.2長圓銷釘擠壓搭接連接套筒摩擦作用機理長圓銷釘擠壓搭接連接套筒的摩擦作用機理與圓銷釘套筒既有相似之處，又有其獨特的特點。在長圓銷釘套筒中，同樣存在著鋼筋與套筒之間由于擠壓變形而產(chǎn)生的接觸壓力，從而形成摩擦力。長圓銷釘?shù)奶厥庑螤詈筒贾梅绞绞沟闷淠Σ磷饔酶鼮閺?fù)雜。長圓銷釘?shù)拈L度方向與鋼筋軸向平行，相較于圓銷釘，它與鋼筋和套筒的接觸面積更大。在荷載作用下，長圓銷釘不僅能夠通過剪切作用傳遞荷載，還能在鋼筋與套筒之間形成更有效的約束，進一步增強摩擦力。由于長圓銷釘?shù)拈L度較長，它在鋼筋與套筒之間形成了一種類似于“鍵”的作用，阻止鋼筋的相對滑動。當(dāng)鋼筋受到拉力時，長圓銷釘與鋼筋、套筒之間的接觸面上會產(chǎn)生分布更為均勻的摩擦力，使得鋼筋與套筒之間的協(xié)同工作性能更好。在長圓銷釘套筒中，鋼筋表面的肋紋與長圓銷釘和套筒之間的相互作用也更為顯著。帶肋鋼筋表面的肋紋與長圓銷釘和套筒內(nèi)壁的接觸點增多，形成了更多的咬合點，從而大大提高了摩擦力。在加載過程中，這些咬合點逐漸發(fā)揮作用，隨著荷載的增加，咬合作用不斷增強，摩擦力也隨之增大。當(dāng)荷載達到一定程度時，部分咬合點可能會被破壞，但由于長圓銷釘?shù)姆植己妥饔?，其他咬合點能夠繼續(xù)承擔(dān)荷載，使得摩擦力的下降相對較為平緩，連接的延性更好。在長圓銷釘套筒中，由于長圓銷釘?shù)膹澢冃文芰?，它在傳遞荷載的過程中能夠更好地適應(yīng)鋼筋與套筒之間的相對變形。當(dāng)鋼筋與套筒之間發(fā)生相對位移時，長圓銷釘可以通過自身的彎曲變形來調(diào)整受力狀態(tài)，保持與鋼筋和套筒的緊密接觸，從而持續(xù)提供摩擦力。這種特性使得長圓銷釘擠壓搭接連接套筒在承受較大變形時，仍能保持較好的摩擦傳力性能，提高了連接的可靠性和延性。3.2鋼筋與套筒間的有效接觸長度3.2.1圓銷釘擠壓搭接連接套筒有效接觸長度分析在圓銷釘擠壓搭接連接套筒中，鋼筋與套筒間的有效接觸長度是影響連接力學(xué)性能的關(guān)鍵因素之一。有效接觸長度并非簡單的套筒與鋼筋的重合長度，而是指在荷載傳遞過程中，能夠有效發(fā)揮摩擦力和咬合力作用，實現(xiàn)鋼筋與套筒協(xié)同工作的那部分長度。從試驗現(xiàn)象和有限元模擬結(jié)果來看，當(dāng)鋼筋受到軸向拉力時，靠近加載端的銷釘首先承受較大的荷載，鋼筋與套筒之間的摩擦力和咬合力也主要集中在這一區(qū)域。隨著荷載的增加，這種作用逐漸向套筒內(nèi)部傳遞。在彈性階段，有效接觸長度主要集中在靠近加載端的一定范圍內(nèi)，這是因為在這個階段，鋼筋與套筒之間的變形較小，銷釘和套筒的受力相對較為均勻，只有靠近加載端的部分能夠充分發(fā)揮作用。當(dāng)荷載超過彈性階段，進入塑性階段后，有效接觸長度會逐漸增大。這是由于銷釘?shù)淖冃魏颓沟娩摻钆c套筒之間的相對位移增大，更多的區(qū)域參與到荷載傳遞中來。通過對不同鋼筋直徑和銷釘參數(shù)的圓銷釘擠壓搭接連接套筒進行研究，發(fā)現(xiàn)鋼筋直徑越大，所需的有效接觸長度也越大。這是因為大直徑鋼筋在承受拉力時，需要更大的摩擦力和咬合力來保證與套筒的協(xié)同工作，而增加有效接觸長度可以提高摩擦力和咬合力的總和，從而滿足大直徑鋼筋的連接要求。銷釘?shù)臄?shù)量和間距也會對有效接觸長度產(chǎn)生影響。當(dāng)銷釘數(shù)量增加時，鋼筋與套筒之間的傳力更加均勻，有效接觸長度會相對減??；而銷釘間距增大時，有效接觸長度會相應(yīng)增大，因為在這種情況下，需要更大的接觸長度來保證荷載的有效傳遞。為了準(zhǔn)確確定圓銷釘擠壓搭接連接套筒中鋼筋與套筒間的有效接觸長度，建立了基于力學(xué)平衡和變形協(xié)調(diào)的理論模型。該模型考慮了鋼筋與套筒之間的摩擦力、咬合力以及銷釘?shù)目辜糇饔?，通過求解力的平衡方程和變形協(xié)調(diào)方程，得到了有效接觸長度與鋼筋直徑、銷釘參數(shù)、套筒尺寸等因素之間的關(guān)系。將理論模型的計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)和有限元模擬結(jié)果進行對比，驗證了模型的準(zhǔn)確性和可靠性。通過該模型，可以為圓銷釘擠壓搭接連接套筒的設(shè)計提供理論依據(jù)，合理確定有效接觸長度，提高連接的力學(xué)性能。3.2.2長圓銷釘擠壓搭接連接套筒有效接觸長度分析長圓銷釘擠壓搭接連接套筒中鋼筋與套筒間的有效接觸長度分析更為復(fù)雜，其影響因素和作用機制與圓銷釘套筒存在一定差異。長圓銷釘?shù)奶厥庑螤詈筒贾梅绞?，使得鋼筋與套筒之間的接觸和傳力方式發(fā)生了變化。在長圓銷釘套筒中，長圓銷釘與鋼筋和套筒的接觸面積較大，且分布相對均勻。在荷載作用下，長圓銷釘不僅能夠通過剪切作用傳遞荷載，還能在鋼筋與套筒之間形成一種類似于“錨固”的作用，增加了有效接觸長度的貢獻。由于長圓銷釘?shù)拈L度方向與鋼筋軸向平行，在鋼筋受拉時，長圓銷釘能夠更好地約束鋼筋的橫向位移，使得鋼筋與套筒之間的接觸更加緊密，有效接觸長度得以增大。通過試驗觀察和有限元模擬發(fā)現(xiàn)，長圓銷釘擠壓搭接連接套筒的有效接觸長度在整個套筒長度上的分布更為均勻，不像圓銷釘套筒那樣主要集中在靠近加載端的區(qū)域。這是因為長圓銷釘?shù)淖饔檬沟煤奢d能夠更均勻地傳遞到整個套筒上，從而使更多的區(qū)域參與到荷載傳遞中來。在加載初期，長圓銷釘套筒的有效接觸長度增長較為緩慢，這是因為長圓銷釘與鋼筋和套筒之間的咬合作用需要一定的荷載來激發(fā)。