钢筋连接方式：装配式混凝土设计与应用

1.套筒灌浆连接

灌浆套筒是美籍华裔科学家余占疏博士（Dr.Alfred A.Yee）在1967年发明的，70年代最早应用于建设38层阿拉莫阿那酒店（装配式框架结构，Splice Sleeve套筒），至今已有50年的应用历史。80年代，日本企业NMB购买了灌浆套筒的专利，垄断全球。灌浆套筒的主要品牌有日本NMB、TTK的Tops Sleeve，美国的Sleeve-Lock、Connector，德国ERICC的LENTON。在我国，钢筋套筒灌浆连接技术是现行国家规范《装配式混凝土建筑技术标准》（GB/T 51231）、《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ 1）中主要钢筋连接技术，并且颁布了专门的技术规程《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》（JGJ 355）。

①原理

套筒灌浆连接技术指的是利用内部带有凹凸部分的铸铁或钢质圆形套筒，将被连接的钢筋由两端分别插入套筒，然后用灌浆机向套筒中注入有微膨胀的高强灌浆料，待灌浆料硬化以后，此时套筒和被连接钢筋牢固地结合成为整体，如图4-3所示。由于灌浆料具有微膨胀性和高强的特点，保证了套筒中被填充部分具有充分的密实度，使其与被连接的钢筋之间有很强的粘结力，这种连接方法具有较高的连接可靠性、抗拉及抗压强度等优点。

当钢筋受外力时，拉力先通过钢筋-灌浆料接触面的粘结作用传递给灌浆料，灌浆料再通过灌浆料-套筒接触面的粘结作用传递给套筒。钢筋和套筒灌浆料接触面的粘结力由材料化学粘附力、摩擦力和机械咬合力共同组成。与此同时，套筒为灌浆料四周提供有效的侧向约束力，可以有效增强材料结合面的粘结锚固能力，确保接头的传力能力。

图4-3　套筒灌浆连接示意图

②分类

套筒的形式可分为全灌浆套筒接头和半灌浆套筒接头两大类。全灌浆套筒接头（图4-4）指的是两端都采用灌浆的方式来连接钢筋。半灌浆套筒接头（图4-5）是在一端采用直螺纹方式、另一端采用灌浆方式连接钢筋（图4-4和图4-5中L0为灌浆端用于钢筋锚固的深度；D1为锚固段环形突出部分的内径）。

图4-4　全灌浆套筒接头

图4-5　半灌浆套筒接头

③套筒灌浆连接材料

灌浆套筒的材料及加工工艺主要分为两种：球墨铸铁制造；采用优质碳素结构钢、低合金高强度钢、合金结构钢或其他符合要求的钢材加工。采用球墨铸铁制造的套筒，材料应符合《球墨铸铁件》（GB/T 1348）的规定，其材料性能还应符合表4-2的规定。采用钢质机械加工灌浆套筒的材料性能应符合表4-3的规定，还应符合《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》（JGJ 355）的规定。

表4-2　球墨铸铁灌浆套筒的材料性能

表4-3　各类钢灌浆套筒的材料性能

《钢筋连接用套筒灌浆料》（JG/T 408）对钢筋套筒灌浆连接专用灌浆料明确了其材料成分与功能：以水泥为基本材料，配以细骨料，以及混凝土外加剂和其他材料组成的干混料，加水搅拌后具有良好的流动性、早强、高强、微膨胀等性能，填充于套筒和带肋钢筋间隙内，简称“套筒灌浆料”。

灌浆料中使用的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥应符合《通用硅酸盐水泥》（GB 175）规定，使用的硫铝酸盐水泥应符合《硫铝酸盐水泥》（GB 20472）的规定。灌浆料中使用的细骨料天然砂、人工砂应符合《建设用沙》（GB/T 14684）的规定，最大粒径不宜超过2.36 mm。灌浆料中使用的混凝土外加剂应符合《混凝土外加剂》（GB 8076）和《混凝土膨胀剂》（GB 23439）的规定。灌浆料的技术性能要求参见表4-4所示：

表4-4　灌浆料技术性能要求

④技术要求

《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》（JGJ 355）要求套筒灌浆连接接头应满足强度和变形性能要求，即满足单向拉伸、高应力反复拉压、大变形反复拉压的检验项目要求。接头对中单向拉伸、高应力反复拉压、大变形反复拉压的加载与变形要求同《钢筋机械连接技术规程》（JGJ 107）Ⅰ级接头的规定。

