随着我国经济迅猛发展, 我国的基础设施建设和房屋建筑建设均得到迅速发展, 带动了建筑领域多项新技术创新和发展, 为我国在建筑领域实现“节材、节能、绿色、环保”的建设理念提供了重要的技术支持。目前, 建筑施工领域已经基本实现混凝土和大型模板商品化、产业化, 而唯独钢筋工程仍然处于现场制作、手工现场绑扎钢筋的落后阶段, 制约了我国建筑施工行业的标准化、机械化和产业化发展前进。在国家相关的产业政策中, 钢筋的工厂化、专业化的加工制作已经成为建筑施工生产技术发展的必然趋势。为此我国于2015年颁布实施JGJ 366—2015《混凝土结构成型钢筋应用技术规程》^[1], 规范详细规定了成型钢筋骨架的加工、配送、验收及管理等, 但缺乏对成型钢筋相关施工技术的说明。

成型钢筋骨架目前主要应用于桩基工程^[2,3,4]、桥梁工程^[5,6]较为成熟, 桩基工程中钢筋笼通常由滚焊机或人工焊接整体成型, 桩头锚固于承台中, 不存在钢筋连接的问题;而桥梁工程中箱梁钢筋笼通常采用焊接进行钢筋连接^[5]也不符合建筑工程减少明火作业的施工趋势。成型钢筋骨架的连接直接关系着其能否顺利应用于实际工程中, 与传统中单根钢筋连接不同, 建筑工程成型钢筋骨架的连接具有以下特征:

1) 与传统单根钢筋连接不同, 成型钢筋骨架的连接往往要求多根钢筋 (纵向钢筋) 在相同平面或不同平面内实现同时连接, 由于施工不可避免的误差, 造成每根钢筋连接时都存在不同的纵向间隙与横向偏移, 而成型后的钢筋骨架由于限制了每根钢筋的相对移动, 此时进行成型钢筋骨架连接将变得极为困难。

2) 成型钢筋骨架安装时通常需要吊装作业, 柱钢筋笼吊装时尚不能支模 (否则影响钢筋连接作业) , 需要吊机等待钢筋笼安装完毕, 因此需要解决吊机长时间等待的问题。

3) 梁钢筋笼吊装时通常有模板支撑, 不存在吊机等待的问题, 但对于较高的梁钢筋笼其底部钢筋的连接将不便于施工。

基于以上成型钢筋骨架钢筋连接的特殊性, 有必要对目前常用的钢筋连接方式进行比选, 以比选出适合成型钢筋骨架的连接方式。

钢筋的搭接连接是建筑工程中最为传统的连接方式^[7], 绑扎搭接连接是靠搭接区段内钢筋在混凝土内的黏结锚固来传递钢筋应力。由于处在非抗震区, 目前新加坡成型钢筋骨架连接主要采用搭接连接的方式, 但不适用于我国。搭接钢筋之间的混凝土受劈裂影响, 使得搭接钢筋区段内的混凝土黏结强度低于锚固状态下的黏结强度, 并且钢筋搭接要有足够的长度才能保证钢筋应力的传递, 因此绑扎搭接接头的适用范围受到很大限制。一般来说, 绑扎搭接接头存在受力性能差、搭接区段钢筋较密等问题, 影响混凝土的浇筑质量, 且存在钢材消耗量大, 抗震性能差等问题。对成型钢筋骨架柱进行安装试验, 在框架柱非加密区进行上下柱钢筋骨架的安装时, 需要将上部钢筋笼插入到下部钢筋笼, 若此时下部钢筋笼已成型, 将很难顺利安装到位, 通常需要将下部部分箍筋笼后绑方能顺利安装到位, 并且安装过程需要3~4人协作完成, 安装过程需要专门工人进行主筋的纠偏, 待钢筋全部下落就位后方能对钢筋搭接区域的箍筋进行绑扎以防止钢筋下落。试验表明, 绑扎连接施工速度低, 吊机等待时间较长, 搭接连接不宜用于成型钢筋骨架的连接。