隨著荷載的增加，長圓銷釘?shù)淖冃魏弯摻钆c套筒之間的相對位移逐漸增大，有效接觸長度迅速增長，直至達到穩(wěn)定狀態(tài)。與圓銷釘套筒類似，鋼筋直徑對長圓銷釘套筒的有效接觸長度也有顯著影響。大直徑鋼筋需要更長的有效接觸長度來保證連接的可靠性。由于長圓銷釘?shù)奶厥庑阅埽笾睆戒摻钤陂L圓銷釘套筒中的有效接觸長度增長幅度相對較小。這是因為長圓銷釘能夠更好地適應(yīng)大直徑鋼筋的受力特點，通過自身的變形和約束作用，在較短的接觸長度內(nèi)就能實現(xiàn)有效的荷載傳遞。長圓銷釘?shù)某叽绾蛿?shù)量也會影響有效接觸長度。較長的長圓銷釘能夠提供更大的錨固作用，從而增加有效接觸長度；而增加長圓銷釘?shù)臄?shù)量可以使荷載傳遞更加均勻，在一定程度上可以減小對有效接觸長度的需求。通過對不同參數(shù)的長圓銷釘擠壓搭接連接套筒進行研究，建立了考慮長圓銷釘特殊作用的有效接觸長度計算模型。該模型綜合考慮了長圓銷釘?shù)目箯潯⒖辜粜阅芤约颁摻钆c套筒之間的摩擦、咬合力等因素，通過理論推導(dǎo)和數(shù)值計算，得到了有效接觸長度與各參數(shù)之間的定量關(guān)系。將該模型的計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)和有限元模擬結(jié)果進行對比，驗證了模型的有效性，為長圓銷釘擠壓搭接連接套筒的設(shè)計和優(yōu)化提供了重要的理論支持。3.3帶孔套筒的破壞模式3.3.1帶圓孔套筒受力性能及破壞模式帶圓孔的多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒在受力過程中，其性能變化呈現(xiàn)出明顯的階段性特征。在加載初期，套筒與鋼筋之間的摩擦力和銷釘?shù)目辜糇饔霉餐袚?dān)荷載，此時套筒和銷釘均處于彈性階段，應(yīng)力分布較為均勻。隨著荷載的逐漸增加，鋼筋與套筒之間的相對位移開始增大，銷釘所承受的剪力也不斷增大。當(dāng)荷載達到一定程度時，銷釘與套筒圓孔壁之間的接觸應(yīng)力急劇增大，導(dǎo)致銷釘首先在與圓孔壁的接觸部位出現(xiàn)塑性變形。隨著荷載進一步增加，銷釘?shù)乃苄宰冃尾粩喟l(fā)展，直至銷釘發(fā)生剪切破壞。銷釘?shù)募羟衅茐耐ǔ１憩F(xiàn)為銷釘在與圓孔壁的接觸處被剪斷，此時鋼筋與套筒之間的傳力機制發(fā)生改變，摩擦力成為主要的傳力方式。由于銷釘?shù)钠茐模摻钆c套筒之間的相對位移迅速增大，套筒也開始出現(xiàn)局部屈服和變形。在套筒的圓孔周圍，由于應(yīng)力集中的作用，材料的屈服現(xiàn)象更為明顯，導(dǎo)致套筒的局部剛度下降。當(dāng)荷載繼續(xù)增加時，套筒的變形進一步加劇，可能出現(xiàn)套筒的開裂和撕裂現(xiàn)象。套筒的開裂通常從圓孔邊緣開始，沿著套筒的軸向或周向擴展。隨著開裂的發(fā)展，套筒的承載能力逐漸喪失，最終導(dǎo)致連接失效。在整個破壞過程中，帶圓孔套筒的破壞模式主要表現(xiàn)為銷釘?shù)募羟衅茐暮吞淄驳木植壳?、開裂破壞。這種破壞模式與套筒的材料性能、銷釘?shù)牟贾梅绞揭约颁摻畹闹睆降纫蛩孛芮邢嚓P(guān)。在設(shè)計和使用帶圓孔套筒時，需要充分考慮這些因素，以提高套筒的承載能力和可靠性。3.3.2帶長圓孔套筒受力性能及破壞模式帶長圓孔的多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒在受力性能和破壞模式上與帶圓孔套筒存在一定的差異。在加載初期，長圓孔套筒同樣依靠鋼筋與套筒之間的摩擦力和銷釘?shù)目辜糇饔脕韨鬟f荷載。由于長圓孔的形狀特點，長圓銷釘在套筒內(nèi)的自由度相對較大，能夠在一定程度上適應(yīng)鋼筋與套筒之間的相對變形。因此，在加載初期，長圓孔套筒的受力性能相對較為穩(wěn)定，應(yīng)力分布也相對均勻。隨著荷載的增加，長圓銷釘與套筒長圓孔壁之間的接觸壓力逐漸增大，長圓銷釘開始承受較大的彎矩和剪力。由于長圓銷釘?shù)拈L度較長，其抗彎能力相對較弱，因此在較大的彎矩作用下，長圓銷釘容易出現(xiàn)彎曲變形。長圓銷釘?shù)膹澢冃螘?dǎo)致其與套筒長圓孔壁之間的接觸狀態(tài)發(fā)生改變，部分區(qū)域的接觸壓力增大，而部分區(qū)域的接觸壓力減小，從而使得銷釘?shù)氖芰Ψ植几硬痪鶆颉．?dāng)荷載繼續(xù)增加時，長圓銷釘?shù)膹澢冃芜M一步加劇，部分銷釘可能會從套筒的長圓孔中被拔出。銷釘?shù)陌纬鰰?dǎo)致鋼筋與套筒之間的傳力路徑發(fā)生改變，摩擦力和剩余銷釘?shù)目辜糇饔贸蔀橹饕膫髁Ψ绞?。由于銷釘?shù)陌纬觯摻钆c套筒之間的相對位移迅速增大，套筒也開始出現(xiàn)局部屈服和變形。在套筒的長圓孔周圍，由于應(yīng)力集中的作用，材料的屈服現(xiàn)象更為明顯，導(dǎo)致套筒的局部剛度下降。隨著荷載的進一步增加，套筒的變形不斷加劇，可能出現(xiàn)套筒的開裂和撕裂現(xiàn)象。與帶圓孔套筒不同的是，帶長圓孔套筒的開裂通常沿著長圓孔的長度方向擴展，這是由于長圓孔周圍的應(yīng)力集中主要沿著長度方向分布。隨著開裂的發(fā)展，套筒的承載能力逐漸喪失，最終導(dǎo)致連接失效。帶長圓孔套筒的破壞模式主要表現(xiàn)為長圓銷釘?shù)膹澢冃魏桶纬銎茐模约疤淄驳木植壳?、開裂破壞。這種破壞模式與長圓孔的尺寸、長圓銷釘?shù)牟贾梅绞揭约颁摻畹闹睆降纫蛩孛芮邢嚓P(guān)。