《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》（JGJ 355）第3.2.2条的强制性条文要求“接头的抗拉强度不应小于连接钢筋抗拉强度标准值，且破坏时应断于接头外钢筋”。此规定主要考虑钢筋套筒灌浆连接主要用于装配式混凝土结构中墙、柱受力钢筋同截面钢筋100%连接处，且在框架柱中多位于箍筋加密区部位，并考虑我国灌浆施工实际条件后提出的。此规定高于《钢筋机械连接技术规程》（JGJ 107）Ⅰ级接头的要求。对于半灌浆接头，为保证机械连接端满足此要求，需要在普通机械连接工艺基础上予以改进，以保证破坏时断于钢筋。

《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》（JGJ 355）要求采用套筒灌浆连接的混凝土结构，设计应符合国家现行标准《混凝土结构设计规范》（GB 50010）、《建筑抗震设计规范》（GB 50011）、《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ 1）的有关规定。要求采用套筒灌浆连接的构件混凝土强度等级不宜低于C30，全截面受拉构件同一截面不宜全部采用钢筋套筒灌浆连接，构件中灌浆套筒的净距不应小于25 mm，灌浆套筒长度范围内预制混凝土柱箍筋与预制混凝土墙最外层钢筋的混凝土保护层最小厚度分别为20 mm与15 mm的规定。

对于采用套筒灌浆连接的混凝土构件，《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》（JGJ 355）第4.0.5条提出了设计需要注意的细节问题：

a.接头连接钢筋的强度等级不应高于灌浆套筒产品规定的连接钢筋强度等级；

b.接头连接钢筋的直径规格不应大于灌浆套筒规定的连接钢筋直径规格，且不宜小于灌浆套筒规定的连接钢筋直径规格一级以上；

c.构件配筋方案（钢筋间距、纵筋数量、箍筋加密区长度等）应根据灌浆套筒外径、长度及灌浆施工要求确定；

d.构件钢筋插入灌浆套筒的锚固长度应符合灌浆套筒参数要求；

e.竖向构件配筋设计应结合灌浆孔、出浆孔位置；

f.底部设置键槽的预制柱，应在键槽处设置排气孔。

《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》（JGJ 355）第7.0.6条强制性条文要求“灌浆套筒进厂（场）时，应抽取灌浆套筒并采用与之匹配的灌浆料制作对中连接接头试件，并进行抗拉强度检验，检验结果均应符合本规程（JGJ 355）第3.2.2条的有关规定”。

检查数量：同一批号、同一类型、同一规格的灌浆套筒，不超过1 000个为一批，每批随机抽取3个灌浆套筒制作对中连接接头试件。

检验方法：检查质量证明文件和抽样检验报告。

套筒型号由类型代号、特征代号、主参数代号和产品更新变型代号组成。套筒主参数为被连接钢筋的强度级别和直径。套筒型号表示如下：

示例：

连接400级钢筋、直径40 mm的全灌浆套筒表示为：GT4 40。

连接500级钢筋、灌浆端直径为36 mm、非灌浆端直径为32 mm的剥肋滚轧直螺纹灌浆套筒的第一次变形表示为：GTB5 36/32A。

套筒的尺寸偏差应符合表4-5的规定：

表4-5　套筒尺寸偏差

续表4-5

⑤主要应用

套筒灌浆连接适用于预制装配式混凝土剪力墙结构（图4-6）、预制柱等预制构件的纵向受力钢筋连接，也可用于叠合梁（图4-7）等后浇部位的纵向受力钢筋连接。

图4-6　剪力墙钢筋灌浆套筒连接

图4-7　叠合梁钢筋灌浆套筒连接

2.浆锚搭接连接

①原理

浆锚连接技术，又称为间接锚固或间接搭接，是将搭接钢筋拉开一定距离后进行搭接的方式，连接钢筋的拉力通过剪力传递给灌浆料，再通过剪力传递到灌浆料和周围混凝土之间的界面上去（图4-8）。搭接钢筋之间能够传力是由于钢筋与混凝土之间的粘结锚固作用，两根相向受力的钢筋分别锚固在搭接区段的混凝土中而将力传递给混凝土，从而实现钢筋之间的应力传递（图4-9）。