直螺纹接头连接套筒是目前工程中最为常用的钢筋连接方式, 由于钢筋骨架成型后钢筋不能移动, 因此采用普通螺纹不能完成对成型钢筋骨架的连接。正反丝直螺纹套筒通过正反旋转套筒可在不旋转钢筋骨架的条件下实现钢筋连接, 因此理论上可采用正反丝直螺纹套筒进行成型钢筋骨架的连接。但对梁、柱成型钢筋骨架连接进行试验表明, 采用正反丝套筒仅能完成主筋横向偏移不大的钢筋骨架的连接, 由于钢筋骨架成型时存在一定的横向偏移误差, 此时采用正反丝套筒难以完成全部钢筋的连接。因此, 成型钢筋骨架的连接接头应具有一定的调节钢筋横向偏移的能力。

带肋钢筋套筒挤压连接技术适用于粗直径钢筋连接技术, 它是将两根待接钢筋插入特质的连接套筒内。用液压钳向侧向挤压套筒, 使套筒产生塑性变形, 套筒嵌入钢筋横肋的凹槽中, 以此实现两根钢筋的连接, 钢筋承受的轴向力主要依靠钢筋横肋和变形后的套筒之间的剪力传递。挤压接头套筒的压实大体上分为3个阶段, 即收拢阶段、贴合阶段和密实阶段。挤压套筒连接接头性能可靠, 接头的强度、刚度和韧性与母材相同, 疲劳性能优于焊接接头, 并且操作简单, 无需专门技工, 且连接时没有明火, 不受天气及自然环境的影响, 在可燃性环境和水中均可作业, 5 min即可完成32 mm的钢筋挤压, 比电弧焊快4~6倍。然而, 挤压套筒容易在挤压处钢筋产生疲劳源, 此疲劳源从钢筋横肋根部开始扩展, 最后形成疲劳断口。并且挤压设备比较笨重, 通常需要2~3名工人配合使用, 5 min连接一根钢筋效率偏低。笨重且低效的冷挤压连接方式将导致钢筋骨架吊机等待时间过长, 不符合成型钢筋骨架现场实际应用。

灌浆套筒是通过水泥基灌浆料的传力作用将钢筋对接连接所用的金属套筒, 通常采用铸造工艺或机械加工工艺制造。套筒采用铸造工艺制造时宜选用球墨铸铁, 采用机械加工工艺制造时宜选用优质碳素结构钢、低合金高强度结构钢、合金结构钢或其他经过型式检验确定符合要求的钢材。套筒灌浆连接接头应满足强度和变形性能要求。

套筒灌浆连接应采用由接头型式检验确定的相匹配的灌浆套筒、灌浆料, 其安装应符合下列规定:

1) 连接钢筋与全灌浆套筒安装时, 应逐根插入灌浆套筒内, 插入深度应满足设计锚固深度要求;

2) 钢筋安装时, 应将其固定在模具上, 灌浆套筒与柱底、墙底模板应垂直, 应采用橡胶环、螺杆等固定件避免混凝土浇筑、振捣时灌浆套筒和连接钢筋移位;

3) 与灌浆套筒连接的灌浆管、出浆管应定位准确、安装稳固;

4) 应采取防止混凝土浇筑时间向灌浆套筒内漏浆的封堵措施。

灌浆套筒近年来广泛应用与工程实践中, 广泛用于装配式结构, 最近今年国内大力发展装配式结构, 灌浆套筒出了具有高强度的连接性能之外, 应用于装配化式结构中最重要的的一点就是其安装灵活, 对大型构件起吊、运输、安装过程中, 可以消除各种误差, 有效解决了施工现场加工精度较低, 安装可以顺利进行的弊端, 因此广泛用于工程中。