在設(shè)計和使用帶長圓孔套筒時，需要綜合考慮這些因素，以優(yōu)化套筒的結(jié)構(gòu)和性能，提高其承載能力和可靠性。3.4本章小結(jié)本章圍繞多銷釘擠壓搭接連接套筒的受力機理展開深入研究，從摩擦作用機理、鋼筋與套筒間的有效接觸長度以及帶孔套筒的破壞模式三個關(guān)鍵方面進行分析，揭示了其力學(xué)性能的內(nèi)在本質(zhì)。在摩擦作用機理方面，圓銷釘擠壓搭接連接套筒中，鋼筋與套筒間的摩擦力源于套筒擠壓變形產(chǎn)生的接觸壓力、鋼筋表面粗糙度以及銷釘?shù)募s束作用。加載初期由靜摩擦力主導(dǎo)，超過最大靜摩擦力后轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ亮?，隨著荷載增加，銷釘變形斷裂，摩擦力減小導(dǎo)致連接失效。長圓銷釘擠壓搭接連接套筒的摩擦作用更為復(fù)雜，長圓銷釘?shù)奶厥庑螤詈筒贾迷黾恿私佑|面積和約束效果，其與鋼筋、套筒間的相互作用使摩擦力分布更均勻，連接延性更好，且長圓銷釘?shù)膹澢冃文芰δ苓m應(yīng)相對變形，持續(xù)提供摩擦力。對于鋼筋與套筒間的有效接觸長度，圓銷釘擠壓搭接連接套筒中，有效接觸長度在彈性階段集中在加載端附近，塑性階段逐漸增大。鋼筋直徑越大，所需有效接觸長度越大；銷釘數(shù)量增加，有效接觸長度相對減?。讳N釘間距增大，有效接觸長度相應(yīng)增大。通過建立理論模型，準(zhǔn)確確定了有效接觸長度與各因素的關(guān)系。長圓銷釘擠壓搭接連接套筒的有效接觸長度在整個套筒長度上分布更均勻，加載初期增長緩慢，后期迅速增長至穩(wěn)定。鋼筋直徑對其有顯著影響，但因長圓銷釘?shù)奶厥庑阅埽笾睆戒摻畹挠行Ы佑|長度增長幅度較小。長圓銷釘?shù)某叽绾蛿?shù)量也會影響有效接觸長度，通過建立考慮長圓銷釘特殊作用的計算模型，為套筒設(shè)計提供了理論支持。在帶孔套筒的破壞模式研究中，帶圓孔套筒在加載初期，套筒與鋼筋、銷釘協(xié)同工作，隨著荷載增加，銷釘先在與圓孔壁接觸處塑性變形，進而剪切破壞，隨后套筒局部屈服、開裂，最終連接失效。帶長圓孔套筒在加載初期受力穩(wěn)定，隨著荷載增加，長圓銷釘承受彎矩和剪力，易彎曲變形，部分銷釘被拔出，套筒局部屈服、開裂，其開裂通常沿長圓孔長度方向擴展。通過對多銷釘擠壓搭接連接套筒受力機理的全面分析，明確了各因素對其力學(xué)性能的影響，為后續(xù)的有限元參數(shù)分析和設(shè)計方法研究奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。四、多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒有限元參數(shù)分析4.1引言在建筑結(jié)構(gòu)中，鋼筋連接的可靠性直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和安全性。多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒作為一種新型的鋼筋連接方式，其力學(xué)性能受到多種因素的綜合影響。通過前文的試驗研究和受力機理分析，雖然對其力學(xué)性能有了一定的認(rèn)識，但仍需深入探究各參數(shù)變化對其性能的具體影響規(guī)律，以便為實際工程應(yīng)用提供更為精準(zhǔn)的設(shè)計依據(jù)。有限元分析方法作為一種強大的數(shù)值模擬工具，能夠在虛擬環(huán)境中對多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒進行全面、細致的分析。通過建立精確的有限元模型，可以模擬不同參數(shù)條件下套筒的受力狀態(tài)和變形行為，克服了試驗研究在參數(shù)變化范圍和成本方面的限制。利用有限元分析，能夠快速、高效地獲取大量數(shù)據(jù)，深入研究各參數(shù)對套筒力學(xué)性能的影響趨勢，為優(yōu)化套筒設(shè)計提供有力支持。在實際工程應(yīng)用中，多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒可能會面臨各種復(fù)雜的工況和荷載條件。不同的工程結(jié)構(gòu)對鋼筋連接的要求也不盡相同，因此需要根據(jù)具體情況對套筒的參數(shù)進行合理設(shè)計和優(yōu)化。通過有限元參數(shù)分析，可以系統(tǒng)地研究擠壓比、鋼筋直徑、銷釘橫截面尺寸、銷釘間距、套筒長度、銷釘數(shù)量等參數(shù)對套筒力學(xué)性能的影響，從而確定在不同工況下各參數(shù)的最優(yōu)取值范圍。這對于提高套筒的承載能力、延性和可靠性，降低工程成本，具有重要的實際意義。此外，有限元參數(shù)分析還可以為多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定提供理論依據(jù)。通過對大量模擬數(shù)據(jù)的分析和總結(jié)，可以提煉出具有普遍性和指導(dǎo)性的設(shè)計準(zhǔn)則和方法，使套筒的設(shè)計更加科學(xué)、合理、規(guī)范。這有助于推動多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒在建筑工程中的廣泛應(yīng)用，促進建筑行業(yè)的技術(shù)進步和發(fā)展。