浅析钢筋的连接要用手段加以控制的原由

浅析钢筋的连接要用手段加以控制的原由

金美良徐兴兴应康

海天建设集团有限公司浙江东阳322100

钢筋连接的形式，在国家规范《混凝土结构设计规范》（GB50010一2010）第8章第4节“钢筋的连接”中的第8.4.1条中阐明“钢筋的连接可分两类：绑扎搭接；机械连接或焊接。”

各种形式的钢筋连接，其连接接头作为混凝土结构中受力钢筋的一部分，还必须满足作为受力钢筋应有的力学性能。包括强度（承载力）、延性（破坏形态）、刚度（变形）、恢复性能、疲劳性能，耐久性、施工适应性及质量稳定性等。在分析和评价各种连接接头的性能时，应以无连接接头的整体钢筋作为基准进行对比分析，方能真正比较其性能的优劣。下面从多方面来阐述：

1施工条件和环境影响因素

（1）钢筋直螺纹连接属于冷加工连接，不会使钢筋因局部高温而熔接，且不会引起钢筋脆性变化，在高强度大直径钢筋连接中应作为首选的连接方式。但现在有些建筑工地采用的钢筋直螺纹连接存在较大的质量缺陷，工程质量存在较大隐患。

a、现场施工中钢筋直接剥肋套丝的接头处钢筋直径减小较大，如按《施工手册》第四版的有关要求先行剥肋，再滚轧丝头。以直径25钢筋为例，剥肋后直径为23.7±0.2mm，滚轧螺纹尺寸为M26x3mm，按螺纹外径26mm计，螺纹齿深3mm，齿槽小径仅剩20mm，特别是套筒外露的一两扣处钢筋截面削弱达36％，结构设计的富余系数不会有这样大的，这会对结构安全影响很大。推广镦粗剥肋直螺纹连接技术，淘汰直接剥肋滚轧套丝的工艺。在滚轧套丝前用专用钢筋液压镦粗机将钢筋套丝端头镦粗，直径可增大4～6mm，剥肋滚轧丝头后的齿槽小径能保证达到钢筋原材的内径（小横肋以外的直径）。

b、现行直螺纹套筒材质不标准，现在市场上供应的直螺纹套筒标注均为45号优质碳素结构钢，按《钢筋机械连接技术规程（附条文说明）》（JGJ107—20l0）第3.0.2条要求，接头连接件的屈服承载力和受拉承载力的标准值不应小于被连接钢筋的屈服承载力和受拉承载力标准值的1.1O倍。HRB400级~DHRB500级高强钢筋连接的套筒应该选用75号优质碳素结构钢，采用冷加工的材质。而45号优质碳素结构钢的屈服强度为355MPa，抗拉强度为600MPa，其他材质的更小。

（2）钢筋焊接接头是当今民用建筑工程中主要的连接方式之一，焊接质量和原材料的质量、焊条和焊接的电流电压几个方面的影响因素有着息息相关的联系。

a、原材料的影响：钢筋的焊接性能的好坏又取决于锰和硅的影响，锰和硅的含量增加，钢筋的焊接性能就会变差。这样碳、锰和硅的影响可以折算为碳当量的计算。Ceq（%）=C+Mn/6+（Cr+V+Mo）/5+（Cu+Ni）/15。从上面的公式可以看出钢筋的碳含量和碳当量的正比关系，随着钢筋碳含量的增加，碳当量也随之增加，从而降低了钢筋的焊接性能。而凡是原材料拉伸结果强度高、延伸率低、塑性差的钢筋，在焊接试验中具有热脆性，容易发生脆性断裂，就会直接影响钢筋焊接接头的质量。因此，在对于有较高要求的抗震结构中，绝对不允许用这类钢筋原材料。

b、焊条的影响：工程中所使用的钢筋的化学成分不同和极限抗拉强度不同，应选用不同成分和强度的焊条。基于对建筑工程质量的严格要求，对焊条的要求除了要选用硫、磷有要求的焊条外，其它化学成分也要有保障，从而确保焊接接头的质量。在对于有较高要求的抗震结构用钢筋，焊条应采用低氢型碱性焊条，绝对不能用酸性焊条代替。对于存放多年的焊条在使用前，应先烘干后再进行工艺性能试验，如药皮有成块脱落或有出现气孔，它焊接出的接头质量一般是没有保证的。

c、电流电压的影响：焊接时的电流随着钢筋直径的增大而增大，焊接电压却要保持在一定的范围，钢筋的焊接接头才有质量保证。外在因素在施工现场中电源电压往往不稳定，就会对焊接质量有较大的影响。为此要求在焊接电源箱内装设电压表，焊工可随时观察电压波动情况，及时调整焊接工艺参数，以保证焊接接头质量。人为的控制原因是在施焊前，在钢筋的焊接区域内，钢筋表面的铁锈、油污，未烘干的焊条、焊接的电流太小，从而影响焊接接头的质量。