图4-8　约束浆锚搭接连接示意

图4-9　浆锚搭接传力图

浆锚搭接连接的抗拉能力主要由以下几点决定：钢筋的拉拔破坏；灌浆料的拉拔破坏；周围混凝土的劈裂破坏。因此，必须保证钢筋具有足够的锚固长度和搭接区段有效的横向约束来提高连接性能。

②分类

浆锚搭接连接包括：螺旋箍筋约束浆锚搭接连接（图4-10）、金属波纹管浆锚搭接连接（图4-11）以及其他采用预留孔洞插筋后灌浆的间接搭接连接方式。

螺旋箍筋约束浆锚搭接连接做法：在竖向结构构件下段范围内预留出孔洞，孔洞内壁表面预留有螺纹状粗糙面，周围配置横向约束螺旋箍筋。下部装配式构件钢筋穿入孔洞内，通过灌浆孔注入灌浆料，直至气孔溢出停止灌浆，当灌浆料凝结后，完成受力钢筋的搭接。

图4-10　螺旋箍筋约束浆锚搭接连接(www.xing528.com)

图4-11　金属波纹管浆锚搭接连接

金属波纹管浆锚搭接连接做法：在混凝土中预埋波纹管，待混凝土达到要求强度后，下部构件受力钢筋穿入波纹管，再将高强度具有微膨胀的灌浆料灌入波纹管养护，以起到锚固钢筋的作用。这种钢筋浆锚体系属多重界面体系，即钢筋与锚固材料（灌浆料）的界面体系、锚固材料与波纹管界面体系以及波纹管与原构件混凝土的界面体系。因此，锚固材料对钢筋的锚固力不仅与锚固材料和钢筋的握裹力有关，还与波纹管和锚固材料、波纹管和混凝土之间的粘结力有关。

③使用材料

浆锚搭接使用的灌浆料也是水泥基材料，根据《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ 1）的规定，钢筋浆锚搭接连接接头用灌浆料应满足以下性能要求，如表4-6所示：

表4-6　钢筋浆锚搭接连接接头用灌浆料性能要求

④技术要求及应用

浆锚搭接连接技术的关键在于孔洞的成型技术、灌浆料的质量以及对被搭接钢筋形成约束的方法等几个方面。现阶段，我国的孔洞成型技术种类较多，尚无统一论证，因此《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ 1）要求纵向钢筋采用浆锚搭接连接时，对预留孔成孔工艺、孔道形状和长度、构造要求、灌浆料和被连接钢筋，应进行力学性能以及适用性的试验验证。直径大于20 mm的钢筋不宜采用浆锚搭接连接，直接承受动力荷载构件的纵向钢筋不应采用浆锚搭接连接。

3.机械连接

钢筋机械连接源于欧美等国，20世纪80年代以后，我国在引进外国钢筋连接先进的技术基础上，不断进行研究和发展，推出符合我国建筑行业实际情况的机械连接技术。钢筋机械连接是通过连贯于两根钢筋之间的套筒来实现钢筋的力传递。钢筋连接技术解决了大直径钢筋连接的难题。钢筋机械连接技术是一项新型钢筋连接工艺，被称为继绑扎、电焊之后的“第三代钢筋接头”，具有接头强度高于钢筋母材、速度快、无污染、节省钢材等优点。

①分类

钢筋机械连接主要有：钢筋套筒挤压连接、钢筋锥螺纹套筒连接和钢筋直螺纹套筒连接。

套筒挤压连接接头（图4-12）：通过挤压力使连接件钢套筒塑性变形与带肋钢筋紧密咬合形成的接头。有两种形式，径向挤压连接和轴向挤压连接。由于轴向挤压连接现场施工不方便及接头质量不够稳定，没有得到推广；而径向挤压连接接头得到了大面积推广使用。现在工程中使用的套筒挤压连接接头，都是径向挤压连接。由于其优良的质量，套筒挤压连接接头在我国从20世纪90年代初至今被广泛应用于建筑工程中。