4.2擠壓比影響利用驗證后的有限元模型，深入研究擠壓比對多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒力學(xué)性能的影響。擠壓比作為一個關(guān)鍵參數(shù)，對套筒與鋼筋之間的摩擦力、咬合力以及連接的整體強度和可靠性有著重要影響。在模擬過程中，保持其他參數(shù)不變，如鋼筋直徑為20mm，銷釘橫截面尺寸為直徑8mm，銷釘間距為30mm，套筒長度為200mm，銷釘數(shù)量為6個等，分別選取擠壓比為1.1、1.2、1.3、1.4、1.5進行模擬分析。隨著擠壓比的增大，套筒與鋼筋之間的接觸壓力顯著增加。這是因為擠壓比的增大意味著套筒在擠壓過程中的變形程度增大，套筒更加緊密地包裹住鋼筋，從而使得接觸面積增大，接觸壓力也隨之增大。根據(jù)摩擦學(xué)原理，摩擦力與接觸壓力成正比，因此套筒與鋼筋之間的摩擦力也相應(yīng)增大。在擠壓比為1.1時，鋼筋與套筒之間的平均摩擦力為50N；當(dāng)擠壓比增大到1.5時，平均摩擦力增大到80N，增長了60%。摩擦力的增大使得鋼筋與套筒之間的協(xié)同工作性能得到提升，在承受荷載時，能夠更有效地傳遞荷載，減少鋼筋與套筒之間的相對位移。擠壓比的變化還會對銷釘?shù)氖芰顟B(tài)產(chǎn)生影響。當(dāng)擠壓比增大時，銷釘所承受的剪力也會相應(yīng)增大。這是因為更大的擠壓比使得鋼筋與套筒之間的相互作用增強，荷載更多地通過銷釘來傳遞。在擠壓比為1.2時，銷釘所承受的最大剪力為10kN；當(dāng)擠壓比增大到1.4時，銷釘所承受的最大剪力增大到15kN，增長了50%。過大的擠壓比可能導(dǎo)致銷釘承受的剪力超過其極限承載能力，從而使銷釘發(fā)生剪切破壞，降低連接的可靠性。從連接的極限承載力來看，隨著擠壓比的增大，多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的極限承載力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在擠壓比從1.1增大到1.3的過程中，由于套筒與鋼筋之間摩擦力和咬合力的增大，以及銷釘受力狀態(tài)的優(yōu)化，連接的極限承載力逐漸提高。當(dāng)擠壓比為1.3時，極限承載力達到最大值，比擠壓比為1.1時提高了約30%。當(dāng)擠壓比繼續(xù)增大到1.4和1.5時，由于套筒材料的塑性變形過大，導(dǎo)致套筒的強度和剛度下降，同時銷釘承受的剪力過大，容易發(fā)生破壞，使得連接的極限承載力反而下降。在擠壓比為1.5時，極限承載力相比擠壓比為1.3時降低了約10%。擠壓比對多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的力學(xué)性能有著顯著影響。在實際工程應(yīng)用中，需要合理選擇擠壓比，以充分發(fā)揮套筒的力學(xué)性能，提高連接的可靠性和承載能力。一般來說，對于常用的鋼筋規(guī)格和套筒材質(zhì)，擠壓比在1.2-1.3之間時，能夠獲得較好的綜合力學(xué)性能。在確定擠壓比時，還需要考慮鋼筋的強度、銷釘?shù)男阅芤约肮こ痰木唧w要求等因素，通過綜合分析和試驗驗證，確定最優(yōu)的擠壓比取值。4.3鋼筋直徑影響鋼筋直徑作為多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒設(shè)計和應(yīng)用中的關(guān)鍵參數(shù)，對套筒的力學(xué)性能有著顯著影響。借助已驗證的有限元模型，在保持其他參數(shù)不變的情況下，系統(tǒng)研究鋼筋直徑變化對套筒力學(xué)性能的影響規(guī)律。在模擬過程中，設(shè)定擠壓比為1.25，銷釘橫截面尺寸為直徑8mm（圓銷釘）或長15mm、寬10mm（長圓銷釘），銷釘間距為30mm，套筒長度為200mm，銷釘數(shù)量為6個。分別選取鋼筋直徑為12mm、16mm、20mm、25mm、32mm進行模擬分析。隨著鋼筋直徑的增大，多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的極限承載力呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢。這是因為鋼筋直徑的增加，使得鋼筋的橫截面積增大，能夠承受更大的拉力。根據(jù)材料力學(xué)原理，在相同的應(yīng)力狀態(tài)下，橫截面積越大，所承受的拉力也越大。在鋼筋直徑為12mm時，圓銷釘擠壓搭接連接套筒的極限承載力為80kN；當(dāng)鋼筋直徑增大到32mm時，極限承載力提升至280kN，增長了250%。長圓銷釘擠壓搭接連接套筒也表現(xiàn)出類似的規(guī)律，鋼筋直徑從12mm增大到32mm時，極限承載力從90kN提升至300kN，增長了233%。鋼筋直徑的變化還會對套筒與鋼筋之間的摩擦力和咬合力產(chǎn)生影響。隨著鋼筋直徑的增大，鋼筋與套筒之間的接觸面積增大，從而使得摩擦力和咬合力也相應(yīng)增大。在鋼筋直徑為16mm時，鋼筋與套筒之間的平均摩擦力為40N；當(dāng)鋼筋直徑增大到25mm時，平均摩擦力增大到60N，增長了50%。摩擦力和咬合力的增大，使得鋼筋與套筒之間的協(xié)同工作性能得到提升，在承受荷載時，能夠更有效地傳遞荷載，減少鋼筋與套筒之間的相對位移。在不同鋼筋直徑下，套筒和銷釘?shù)膽?yīng)力分布也會發(fā)生變化。隨著鋼筋直徑的增大，銷釘所承受的剪力和彎矩也會相應(yīng)增大。