一种装配式混凝土结构中钢筋弯弧锚固与搭接技术

作者；郑晓敏         

    我国《混凝土结构设计规范》GB50010-2010[l](以下简称“规范GB50010-2010”)中给出了3种钢筋锚固方法，即直锚、弯钩锚和机械锚。欧洲规范EN1992-1-1和国际结构混凝土协会( FIB)的《模式规范》MC2010（以下简称“规范MC2010”）中，除了上述3种方法外，还给出了另一种钢筋锚固方法，即弯弧锚固。弯弧锚固是一种半圆形钢筋锚固方式，通过弯弧段钢筋与混凝土间的局部承压来实现锚固作用，具有受力机理明确可靠、锚固长度较短且施工方便和易于控制钢筋施工质量等优点。国家建筑标准设计图集《装配式混凝土结构连接节点构造（剪力墙结构）》15G310-2中，也给出了采用钢筋弯弧搭接的构造做法，包括一次搭接和二次搭接2种情况，如图1所示，但并未给出相应的设计方法。本文拟分析钢筋弯弧锚固与搭接的工作机理，并根据规范GB50010-2010的基本要求，建立钢筋弯弧锚固与搭接的设计及施工方法，为其在装配式混凝土结构中的应用提供参考。

1  钢筋弯弧锚固

1.1钢筋弯弧锚固的受力机理

  如图2所示，假定半圆形钢筋两端的拉力为fyAs，根据力的平衡，可得钢筋作用于混凝土上的径向均布压力q为：

式中：R为钢筋弯弧的半径；f y为钢筋的抗拉强度设计值；As为钢筋截面面积。

  对钢筋直径为d的弯弧，其最大径向分布力q可按素混凝土的局部受压承载力确定，根据规范GB50010-2010，则有：

式中：A。为局部受压的计算底面积；A，为混凝土局部受压面积。

  在规范GB50010-2010中，局部受压的计算底面积Ah可由局部受压面积与计算底面积按同心、对称的原则确定。在工程应用中，钢筋弯弧与构件边缘主要有2种相对位置关系，即c≥d（见图2a）和c <d（见图2b），其中c为混凝土保护层厚度，d为钢筋直径。

  当c≥d时，钢筋弯弧的A b可根据图3a确定，沿A1四周向外扩大的距离为d，则有：

  当c<d时，钢筋弯弧的A b可根据图3b确定，沿A1四周向外扩大的距离为c，则有：

对于β1的限值，规范GB50010-2010无具体规定，但欧洲规范EN1992---1---1和规范MC2010均要求β1≤3.0，而美国规范ACI318-11则要求β1≤2.0。

1.3  钢筋弯弧的最小半径计算

  根据规范GB50010---2010，一类环境下，板、墙的混凝土保护层最小厚度为15mm。板、墙中常用的钢筋直径d一般为6~12mm，均小于保护层的最小厚度，即满足c≥d，将式(5)代入式(3)，整理后可得到不同钢筋种类、不同混凝土强度等级条件下钢筋弯弧最小半径与钢筋直径的关系，如表1所示。

  将表1中的R min代人式(3)，计算得到的β1均小于2，可参考表1来确定钢筋弯弧半径。

2钢筋弯弧搭接

  国内常用的钢筋连接方式有焊接、机械连接、绑扎搭接、灌浆套筒连接和浆锚连接等。对于钢筋搭接，除了绑扎搭接外，还可采用间接搭接，其中钢筋弯弧搭接可用于间接搭接。

2.1  钢筋弯弧搭接的受力机理

  以图4所示的预制剪力墙水平钢筋连接为例，说明钢筋弯弧搭接的受力机理。图中，灰色部分为预制剪力墙，t为搭接弯弧的间距，llap为水平弯弧钢筋的搭接长度，b f为剪力墙厚度。间接搭接时，两侧弯弧钢筋形成自锁效应，承受钢筋的拉力。采用图5所示的斜压杆模型来分析弯弧间接搭接的传力机制，其中钢筋弯弧之间的混凝土会形成斜压杆，为平衡斜压杆的横向分力，需要附加横向钢筋。

由图5的斜压杆模型可知：

式中：F t为附加横向钢筋的轴向拉力，Ft=f y h Ash，其中f y h为附加横向钢筋抗拉强度设计值，Ash为附加横向钢筋截面面积；口为斜压杆的倾角。

整理后可得：

  3)可采用重弯折钢筋保护盒技术，在构件制作时，将弯弧钢筋折于保护盒内，构件安装后打开保护盒，采用工具将钢筋水平弯折就位，从而避免构件安装过程中的钢筋交叉碰撞。重弯折钢筋保护盒的侧面应为粗糙面。特别是对图1a所示的搭接，当墙身竖向纵筋采用灌浆套筒连接时，如不采用重弯折钢筋保护盒，构件安装施工将难以进行。

  4)当墙身水平钢筋较密时，可采用较大直径的水平弯弧钢筋进行等强代换，以减少钢筋搭接的数量，但接缝的配筋构造仍需符合规范GB50010-2010的规定。

  5)由于接缝处水平钢筋和竖向钢筋是交叉的，应放置水平钢筋后再放置竖向钢筋，其中竖向钢筋可采用I级机械连接接头进行连接。

4  结语

钢筋弯弧可广泛应用于混凝土结构中的钢筋锚固与搭接，特别是应用于装配式混凝土结构的连接节点，达到整体式接缝的效果，并可减小接缝的宽度，使施工更为方便。本文对钢筋弯弧锚固与搭接的机理及设计方法进行了讨论，所提出的建议可供工程设计与施工人员参考。

5[摘要]参考国际结构混凝土协会的《模式规范》MC2010，建立了钢筋弯弧锚固与搭接的受力机理模型，并根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010的有关规定，提出了锚固弯弧的最小半径与间接搭接附加横向钢筋的计算方法。最后，讨论了装配式混凝土结构中采用钢筋弯弧搭接连接的施工方法。