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    淺述鋼筋連接用灌漿套筒的設計與應用

     

    發布時間:2023-12-11    字號:【

     一、鋼筋連接用灌漿套筒概述

     

    灌漿套筒鋼筋接頭技術發明于上世紀60年代,主要應用于裝配式建筑豎向構件以及梁鋼筋連接。灌漿套筒是一種新型的鋼筋節點連接裝置,具有安裝簡便、連接可靠、便于施工、造價低廉、適用范圍廣等優點,在現代建筑中得到了廣泛應用。在中國,隨著近十多年來裝配式建筑的大力推廣,鋼筋連接用灌漿套筒技術的不斷進步帶動了整個行業的進一步革新和技術進步。根據灌漿套筒的設計以及制造工藝,逐步形成了球墨鑄鐵灌漿套筒、鋼制灌漿套筒、金屬波紋管灌漿套筒等類別。

     

    球墨鑄鐵灌漿套筒主要是利用球墨鑄鐵的高強度、良好的韌性、抗裂性以及鑄造工藝易于復雜結構成型等特性,使其在承受大荷載的同時,能夠保證套筒本身不發生開裂或損壞。

     

    鋼制灌漿套筒一般選用優質碳素結構鋼、碳素結構鋼、低合金高強度結構鋼、合金結構鋼、冷拔或冷拔無縫鋼管、結構用無縫鋼管,通過冷擠壓或輥壓成型。加工效率高,易實現批量自動化生產。也可選用鋼棒通過車削加工方式,掏空并加工出內凸肋結構,這種深孔加工效率低,加工成本高。

     

    金屬波紋管套筒一般用于鋼筋搭接漿錨連接。

     

    二、灌漿套筒的設計要點

     

    1、肋結構的合理設計

     

    根據力的傳遞關系,全灌漿套筒的鋼筋拉力是通過固化的灌漿料傳遞到套筒,經由套筒傳遞到灌漿料,再傳遞到對接錨固的另一根鋼筋。半灌漿套筒則相對簡單,機械連接螺紋端鋼筋拉力通過螺紋連接直接傳遞到套筒,經由套筒傳遞到灌漿料,再由灌漿料傳遞到對接的另一根鋼筋。

     

    不論是半灌漿還是全灌漿套筒,鋼筋的拉力都要經過灌漿料這個中間介質傳遞,因此,肋結構的設計應首先從灌漿料角度去考慮。水泥基灌漿料本身什么樣的結構受力更好,更不易被破壞,這是設計套筒肋結構的關鍵,否則灌漿料在受力過程中發生破碎脫出,力傳遞環節將直接失效,鋼筋被拔出。

     

    套筒肋結構中肋寬不可過窄,肋形宜設計為兩側內凹的圓弧形,有利于力的發散分布與傳遞。頂部也應采用圓弧設計,減少灌漿料因應力集中斷裂的情況發生。

     

    螺旋肋結構更優于環狀肋結構。從有效錨固段灌漿料的橫截面分析,螺旋肋結構的灌漿料是等截面分布,力傳遞以及力分布更科學,灌漿料不易發生碎裂破壞。

     

    2、套筒壁厚設計

     

    套筒壁厚設計并不是越厚越好。根據JG/T 398-2019《鋼筋連接用灌漿套筒》行業標準以及JGJ 355-2015《鋼筋套筒灌漿連接應用技術規程》(2023年版),在滿足受力系數的前提下,并符合標準規定的最小壁厚即可。壁厚過厚浪費材料且不環保。

     

    3、套筒直徑設計

     

    套筒直徑設計并不是越大越好。根據JG/T 408-2019《鋼筋連接用套筒灌漿料》行業標準,灌漿料具有微膨特性。套筒直徑設計參照JG/T 398-2019《鋼筋連接用灌漿套筒》行業標準以及JGJ 355-2015《鋼筋套筒灌漿連接應用技術規程》(2023年版),滿足套筒最小內徑與被連接鋼筋公稱直徑的差值要求即可。直徑設計過大,灌漿料硬化過程中膨脹量同比增加,灌漿料用量也會增大,增加套筒的使用成本。

     

    4、灌漿嘴位置設置應考慮墻、柱底部鋼筋加密設計,灌漿嘴下方至少應預留一圈箍筋的綁扎空間。同樣,灌漿嘴不宜設置過高,否則可能會在灌漿時套筒灌漿嘴下方存留空氣,不論初凝前存留空氣是否能上升到頂部,這都將導致灌漿不飽滿,從而影響錨固強度。

     

    5、套筒長度參照JG/T 398-2019《鋼筋連接用灌漿套筒》行業標準以及JGJ 355-2015《鋼筋套筒灌漿連接應用技術規程》(2023年版)設計。

     

    三、球墨鑄鐵灌漿套筒與機械加工灌漿套筒、鋼管擠壓成型灌漿套筒優缺點對比

     