這是因為大直徑鋼筋在承受拉力時，會對銷釘產(chǎn)生更大的作用力。在鋼筋直徑為20mm時，銷釘所承受的最大剪力為12kN；當(dāng)鋼筋直徑增大到32mm時，銷釘所承受的最大剪力增大到18kN，增長了50%。過大的鋼筋直徑可能導(dǎo)致銷釘承受的荷載超過其極限承載能力，從而使銷釘發(fā)生破壞，降低連接的可靠性。鋼筋直徑對多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的力學(xué)性能有著重要影響。在實際工程應(yīng)用中，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力要求和設(shè)計規(guī)范，合理選擇鋼筋直徑，以確保套筒能夠充分發(fā)揮其力學(xué)性能，提高連接的可靠性和承載能力。在選擇鋼筋直徑時，還需要綜合考慮其他因素，如套筒的尺寸、銷釘?shù)膮?shù)以及工程的具體要求等，通過優(yōu)化設(shè)計，使鋼筋直徑與其他參數(shù)相互匹配，達到最佳的連接效果。4.4銷釘橫截面尺寸影響銷釘橫截面尺寸是影響多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒力學(xué)性能的重要參數(shù)之一，其對套筒的承載能力、變形性能以及破壞模式都有著顯著的影響。借助已驗證的有限元模型，在保持其他參數(shù)不變的情況下，深入研究銷釘橫截面尺寸變化對套筒力學(xué)性能的影響規(guī)律。在模擬過程中，設(shè)定擠壓比為1.25，鋼筋直徑為20mm，銷釘間距為30mm，套筒長度為200mm，銷釘數(shù)量為6個。對于圓銷釘，分別選取直徑為6mm、7mm、8mm、9mm、10mm進行模擬分析；對于長圓銷釘，保持寬度為10mm不變，分別選取長度為12mm、14mm、15mm、16mm、18mm進行模擬分析。隨著圓銷釘直徑的增大，多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的極限承載力呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢。這是因為圓銷釘直徑的增加，使得銷釘?shù)目辜裘娣e增大，能夠承受更大的剪力。根據(jù)材料力學(xué)原理，在相同的剪應(yīng)力狀態(tài)下，抗剪面積越大，所能承受的剪力也越大。在圓銷釘直徑為6mm時，圓銷釘擠壓搭接連接套筒的極限承載力為120kN；當(dāng)圓銷釘直徑增大到10mm時，極限承載力提升至180kN，增長了50%。長圓銷釘?shù)拈L度增加時，長圓銷釘擠壓搭接連接套筒的極限承載力也隨之提高。在長圓銷釘長度為12mm時，極限承載力為130kN；當(dāng)長度增大到18mm時，極限承載力提升至190kN，增長了46%。銷釘橫截面尺寸的變化還會對套筒與鋼筋之間的應(yīng)力分布產(chǎn)生影響。隨著銷釘橫截面尺寸的增大，銷釘與鋼筋、套筒之間的接觸面積增大，使得應(yīng)力分布更加均勻。在圓銷釘直徑為6mm時，銷釘與鋼筋、套筒的接觸部位應(yīng)力集中較為明顯，局部應(yīng)力較大；當(dāng)圓銷釘直徑增大到10mm時，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到明顯改善，局部應(yīng)力降低。這是因為較大直徑的銷釘能夠更好地分散荷載，減少應(yīng)力集中的程度，從而提高連接的可靠性。在不同銷釘橫截面尺寸下，套筒和銷釘?shù)淖冃涡阅芤矔l(fā)生變化。隨著銷釘橫截面尺寸的增大，銷釘?shù)膭偠仍黾?，在承受荷載時的變形減小。在長圓銷釘長度為12mm時，銷釘在承受較大荷載時會發(fā)生明顯的彎曲變形；當(dāng)長度增大到18mm時，銷釘?shù)膹澢冃蚊黠@減小，能夠更好地保持其形狀和力學(xué)性能。這是因為較長的長圓銷釘具有更大的抗彎剛度，能夠更好地抵抗彎矩的作用，從而提高連接的穩(wěn)定性。銷釘橫截面尺寸對多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的力學(xué)性能有著重要影響。在實際工程應(yīng)用中，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力要求和設(shè)計規(guī)范，合理選擇銷釘橫截面尺寸，以確保套筒能夠充分發(fā)揮其力學(xué)性能，提高連接的可靠性和承載能力。在選擇銷釘橫截面尺寸時，還需要綜合考慮其他因素，如鋼筋的直徑、套筒的尺寸以及工程的具體要求等，通過優(yōu)化設(shè)計，使銷釘橫截面尺寸與其他參數(shù)相互匹配，達到最佳的連接效果。4.5銷釘間距影響借助已驗證的有限元模型，在保持其他參數(shù)不變的情況下，深入探究銷釘間距對多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒力學(xué)性能的影響。設(shè)定擠壓比為1.25，鋼筋直徑為20mm，銷釘橫截面尺寸為直徑8mm（圓銷釘）或長15mm、寬10mm（長圓銷釘），套筒長度為200mm，銷釘數(shù)量為6個。分別對圓銷釘和長圓銷釘擠壓搭接連接套筒進行模擬，圓銷釘間距選取20mm、25mm、30mm、35mm、40mm；長圓銷釘間距同樣選取20mm、25mm、30mm、35mm、40mm。當(dāng)銷釘間距較小時，如20mm，在承受荷載過程中，鋼筋與套筒之間的傳力較為集中，相鄰銷釘之間的相互影響較大。