图4-12　套筒挤压连接示意图

锥螺纹连接接头（图4-13）：通过钢筋端头特制的锥形螺纹和连接件锥形螺纹咬合形成的接头。锥螺纹连接技术的诞生克服了套筒挤压连接技术存在的不足。锥螺纹丝头完全是提前预制，现场连接占用工期短，现场只需用力矩扳手操作，不需搬动设备和拉扯电线，深受各施工单位的好评。但是锥螺纹连接接头质量不够稳定。由于加工螺纹的小径削弱了母材的横截面积，从而降低了接头强度，一般只能达到母材实际抗拉强度的85%～95%。我国的锥螺纹连接技术和国外相比还存在一定差距，最突出的一个问题就是螺距单一，直径16～40 mm钢筋采用螺距都为2.5 mm，而2.5 mm螺距最适合于直径22 mm钢筋的连接，太粗或太细钢筋连接的强度都不理想，尤其是直径为36 mm、40 mm钢筋的锥螺纹连接，很难达到母材实际抗拉强度的0.9倍。由于锥螺纹连接技术具有施工速度快、接头成本低的特点，自20世纪90年代初推广以来也得到了较大范围的推广使用，但由于存在的缺陷较大，逐渐被直螺纹连接接头所代替。

图4-13　锥螺纹连接示意图

直螺纹连接接头（图4-14）：直螺纹连接接头有两种，一种是用镦粗设备将钢筋端头镦粗后在螺纹套丝机上加工螺纹，这样使螺纹直径不小于母材直径，达到与母材等强度连接，这种方法称为镦粗直螺纹连接。另一种方法采用滚压工艺使钢筋表面材料冷作硬化，提高螺纹牙强度和螺杆强度，达到接头与钢筋母材等强连接的目的，这种方法称为滚压直螺纹连接。

图4-14　直螺纹连接示意图

国内常见的滚压直螺纹连接接头有三种类型：直接滚压螺纹、挤压肋滚压螺纹、剥肋滚压螺纹。

直接滚压直螺纹连接接头

这种连接接头优点是螺纹加工简单，设备投入少，不足之处在于螺纹精度差，存在虚假螺纹现象。由于钢筋粗细不均，公差大，加工的螺纹直径大小不一致，给现场施工造成困难，使套筒与丝头配合松紧不一致，有个别接头出现拉脱现象。由于钢筋直径变化及横纵肋的影响，使滚丝轮寿命降低，增加接头的附加成本，现场施工易损件更换频繁。

挤压肋滚压直螺纹连接接头

这种连接接头是用专用挤压设备先将钢筋的横肋和纵肋进行预压平处理，然后再滚压螺纹，目的是减轻钢筋肋对成型螺纹精度的影响。其特点是：成型螺纹精度相对直接滚压有一定提高，但仍不能从根本上解决钢筋直径大小不一致对成型螺纹精度的影响，而且螺纹加工需要两道工序、两套设备完成。

剥肋滚压直螺纹连接接头

这种连接接头工艺是先将钢筋端部的横肋和纵肋进行剥切处理后，使钢筋滚丝前的柱体直径达到同一尺寸，然后再进行螺纹滚压成型。

直螺纹连接克服了锥螺纹钢筋截面削弱而造成接头处钢筋强度下降，由于连接直螺纹外径加大，承载能力超过锥螺纹，而且又具有比锥螺纹接头施工方便、速度快的特点，适用于抗震设防和非抗震设防的混凝土结构工程。

②接头的性能要求

不同类型的机械连接接头的适用范围如表4-7所示：

表4-7　钢筋机械连接适用范围

接头应根据极限抗拉强度、残余变形最大力下总伸长率以及高应力和大变形条件下反复拉压性能，分为下列三个等级：

Ⅰ级：接头抗拉强度等于被连接钢筋实际拉断强度或不小于1.10倍钢筋抗拉强度标准值，残余变形小并具有高延性及反复拉压性能。

Ⅱ级：接头抗拉强度不小于被连接钢筋抗拉强度标准值，残余变形较小并具有高延性及反复拉压性能。

Ⅲ级：接头抗拉强度不小于被连接钢筋屈服强度标准值的1.25倍，残余变形较小并具有一定的延性及反复拉压性能。

根据《钢筋机械连接技术规程》（JGJ107），Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级接头的极限抗拉强度应符合表4-8的规定。Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级接头变形性能应符合表4-9的规定。