（3）要使得建筑物的主体结构的质量得到提高，需要各方的共同努力和监督并加以控制。

2刚度（变形模量）

刚度是在荷载效应作用下结构构件抵抗变形的能力。对于钢筋连接接头而言，则是在拉力作用下接头区域的伸长变形。其影响到混凝土构件的挠度变形以及接头区域的裂缝状态。因此，也是钢筋连接接头的重要受力性能之一。

刚度涉及的变形问题属于正常使用极限状态。我国混凝土结构中，在使用状态下钢筋的应力水平约为其设计强度的70％左右，故一般情况下尚处于弹性阶段。对于整体钢筋而言，基准段（L）受力后引起的弹性伸长变形为△Ls，取决于钢筋的弹性模量Es，如图2中的斜直线所示。

对搭接钢筋而言，由于重叠部分（即基准段L）两根钢筋应力是递增（减）变化的，每根钢筋的伸长变形约为整体钢筋的一半左右。基准段两根钢筋的相对伸长是两根钢筋伸长之和，亦即单根钢筋伸长的2倍。因此，钢筋的弹性伸长△Ls与整体钢筋基本一致。但是，在塔接传力过程中，除了钢筋的弹性变形以外，还会发生两根钢筋的相对滑移△Lp，这部分变形是非弹性的，且随着荷载（拉力）的增大而呈非线性发展，如图1（a）曲线所示。因此，对搭接接头而言，其相对伸长变形总量△Lc=△Ls+△Lp．，始终大于弹性变形值△Ls。从变行模量的角度来衡量其刚度的话，相应的割线模量Ec小于钢筋的弹模量Es，如图1（a）中的虚线所示。

对钢筋的焊接接头，因为是通过焊缝处熔融钢材的直接传力，因此基准段（z）的伸长变形完全取决于钢材的弹性模量Es。一般情况下焊缝材料及焊接热影响区钢材的弹性模量E‘s变化不大，故可以认为焊接接头区域的刚度基本未受影响。因此其伸长变形△Ls’与弹性伸长△Ls基本相当。

对钢筋机械连接而言，由于钢筋是依靠螺纹（凹凸）的咬合作用通过套筒传力的。因此，除了被连接钢筋段和连接套筒的弹性变形△Ls以外，还有咬合齿的变形（可视为相对两个悬臂的受力状态）和螺纹之间的空隙行程（只要螺纹能够旋人就必然有预留的负公差空间），再加上某些情况下接头钢筋经镦粗、挤压，金相组织改变而引起弹性模量的降低，因此也会产生非线性的变形△Lp[图1（b）]。这部分非弹性变形并不均衡发展。受力之初先克服螺纹间隙，此时拉力不大但滑移较大，形成变形曲线上的第一个平缓段。当螺纹变形充分咬合以后，曲线变陡，但荷载较大时非线性变形△Lp仍难以避免。因此，总变形量△Lc=△Ls+△Lp仍比弹性变形值△Ls大，而相应的割线模量Ec肯定会小于钢筋的弹性模量Es，如图1（b）中的虚线所示。

总之，在钢筋连接的各种形式中，除直接传力的焊接接头以外，间接传力的绑扎搭接接头和机械连接接头总会发生非弹性的伸长变形，使总变形△Lc大于弹性变形值△ls，即接头的割线模量Ec小于钢筋的弹性模量Es由于在连接区段内刚度较小，伸长变形加大，故搭接连接区域或机械连接接头区域往往成为裂缝集中的区域，构件挠度也相对增大。