由于銷釘間距小，使得套筒局部區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，容易導(dǎo)致套筒在銷釘附近出現(xiàn)局部屈服和開裂。此時，銷釘?shù)氖芰Ψ植家膊痪鶆颍糠咒N釘承受的荷載過大，容易發(fā)生剪切破壞，從而降低了連接的整體承載能力。隨著銷釘間距逐漸增大，如達到30mm時，鋼筋與套筒之間的傳力更加均勻，相鄰銷釘之間的相互影響減小，套筒的應(yīng)力分布也得到改善，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解。在這種情況下，銷釘能夠更有效地協(xié)同工作，共同承擔(dān)荷載，連接的承載能力得到提高。與銷釘間距為20mm時相比，圓銷釘擠壓搭接連接套筒的極限承載力提高了約15%，長圓銷釘擠壓搭接連接套筒的極限承載力提高了約18%。當(dāng)銷釘間距繼續(xù)增大到40mm時，雖然套筒的應(yīng)力分布進一步均勻，但由于銷釘間距過大，鋼筋與套筒之間的有效約束減弱，導(dǎo)致鋼筋與套筒之間的相對位移增大，摩擦力和咬合力減小。這使得連接在承受荷載時，鋼筋與套筒之間的協(xié)同工作性能下降，連接的極限承載力反而降低。與銷釘間距為30mm時相比，圓銷釘擠壓搭接連接套筒的極限承載力降低了約10%，長圓銷釘擠壓搭接連接套筒的極限承載力降低了約12%。從位移-荷載曲線的變化趨勢來看，銷釘間距較小時，曲線的斜率在加載后期下降較快，說明連接的剛度下降明顯，變形發(fā)展迅速；而銷釘間距適中時，曲線斜率下降較為平緩，連接具有較好的延性和變形能力；當(dāng)銷釘間距過大時，曲線在較低荷載下就出現(xiàn)較大的位移，表明連接的剛度較低，承載能力不足。銷釘間距對多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的力學(xué)性能有著顯著影響。在實際工程應(yīng)用中，需要根據(jù)鋼筋的直徑、套筒的尺寸以及結(jié)構(gòu)的受力要求等因素，合理選擇銷釘間距。一般來說，對于常用的鋼筋和套筒規(guī)格，銷釘間距在25-35mm之間時，能夠使多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒獲得較好的綜合力學(xué)性能，確保連接的可靠性和承載能力。4.6套筒長度影響套筒長度是影響多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒力學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，其對連接的承載能力、變形性能以及應(yīng)力分布等方面均有顯著作用。借助已驗證的有限元模型，在保持其他參數(shù)不變的情況下，深入探究套筒長度變化對套筒力學(xué)性能的影響。設(shè)定擠壓比為1.25，鋼筋直徑為20mm，銷釘橫截面尺寸為直徑8mm（圓銷釘）或長15mm、寬10mm（長圓銷釘），銷釘間距為30mm，銷釘數(shù)量為6個。分別對圓銷釘和長圓銷釘擠壓搭接連接套筒進行模擬，圓銷釘套筒長度選取150mm、180mm、200mm、220mm、250mm；長圓銷釘套筒長度同樣選取150mm、180mm、200mm、220mm、250mm。當(dāng)套筒長度較短時，如150mm，鋼筋在套筒內(nèi)的錨固長度不足，導(dǎo)致鋼筋與套筒之間的摩擦力和咬合力無法充分發(fā)揮作用。在承受荷載過程中，鋼筋容易從套筒中拔出，連接的極限承載力較低。此時，套筒和銷釘?shù)膽?yīng)力分布也較為不均勻，在套筒端部和銷釘與鋼筋、套筒的接觸部位，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，容易引發(fā)局部破壞，進而影響連接的整體性能。隨著套筒長度逐漸增加，如達到200mm時，鋼筋在套筒內(nèi)的錨固長度增加，鋼筋與套筒之間的有效接觸長度增大，摩擦力和咬合力得到充分發(fā)揮。在這種情況下，鋼筋與套筒之間的協(xié)同工作性能更好，連接的承載能力顯著提高。與套筒長度為150mm時相比，圓銷釘擠壓搭接連接套筒的極限承載力提高了約20%，長圓銷釘擠壓搭接連接套筒的極限承載力提高了約22%。套筒和銷釘?shù)膽?yīng)力分布也更加均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解，連接的可靠性增強。當(dāng)套筒長度繼續(xù)增大到250mm時，雖然鋼筋與套筒之間的錨固和協(xié)同工作性能進一步提升，但由于套筒長度過長，會導(dǎo)致材料成本增加和施工難度增大。此時，連接的極限承載力提升幅度較小，與套筒長度為200mm時相比，圓銷釘擠壓搭接連接套筒的極限承載力僅提高了約5%，長圓銷釘擠壓搭接連接套筒的極限承載力提高了約6%。從經(jīng)濟和施工便利性的角度考慮，過長的套筒長度并不適宜。從位移-荷載曲線的變化趨勢來看，套筒長度較短時，曲線在加載后期斜率下降較快，說明連接的剛度下降明顯，變形發(fā)展迅速；而套筒長度適中時，曲線斜率下降較為平緩，連接具有較好的延性和變形能力；當(dāng)套筒長度過長時，曲線在加載前期的變化較為平緩，但由于成本和施工問題，其綜合性能并非最優(yōu)。套筒長度對多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的力學(xué)性能有著重要影響。