    灌漿套筒按連接方式可分為半灌漿套筒和全灌漿套筒。按照所用材質又可分為球墨鑄鐵灌漿套筒、機械加工灌漿套筒、鋼管擠壓成型灌漿套筒等。灌漿套筒接頭檢測標準均為鋼筋斷于套筒外(非滾絲處)或達到1.15倍(或1.1倍)鋼筋力值。分別參考JG/T 398-2019《鋼筋連接用灌漿套筒》行業標準以及JGJ 355-2015《鋼筋套筒灌漿連接應用技術規程》(2023年版)。

     

    球墨鑄鐵灌漿套筒

    球墨鑄鐵灌漿套筒采用高強度、良好韌性的球墨鑄鐵材料制作而成,球墨鑄鐵易于復雜結構成型,適合承受動靜荷載。球墨鑄鐵灌漿套筒還具有安裝簡便、適用范圍廣等優點,因此在現代建筑中得到了廣泛應用。

     

    機械加工灌漿套筒

    機械加工灌漿套筒通常采用高強度的鋼材加工而成,具有較高的抗拉強度和抗壓強度。但是,機械加工灌漿套筒的成本較高,且在加工過程中容易產生金屬碎屑和毛刺,影響套筒的質量和性能。此外,機械加工灌漿套筒的直徑和長度等參數需要根據實際需求進行定制。

     

    鋼管擠壓成型灌漿套筒

    鋼管擠壓成型灌漿套筒是采用鋼管材料通過擠壓成型工藝制作而成的一種灌漿套筒。這種套筒具有較高的抗拉強度和抗壓強度,同時成本相對較低的優點。缺點是鋼管在冷擠壓成型過程中存在開裂風險,特別是半灌漿套筒螺紋連接端的縮口工藝中,需在生產工藝中加以控制。

     

    四、灌漿套筒的受力分析

     

    為了清楚地了解套筒在使用中的應力、應變情況,分別以球墨鑄鐵半、全灌漿套筒為例,利用軟件有限元模擬靜應力、應變分析如下:

     

    球墨鑄鐵半灌漿套筒

    ?

    透視圖

    夾具及加力圖

     

    網格圖

     

    應力分析圖

     

    應變分析圖

     

    從分析結果可以看到,球墨鑄鐵半灌漿套筒中段以下部分受力很小、均處于低應力區,高應力主要分布在套筒出漿口的薄弱區域。設計套筒時應重點考慮此區域的受力情況并做驗算。

     

    球墨鑄鐵全灌漿套筒

     

    透視圖

     

    夾具及加力圖

     

     

    網格

     

    應力分析圖

     

    應力分析圖

     

    從分析結果可以看到,球墨鑄鐵全灌漿套筒兩段部分受力很小、均處于低應力區,高應力區主要分布在套筒中部擋釘口的薄弱區域。設計套筒時應重點考慮此區域的受力情況并做驗算。

     

    五、灌漿套筒應用誤區

     

    1、鋼筋灌漿套筒實際應用中鋼筋下料長度設計誤區

     

    鋼筋灌漿套筒的實際應用中,會遇到設計已按某款套筒確定了設計方案,但實際項目應用中可能會選用其他款套筒產品。因為每家產品設計所選用套筒產品長度與設計方案中套筒在長度會有小幅差異。往往設計者會存有一個錯誤的思路,即套筒的長度加長或縮短鋼筋下料也要隨之縮短或加長,但實際上并不是這樣。

     

    鋼筋長度L計算公式如下:

    L鋼筋=L錨固(插入長度)+h坐漿層高+H結構板+H墻板(柱)-20(調整間隙)-L錨固(插入長度)

    =H結構板+H墻板(柱)+h坐漿層高-20(調整間隙)

     

    從長度計算公式中可以看出,鋼筋下料長度L鋼筋與套筒長度L套筒并不相關。因此,套筒長度變更并不會影響鋼筋下料長度,也就是說,無需在設計中進行鋼筋長度的再計算與變更。套筒長度增加或減少僅改變了鋼筋插入套筒的深度,錨固長度隨之改變,只要錨固長度滿足規范規定即可。

    2、半灌漿套筒鋼筋滾絲誤區

    鋼筋滾絲長度并非長就好,應以按設計要求長度滾絲后鋼筋擰入并達到預緊力值后滾絲段剛好沒入套筒螺紋連接端,或外露不超過1.5倍螺距為準,即不超過1.5圈為宜。滾絲質量直接影響鋼筋的連接可靠性,錯誤或不當的絲頭將直接導致鋼筋連接無效。

    a)由于滾絲輪磨損或使用錯誤滾絲輪造成鋼筋螺紋滾花損壞

     

     

    b)滾絲機調整不當導致螺紋過短或過長

     

     

    c)合格的螺紋

     