成型钢筋骨架的连接方式可参照目前装配式结构的连接方式, 套筒连接能够克服成型钢筋骨架钢筋加工时产生的横向偏移, 但是成型钢筋骨架和装配式建筑有着本质区别在于:装配式建筑混凝土已经浇筑完成, 仅需要接头连接, 无需进行模板施工。而成型钢筋骨架柱连接后需要先吊装连接后续封闭侧模, 梁钢筋骨架则应在底模搭设完成后进行吊装及连接。因此, 套筒连接适用于不需要吊机等待的成型钢筋梁骨架的连接, 但不适用于成型钢筋柱骨架的钢筋连接。因为成型钢筋柱骨架由于连接完成后需要安装模板, 不便于像装配式柱构件那样设置斜撑, 成型钢筋柱骨架在钢筋连接过程中要始终保持吊装状态。灌浆套筒安装后需要二次灌浆、凝结强度时间约24 h, 吊机不可能长时间等待, 耗时过久的灌浆套筒不适宜成型钢筋柱骨架的连接。

钢筋连接方式一般有搭接、灌浆连接、焊接和机械连接, 对于柱钢筋骨架的施工, 搭接和灌浆连接需要设置临时支撑, 而焊接需要明火作业并且耗时较长, 吊机等待时间长。通过上述钢筋连接方式的比较, 以及结合施工工艺的分析。成型钢筋连接方式最宜选用施工快速的机械连接。

成型后的钢筋骨架由于箍筋约束作用纵向钢筋不能自由移动, 尤其是柱钢筋多根钢筋同一平面连接时, 钢筋成笼施工中难免会造成两端连接钢筋轴向产生间隙与偏位, 传统的套筒并不同时进行多根钢筋的连接。

成型钢筋骨架的连接施工需要采用新型连接套筒, 该新型套筒应具有连接施工速度快、具有纠偏功能 (可调纵向和横向误差) 的特点。可调组合连接接头具有5~8 mm纠偏功能, 并且能够调整钢筋骨架纵筋端部20 mm的公差, 满足成型钢筋骨架钢筋连接要求。

该型钢筋套筒连接接头施工工艺见图1。钢筋连接过程主要包括:1) 连接准备。施工时需要在钢筋连接前旋拧好待连接钢筋侧锚固螺套、对中调节螺套或对中固定螺套、外螺套, 其中对中固定螺套应拧紧, 竖向钢筋连接时外螺套一侧一般安置在上部以防止滑落。2) 强制钢筋对中。钢筋连接施工时通过旋拧对中调节螺套至紧密贴合对中固定螺套, 强制完成钢筋对中。3) 完成连接。钢筋对中后方可移动外螺套至对中调节螺套处并拧紧, 最后拧紧锚固螺套至对中调节螺套, 完成钢筋连接。该接头与普通套筒接头最大不同之处在于增加了钢筋对中机制, 可使钢筋骨架多根钢筋在不能自由一定的前提下通过各自调整姿势完成钢筋连接。

为检验可调节组合式连接接头在成型钢筋骨架施工中的适用性, 课题组在济南齐鲁制药产业园和山东城市建设职业技术学院两个试验项目中进行了实际工程应用, 通过接头工人安装时间, 安装操作难度、以及操作的方便性等综合测试, 总结成型钢筋骨架采用可调节组合连接接头具有如下优点:

1) 安装方便、快速、无需要专用工具, 工人仅需要扳手即可完成钢筋连接。

2) 可调节组合连接接头避免了由于钢筋误差引起的钢筋无法连接问题, 由于其具备横向导向的功能, 使得安装横向误差可以有效、快速调节就位。

3) 操作环境无特殊要求, 工人无需专业培训, 连接接头的力学性能不受工人技能水平影响。

经过工程实际测算, 熟练工人每个接头施工用时约30 s, 可极大减少吊机等待时间。因此, 可调节组合连接接头适用于成型钢筋骨架钢筋连接。但该型接头与常规套筒相比结构组成复杂, 成本高, 并且对中调节螺套与外螺套类似于给钢筋穿了两条“裤子”, 将极大占用混凝土保护层, 给现实工程应用造成一定的局限性。因此, 需要进一步对成型钢筋骨架钢筋连接进行开发。

