高溫下鋼筋連接套筒的力學性能試驗研究

　　在鋼筋混凝土結構中，鋼筋的連接形式對結構的整體性能有一定的影響，合理的連接形式能有效的提高其結構的強度，經濟性，加快施工進度等。目前國內鋼筋混凝土結構中常用的鋼筋連接方式有以下3種:焊接連接、綁扎搭接、機械連接，在實際工程中應根據不同的情況采取合理的連接方式。隨著我國鋼筋機械連接技術的不斷發展，鋼筋連接套筒擠壓連接作為一種新型機械式鋼筋連接措施，與傳統的搭接和焊接相比具有接頭性能可靠、質量穩定、設備簡單輕巧、施工速度快、節約鋼材、不受氣候及焊工技術水平的影響、安全無火災隱患等優點。因此，套筒連接技術被廣泛應用于各類高層建筑以及一些重大工程，并且得到了普遍好評。然而隨著建筑火災的頻發，建筑結構火災下的安全分析以及鋼筋抗火性能研究的日益深入，研究采用套筒連接的鋼筋在高溫下的力學性能顯得十分必要。

　　1 試驗概況

　　1.1 試驗設備

　　試驗采用的加載設備為 試驗機，升溫裝置為筒式電熱爐和溫控儀。試驗地點為武警學院工程系力學實驗室。

　　1.2 試驗材料

　　采用的鋼筋連接套筒由中國建筑科學研究院建碩股份有限公司設計并提供，選用兩種不同類別的鋼筋連接套筒接頭——普通套筒與冷壓套筒，套筒均按三級鋼做成。試件分3組，共11根，其中4根為細晶鋼筋普通套筒連接、4根為細晶鋼筋冷壓套筒連接、3根為普通三級鋼普通套筒連接，如圖1所示。鋼筋直徑都為20mm。

　　1.3 試驗方法及過程

　　試驗中細晶鋼筋普通套筒和冷壓套筒采用150℃、300℃、450℃、600℃這4個溫度觀測點，三級鋼筋普通套筒采用200℃、400℃、600℃這3個觀測點，共6個溫度段。將試件放入筒式電熱爐內，安裝電子應變儀，加熱至預定溫度后保持恒溫15min，并對高溫引起的自由膨脹變形清零，以0.5kN/s的加載速度開始加載，考慮到極限強度對耐火設計意義不大以及電子應變儀的量程限制，加載至試件屈服進入強化階段后停止試驗。試驗測量了不同溫度下鋼筋的屈服力、屈服強度、軸向變形、彈性模量等力學性能指標。

　　2 試驗結果及分析

　　2.1 試驗現象

　　從試驗結果可以看到，拉伸試驗的破壞發生在遠離套筒接頭的鋼筋母材上，當溫度低于450℃時，恒溫15min后進行鋼筋的材性試驗，發現都有滑移現象。由于試驗設備及其加工工藝的原因[3]，鋼筋與套筒擠壓連接后的粘結能力存在一定缺陷，導好限滑移量的增大。

　　2.2 力學性能指標

　　2.2.1 應力-應變關系

　　通過處理實驗數據，得到了高溫下采用不同套筒連接的鋼筋的應力-應變曲線，如圖2、圖3所示。并且與通長鋼筋在高溫及常溫下的應力-應變曲線作對比(圖4)，可以看出采用套筒連接的鋼筋與無連接形式的鋼筋的應力-應變曲線幾乎是吻合的，可以認為鋼筋在高溫下采用套筒連接對其應力-應變曲線影響較小。

　　2.2.2 屈服強度及彈性模量

　　試驗可得，鋼筋在高溫下力學性能發生了改變，其屈服強度和彈性模量隨著溫度的升高幾乎成線性下降，以細晶鋼筋普通套筒連接為例，其彈性模量與常溫下比較，150℃時降低7%，300℃時降低了27%，450℃時降低了42%，600℃時降低了59%。表1給出了高溫下鋼筋屈服強度和彈性模量的劣化結果及折減系數。

　　表1 高溫下細晶鋼筋屈服強度與彈性模量劣化結果表

　　3 力學模型

　　經回歸分析試驗結果，得到了高溫下鋼筋的屈服強度、彈性模量的變化模型。國內外學者普遍認為，在300℃以內普通熱軋鋼筋各力學性能指標的降低幅度很小，與常溫狀態下基本無異，然而從表1可以看出，在150℃的條件下，該次試驗普通套筒連接的細晶鋼筋屈服強度已經下降了10%左右，因此眾多學者針對普通熱軋鋼筋提出的高溫本構模型并不適用于套筒連接下的細晶鋼筋。為吻合該次試驗數據，文章給出了高溫下鋼筋連接套筒力學性能的擬合公式，并且與高溫下通長鋼筋的擬合公式作對比。

　　通長鋼筋力學性能擬合公式

　　鋼筋連接套筒力學性能擬合公式

　　各式中，T為所經歷的溫度

　　分別為鋼筋在溫度T下的屈服強度和彈性模量;fy、Es分別為鋼筋在常溫下得屈服強度和彈性模量。

　　4 結 語

　　通過研究鋼筋連接套筒在高溫下的力學性能，并且與通長鋼筋作對比，由試驗結果可以看出，套筒連接形式對鋼筋在高溫下的抗火性能影響不大，在鋼筋連接套筒拉伸至抗拉強度直至塑性變形時，套筒的變形量仍在彈性變形范圍內，未發生破壞，其應力-應變曲線與通長鋼筋基本吻合，高溫下鋼筋的屈服強度和彈性模量劣化程度基本相同。在結構的耐火分析中，建議對有套筒連接形式的鋼筋在高溫下的屈服強度和彈性模量按照文中擬合的公式(3)、式(4)計算，從而使對結構的抗火性能評估更加合理可靠。

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