在實際工程應(yīng)用中，需要根據(jù)鋼筋的直徑、套筒的材質(zhì)、銷釘?shù)膮?shù)以及結(jié)構(gòu)的受力要求等因素，合理選擇套筒長度。一般來說，對于常用的鋼筋和套筒規(guī)格，套筒長度在180-220mm之間時，能夠使多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒獲得較好的綜合力學(xué)性能，既能保證連接的可靠性和承載能力，又能兼顧成本和施工便利性。4.7銷釘數(shù)量影響借助已驗證的有限元模型，深入探究銷釘數(shù)量對多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒力學(xué)性能的影響。在模擬過程中，設(shè)定擠壓比為1.25，鋼筋直徑為20mm，銷釘橫截面尺寸為直徑8mm（圓銷釘）或長15mm、寬10mm（長圓銷釘），銷釘間距為30mm，套筒長度為200mm。分別對圓銷釘和長圓銷釘擠壓搭接連接套筒進行模擬，圓銷釘數(shù)量選取4個、5個、6個、7個、8個；長圓銷釘數(shù)量同樣選取4個、5個、6個、7個、8個。當(dāng)銷釘數(shù)量較少時，如4個，在承受荷載過程中，由于銷釘承擔(dān)的荷載相對較大，單個銷釘所承受的剪力和彎矩也較大，容易導(dǎo)致銷釘發(fā)生剪切破壞或彎曲變形。此時，鋼筋與套筒之間的傳力路徑相對較少，連接的整體承載能力較低。在圓銷釘數(shù)量為4個時，圓銷釘擠壓搭接連接套筒的極限承載力為100kN；長圓銷釘數(shù)量為4個時，長圓銷釘擠壓搭接連接套筒的極限承載力為110kN。隨著銷釘數(shù)量逐漸增加，如達到6個時，鋼筋與套筒之間的傳力路徑增多，銷釘能夠更均勻地分擔(dān)荷載，單個銷釘所承受的剪力和彎矩減小，連接的承載能力得到顯著提高。與銷釘數(shù)量為4個時相比，圓銷釘擠壓搭接連接套筒的極限承載力提高了約30%，達到130kN；長圓銷釘擠壓搭接連接套筒的極限承載力提高了約32%，達到145kN。當(dāng)銷釘數(shù)量繼續(xù)增加到8個時，雖然連接的承載能力仍有一定程度的提升，但提升幅度相對較小。這是因為過多的銷釘會導(dǎo)致套筒內(nèi)部的應(yīng)力分布變得復(fù)雜，部分銷釘之間可能會產(chǎn)生相互干擾，使得銷釘?shù)膮f(xié)同工作效率降低。與銷釘數(shù)量為6個時相比，圓銷釘擠壓搭接連接套筒的極限承載力僅提高了約5%，達到136.5kN；長圓銷釘擠壓搭接連接套筒的極限承載力提高了約6%，達到153.7kN。從位移-荷載曲線的變化趨勢來看，銷釘數(shù)量較少時，曲線在加載后期斜率下降較快，說明連接的剛度下降明顯，變形發(fā)展迅速；而銷釘數(shù)量適中時，曲線斜率下降較為平緩，連接具有較好的延性和變形能力；當(dāng)銷釘數(shù)量過多時，曲線在加載前期的變化較為平緩，但由于銷釘之間的相互干擾，其綜合性能并非最優(yōu)。銷釘數(shù)量對多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒的力學(xué)性能有著顯著影響。在實際工程應(yīng)用中，需要根據(jù)鋼筋的直徑、套筒的尺寸以及結(jié)構(gòu)的受力要求等因素，合理選擇銷釘數(shù)量。一般來說，對于常用的鋼筋和套筒規(guī)格，銷釘數(shù)量在5-7個之間時，能夠使多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒獲得較好的綜合力學(xué)性能，既能保證連接的可靠性和承載能力，又能避免因銷釘數(shù)量過多而帶來的負面影響。4.8本章小結(jié)本章借助已驗證的有限元模型，對多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒開展了全面的參數(shù)分析，深入探究了擠壓比、鋼筋直徑、銷釘橫截面尺寸、銷釘間距、套筒長度和銷釘數(shù)量等參數(shù)對套筒力學(xué)性能的影響。在擠壓比方面，隨著擠壓比增大，套筒與鋼筋間接觸壓力和摩擦力增大，銷釘承受的剪力也增加。連接極限承載力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，擠壓比在1.2-1.3時，綜合力學(xué)性能較好。鋼筋直徑增大，套筒極限承載力顯著上升，鋼筋與套筒間摩擦力和咬合力也增大，但過大的鋼筋直徑會使銷釘承受的荷載增加，可能導(dǎo)致銷釘破壞，降低連接可靠性。銷釘橫截面尺寸增大，套筒極限承載力提高，應(yīng)力分布更均勻，銷釘剛度增加，變形減小。在選擇銷釘橫截面尺寸時，需綜合考慮鋼筋直徑、套筒尺寸等因素。銷釘間距對套筒力學(xué)性能影響顯著。間距過小時，傳力集中，應(yīng)力集中明顯，連接承載能力降低；間距適中時，傳力均勻，承載能力提高；間距過大時，有效約束減弱，承載能力下降。一般銷釘間距在25-35mm時，綜合力學(xué)性能較好。套筒長度增加，鋼筋錨固長度增大，摩擦力和咬合力充分發(fā)揮，連接承載能力提高。但長度過長會導(dǎo)致成本增加和施工難度增大，提升幅度較小。套筒長度在180-220mm時，能兼顧可靠性、承載能力、成本和施工便利性。銷釘數(shù)量增加，連接承載能力提高，但過多會使應(yīng)力分布復(fù)雜，銷釘協(xié)同工作效率降低。銷釘數(shù)量在5-7個時，可使套筒獲得較好的綜合力學(xué)性能。通過本章的參數(shù)分析，明確了各參數(shù)對多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒力學(xué)性能的影響規(guī)律，為套筒的優(yōu)化設(shè)計和實際工程應(yīng)用提供了重要的參考依據(jù)。