通过对目前市场上常见的钢筋连接接头分析表明, 具有施工速度快的机械连接接头较为适合成型钢筋骨架的连接。通过借鉴并简化可调组合连接接头, 研发出新型钢筋连接接头。该接头连接结构包括:锁紧螺母、对中调节螺套和双边多向调节头, 组合连接接头形式见图2。

新型钢筋连接接头施工过程包括:

1) 钢筋连接前需将待连接钢筋进行丝头加工处理, 推荐应用敦粗方式进行钢筋预处理, 处理后将钢筋接头滚丝, 钢筋螺纹的技术要求同接头的螺纹要求相互匹配, 采用锁紧螺母一端的钢筋丝头加工长度不应小于螺母宽度与套筒长度之和, 连接蜡型件的钢筋丝头可以适当缩短, 也可同待连接钢筋相同。

2) 将连接接头拧入待连接钢筋, 具体方式见图3。

3) 将待连接钢筋的蜡型连接件靠近钢筋套筒, 旋转钢筋套筒, 使其同钢筋内部旋转出, 同时旋转入蜡型连接件内, 实现钢筋连接, 连接后回拧锁紧螺母, 实现钢筋套筒的螺纹锁定。具体方式见图4。

4) 钢筋连接后最终状态见图5, 连接完成后钢筋内部差值控制小于50 mm, 如考虑施工难度及误差增大时, 可以通过调整套筒壁厚、材料等满足相关力学性能要求。

与传统套筒相比, 新型钢筋连接接头仅增加了钢筋调差装置, 该型连接接头占用保护层厚度与传统套筒相当, 与可调组合连接接头相比工程适用性更好, 且结构更为简单, 成本更低。因此, 新型钢筋连接接头更加适用于成型钢筋骨架的钢筋连接。采用该型钢筋连接套筒钢筋接头能够达到Ⅰ级接头标准。

成型钢筋骨架的钢筋连接技术是成型钢筋骨架应用推广优先需要解决的关键环节。本文对通过对比工程中常用的钢筋连接方式, 对成型钢筋骨架钢筋连接的适用性进行了研究, 并研发了适用于成型钢筋骨架钢筋连接的新型钢筋连接接头, 主要取得了以下结论:

1) 搭接连接施工操作难度大, 梁、柱钢筋骨架全部采用搭接连接不符合我国抗震规范相关要求;直螺纹套筒难以调节成型钢筋骨架钢筋横向偏移, 因此不适用于成型钢筋骨架钢筋连接;冷挤压与灌浆套筒施工操作耗时较长, 严重增加吊机等待时间, 同样不适用于成型钢筋骨架钢筋连接。

2) 可调节组合式连接接头通过设置钢筋对中机制能够调节钢筋横向偏差, 能够满足成型钢筋骨架钢筋的连接。但该型接头构造较为复杂, 具有成本高、混凝土保护层占用大的缺点, 其应用具有一定的局限性。

3) 研发形成的新型钢筋连接接头具有调节纵向和横向偏移的功能, 同时构造简单, 成本较低、保护层占用较少, 且施工速度快, 可满足成型钢筋骨架钢筋连接。

2017年8月17日住建部发布《绿色施工推广应用技术公告 (征求意见稿) 》中第21项即为钢筋集中加工配送技术, 加工后的成像钢筋骨架施工技术亟待完善, 而成型钢筋骨架的钢筋连接技术成为后续施工能否顺利进行的关键一环, 新型连接接头的研发可为该项绿色施工项目推广提供必要的技术支持。