     

    d)鋼筋應采用冷切鋸、切割片等鋸切方式,確保切口基本平整,不可采用剪切、沖切或氣割等方式下料,以免影響滾絲以及鋼筋預裝。

     

     

    3、預制構件出漿口管口留置誤區

     

    預制構件套筒預安裝時,安裝工往往認為出漿口管口與灌漿口的引出管口都是對準套筒漿口平行留置,這是個誤區。因為在灌漿時,灌漿料到達出漿口下緣時就會從出漿口溢出。為了更好地確保更好的灌漿飽滿度,應如圖將管口留置于高于出漿口不小于20mm的位置,這樣引管中的漿料在套筒漿料有少量漏出時自動補灌入套筒內,有效地確保套筒內漿料的飽滿度,更好地確保了鋼筋錨固連接的可靠性。

     

    灌漿套筒的出漿孔頂部低于灌漿套筒的頂部,在實際施工中要求灌漿套筒做到全部密實灌滿是無法實現的。一般套筒設計均以出漿孔內孔下緣作為錨固長度計算頂點。這個部位有空腔并不會影響鋼筋的錨固連接強度。因此,不應糾結于整個灌漿套筒是否被密實灌滿,而應該重點關注鋼筋有效錨固長度范圍內是否密實灌滿。

     

    4、套筒預安裝誤區

     

    在日常銷售中,有部分客戶反饋套筒在模具中固定不牢,套筒移位導致混凝土澆筑時會有混凝土漏進套筒。實際上這是對套筒固定工裝及套筒塞使用方法的錯誤理解。套筒固定工裝主要作用是定位套筒,套筒塞主要作用是鋼筋定心,而不是用來固定套筒或鋼筋。特別是柱構件等,鋼筋籠及套筒更易發生移位問題。因此,在鋼筋籠綁扎和套筒預安裝時需要對套筒及鋼筋進行加固和支撐,以減輕鋼筋下塌對套筒的拉動以及鋼筋的移位造成的套筒塞及套筒固定工裝脫出,避免澆筑時混凝土漏進入套筒導致的堵塞。

     

    六、倒插法技術分析

     

    剪力墻、柱等豎向鋼筋采用灌漿套筒連接時,一般均采用墻下預埋套筒的工法,在構件生產以及現場安裝操作存在一些缺點:

     

    1、構件生產時需要預留注漿孔,墻體表面留置導管管口,無疑增大了生產難度;

     

    2、設計套筒時需在筒壁側面預留灌漿口、出漿口,因此必須加大套筒壁厚來彌補因開孔減少的薄弱面橫截面面積,套筒生產成本提高,加工難度增加;

     

    3、在構件吊裝時套筒底孔在吊裝的構件底部,難對準下層伸出的預留鋼筋,安裝較為困難,耗時較多;

     

    4、套筒灌漿作業時,操作有一定的難度,漿料飽滿度檢查一直是個難題。質量控制依賴于灌漿工的責任心和技術熟練程度以及旁站檢查人員的細心程度。容易出現漿料不飽滿,無法保證鋼筋的連接質量。

     

    基于以上問題,倒插法套筒灌漿鋼筋連接技術方案被提出:

     

    1、套筒預埋在構件的上部,預留插筋在構件的下部,構件吊裝時將插筋對準下層構件套筒孔插入;

     

    2、因無需在套筒側面預留灌漿口、出漿口,降低了套筒的生產成本和加工難度;

     

    3、構件生產時無需在墻體、柱表面預留灌漿、出漿管口,操作簡單,降低了構件生產難度和生產成本;

     

    4、套筒的底口朝上預埋于構件中,只需從套筒底口灌滿漿料后吊裝上層構件,留置的插筋對準套筒口插入。

     

    此技術方案可以確保套筒內灌漿料的飽灌度,同時降低了構件生產和施工安裝的難度和成本。

     

    同樣,此技術方案也存在如下缺點:

     

    1、打開臨時封堵套筒的塑料蓋后以及向套筒內注入足量的漿料后,難以保證無其它雜物、石塊等掉入到套筒孔內;

     

    2、構件吊裝后墻下與樓面之間有一條墊塊高度的縫隙,墻體雖已通過斜支撐臨組成穩定的固定結構,但此時不能馬上注漿,需等套筒灌漿料固化并達到一定強度后才能在縫隙中注漿,等待時間長,操作有一定難度,不易確??p隙內注漿飽滿;

     

    3、預制剪力墻構件底面有出筋,構件停運不便,如需垂直擺放或運輸,必須在構件底部加設墊木保護下部鋼筋,或采用構件翻身頂面朝下的運輸方式。采用水平運輸影響不大;

     

    4、此技術方案需在吊裝前先灌漿,影響施工進度,灌漿料的使用時間也無法保證。吊裝后墻體微調操作會影響鋼筋連接強度。

     

    倒插法的缺點和不足之處有待通過工藝、工法的改進予以克服。

     

    文章來源:深圳市現代營造科技有限公司

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