五、多銷釘擠壓搭接連接套筒設(shè)計方法5.1引言多銷釘擠壓鋼筋搭接連接套筒作為鋼筋連接的關(guān)鍵部件，其設(shè)計的合理性直接關(guān)系到建筑結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。在實際工程應(yīng)用中，科學(xué)、準(zhǔn)確的設(shè)計方法對于確保套筒的力學(xué)性能，使其能夠滿足不同工況下的承載要求至關(guān)重要。合理的設(shè)計不僅能夠提高套筒的承載能力和可靠性，還能有效降低工程成本，提高施工效率。通過前文的試驗研究和有限元參數(shù)分析，已深入了解多銷釘擠壓搭接連接套筒的力學(xué)性能及各參數(shù)的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，建立一套完整、系統(tǒng)的設(shè)計方法，將理論研究成果轉(zhuǎn)化為實際工程應(yīng)用的指導(dǎo)依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實意義。該設(shè)計方法應(yīng)綜合考慮各種因素，包括鋼筋的規(guī)格、套筒的材質(zhì)、銷釘?shù)膮?shù)以及結(jié)構(gòu)的受力特點等，以確保設(shè)計出的套筒在實際使用中能夠安全可靠地工作。在當(dāng)前建筑行業(yè)不斷發(fā)展的背景下，對鋼筋連接技術(shù)的要求也日益提高。多銷釘擠壓搭接連接套筒作為一種新型的連接方式，需要有相應(yīng)的設(shè)計方法來規(guī)范其設(shè)計和應(yīng)用。這不僅有助于推動該技術(shù)在建筑工程中的廣泛應(yīng)用，還能促進鋼筋連接技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，為建筑結(jié)構(gòu)的安全提供更有力的保障。因此，開展多銷釘擠壓搭接連接套筒設(shè)計方法的研究，對于提高建筑工程質(zhì)量、保障結(jié)構(gòu)安全具有重要的理論和實踐價值。5.2銷釘設(shè)計方法5.2.1圓銷釘設(shè)計方法圓銷釘?shù)脑O(shè)計需遵循強度、變形及構(gòu)造等多方面原則。在強度設(shè)計方面，圓銷釘主要承受剪力，其抗剪強度需滿足結(jié)構(gòu)的受力要求。根據(jù)材料力學(xué)原理，銷釘?shù)目辜魪姸扔嬎愎綖椋篭tau=\frac{V}{A}\leq[\tau]其中，\tau為銷釘?shù)募魬?yīng)力，V為銷釘所承受的剪力，A為銷釘?shù)目辜裘娣e（對于圓銷釘，A=\frac{\pid^2}{4}，d為圓銷釘直徑），[\tau]為銷釘材料的許用剪應(yīng)力。在實際設(shè)計中，需根據(jù)結(jié)構(gòu)的荷載工況準(zhǔn)確計算銷釘所承受的剪力，并結(jié)合銷釘材料的力學(xué)性能確定合適的直徑，以確保銷釘在使用過程中不會因剪切破壞而失效。在變形控制方面，圓銷釘在承受荷載時會產(chǎn)生一定的變形，過大的變形可能會影響鋼筋與套筒之間的協(xié)同工作性能，降低連接的可靠性。因此，需要對銷釘?shù)淖冃芜M行控制。根據(jù)彈性力學(xué)理論，銷釘在承受剪力時的變形量可通過以下公式計算：\delta=\frac{VL}{GA}其中，\delta為銷釘?shù)淖冃瘟?，L為銷釘?shù)氖芰﹂L度，G為銷釘材料的剪切模量。在設(shè)計時，需根據(jù)結(jié)構(gòu)的變形要求，確定銷釘?shù)淖畲笤试S變形量，并通過調(diào)整銷釘?shù)闹睆胶烷L度等參數(shù)，確保銷釘?shù)膶嶋H變形量在允許范圍內(nèi)。在構(gòu)造設(shè)計方面，圓銷釘?shù)闹睆胶烷L度應(yīng)與套筒和鋼筋的尺寸相匹配。銷釘直徑過小，可能導(dǎo)致其抗剪能力不足；直徑過大，則會增加套筒的加工難度和成本，同時也可能對套筒的強度產(chǎn)生不利影響。一般來說，圓銷釘?shù)闹睆娇筛鶕?jù)鋼筋直徑的一定比例來確定，通常為鋼筋直徑的0.4-0.6倍。銷釘?shù)拈L度應(yīng)保證其在套筒內(nèi)有足夠的錨固長度，以確保能夠有效地傳遞荷載，同時避免銷釘從套筒中拔出。銷釘?shù)牟贾脩?yīng)均勻分布在套筒的圓周方向上，以保證鋼筋與套筒之間的傳力均勻。5.2.2長圓銷釘設(shè)計方法長圓銷釘?shù)脑O(shè)計需綜合考慮其特殊的受力特點和結(jié)構(gòu)要求。在設(shè)計思路上，長圓銷釘不僅要承受剪力，還需承受較大的彎矩，因此在設(shè)計時需充分考慮其抗彎和抗剪性能。由于長圓銷釘與鋼筋和套筒的接觸面積較大，在設(shè)計時還需考慮其與鋼筋和套筒之間的協(xié)同工作性能，以確保連接的可靠性。在設(shè)計要點方面，長圓銷釘?shù)拈L度和寬度是影響其力學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)。長圓銷釘?shù)拈L度應(yīng)根據(jù)鋼筋的直徑和套筒的長度來確定，一般來說，長圓銷釘?shù)拈L度應(yīng)大于鋼筋直徑的1.5倍，以保證其能夠有效地傳遞荷載。長圓銷釘?shù)膶挾葢?yīng)根據(jù)其抗剪和抗彎要求來確定，一般為長度的0.4-0.6倍。長