表4-8　接头极限抗拉强度

注：fstk——钢筋极限抗拉强度标准值；
f0mst——接头试件实测极限抗拉强度；
fyk——钢筋屈服强度标准值。
①钢筋拉断指断于钢筋母材、套筒外钢筋丝头和钢筋镦粗过渡段；
②连接件破坏指断于套筒、套筒纵向开裂或钢筋从套筒中拔出以及其他连接组件破坏。

表4-9　接头的变形性能

注：Asgt——接头试件的最大力下总伸长率；
d——钢筋的公称直径；
fyk——钢筋屈服强度标准值；
fstk——钢筋抗拉强度标准值；
u0——接头试件加载至0.6fyk并卸载后在规定标距内的残余变形；
u20——接头试件经高应力反复拉压20次后的残余变形；
u4——接头试件经大变形反复拉压4次后的残余变形；
u8——接头试件经大变形反复拉压8次后的残余变形。

③相关规定

根据《装配式混凝土建筑技术标准》（GB/T 51231），纵向钢筋采用挤压套筒连接时应符合下列规定：

连接框架柱、框架梁、剪力墙边缘构件纵向钢筋的挤压套筒应满足Ⅰ级接头的要求，连接剪力墙竖向分布钢筋、楼板分布钢筋的挤压套筒接头应满足Ⅰ级接头抗拉强度的要求。

被连接的预制构件之间应预留后浇段，后浇段的高度或长度应根据挤压套筒接头安装工艺确定，应采取措施保证后浇段的混凝土浇筑密实。

预制柱底、预制剪力墙底宜设置支腿，支腿应能承受不小于2倍被支承预制构件的自重。

4.其他连接形式

①焊接

焊接连接是受力钢筋之间通过熔融金属直接传力。若焊接质量可靠，则不存在强度、刚度、恢复性能、破坏性能等方面的缺陷，是十分理想的连接方式。焊接的方式主要有：闪光对焊、电弧焊、电渣压力焊、气压焊、电焊等多种形式，可实现不同情况下的钢筋连接。

钢筋闪光对焊

闪光对焊是将两根钢筋安放成对接形式，利用电阻热使接触点金属熔化，产生强烈飞溅，形成闪光，迅速施加顶锻力完成的一种压焊方法。闪光对焊接头的施工工艺选取和质量检查，应根据《钢筋焊接及验收规范》（JGJ 18）规定，进行外观检查、拉伸试验和冷弯试验。

钢筋电渣压力焊

电渣压力焊是将两根钢筋安放成竖向对接形式，利用焊接电流通过两钢筋端面间隙，在焊剂层下形成电弧过程和电渣过程，产生电弧热和电阻热，熔化钢筋，加压完成的一种压焊方式。

预埋件钢筋埋弧压力焊

埋弧压力焊是将钢筋与钢板安放成T形接头形式，利用焊接电流通过，在焊剂层下产生电弧，形成熔池，加压完成的一种压焊方法。

②绑扎连接

钢筋绑扎连接是指将需要连接的钢筋通过细钢丝绑扎起来的一种连接方式，使之符合工程上所需要的搭接长度。绑扎连接是钢筋连接中最简单的方法，在钢筋绑扎连接过程中，扎丝在交叉节点处必须扎牢，特别是在搭接部分的中心和两端都应该扎紧。扎后的钢筋连接处，不应有松动和脱离现象。

钢筋绑扎连接的机理是钢筋的锚固，两段互相连接的钢筋各自都锚固在混凝土中，搭接长度应满足国家相关规范的要求。

③螺栓连接

螺栓连接即节点以普通螺栓或高强螺栓现场连接以传递轴力、弯矩与剪力的连接形式。螺栓连接可分为全螺栓连接和栓焊混合连接两种方式。全螺栓连接主要用于装配式钢框架结构中的柱、梁连接，装配式剪力墙结构中预制楼梯的牛腿安装。栓焊连接是多层、高层钢框架结构中最为常见的梁、柱节点连接形式。目前，装配整体式剪力墙结构竖向钢筋的连接也有采用螺栓连接的方式，其技术要求应符合现行国家规范《装配式混凝土建筑技术标准》（GB/T 51231）中的相应规定。