上述钢筋连接接头区段的刚度蜕化（减小）的影响，还远不止对裂缝或变形（挠度）的影响。其还可能引起截面受力钢筋应力的差异，使纵向钢筋受力处于不均匀受力的不利状态。例如，在同一受弯构件中配置的受力钢筋，其中有连贯的整体钢筋，也有部分钢筋依靠连接接头传力。整体钢筋的弹性模量为Es，而连接钢筋由于刚度蜕化而使变形模量减小为割线模量Ec，如图2所示。在同一受力截面中，由于平截面变形，两种钢筋应有基本相同的应变值o。但是，由于其变形模量的不同，整体钢筋中引起的应力δs=Eso。；而连接钢筋中的应力δc=Ec0。显然δc<δs，即整体钢筋要承担比连接钢筋更大的应力。由图2中看出，两者的应力差为△δ，而这与设计计算时截面内应力分布的理想状态并不一致。通常整体钢筋应力较高，将先于被连接钢筋提前达到屈服。因而，应力不均匀将对截面抗力产生不利影响。这种连接钢筋变形模量蜕化（由Es减小为Ec）引起的受力不均衡，已为试验量测所证实。

因此，必须对连接接头质量提出严格的要求，并对其接头面积百分率加以限制。一般施工人员往往只注意钢筋连接的强度问题而并不太注意钢筋连接区段刚度蜕化、割线模量减小对于承载受力形态的的影响，而实际这种应力差引起的承载受力状态变化，是实际存在。

设计规范要求“在同一根钢筋上宜少设接头”，这一点实际是对施工单位的要求。在同一根钢筋上设置多个连接接头，其抗力受到削弱的概率就大得多。尤其是连接接头引起的刚度蜕化，将使该钢筋在同一截面的受力钢筋中承受比其他钢筋要小得多的应力。由此而引起的各受力钢筋受力分配的不均匀，将不利于结构的承载受力，应该加以认识避免。如在切断钢筋后余料再用的情况下，容易发生一根钢筋多个接头的情况。此时应注意应采用重复料搭配的方式，避免短料多次拼接的做法。在混凝土结构施的钢筋安装时，在同一跨度内，最好只有一个连接接头，以保证该构件的力学性能。只有当构件的长度很大时（很大层高的柱子或桁架、屋架下弦杆等），只限一个连接接头有时很难做到，则可以适当放宽。这也就是规范用“宜”字而没有强调“应”的原因。

3恢复力（消除残余效应）

混凝土结构承载受力以后，产生变形、裂缝均属正常现象。但在外加荷载撤去以后，大部分挠曲变形及裂缝宽度应该能够减小或闭合，当然也可能还剩下小部分残余变形或裂缝宽度。这种性能称为恢复性能，简称恢复力。由于作用在建筑结构上使用荷载的不确定性，

偶尔的超载可能引起较大的挠曲变形和裂缝。然而，当荷载消失以后，如果能基本回复到承载前的变形和裂缝状态，就不会给继续使用造成明显的影响。反之，如造成明显的较大残余变形及残余裂缝宽度就比较不利。因此，恢复性能也是混凝土结构构件和材料的重要受力性能之一。对于混凝土结构的使用功能，特别对于裂缝控制性能，有着重要的影响。

对于钢筋而言，在一般使用状态下，应力水平约为设计强度的70%左右，尚处于弹性阶段，故卸载后弹性变形可以基本恢复。对于整体钢筋的基准段（L），荷载作用下的弹性变形△Ls在卸载以后可以基本消失，所以整体钢筋具有很好的恢复性能。

对于焊接连接接头而言，由于是通过焊缝处钢材的直接传力，且热影响区钢材的变形基本也是弹性的，因此恢复性能较好，大体与整体钢筋相似。

但是对于绑扎搭接而言，情况就大不一样了。在搭接连接区段（基准段L）发生非线性变形△Lc以后，卸载只能基本恢复其中弹性伸长的部分△Ls。由于搭接钢筋相对滑移引起的非弹性变形△Lp无法全部恢复，遂成为残余伸长变形和残余裂缝宽度。实际工程中，也常可以观察到在搭接连接区域的可见裂缝。这些裂缝往往是由于偶然超载而引起的，但在卸载以后无法完全恢复，因而留下了残余变形和残余裂缝。因此，绑扎搭接连接的恢复性能不良。

钢筋的机械连接情况类似。由于非弹性变形△L`p的存在，在荷载消失以后不可避免地会留下残余变形（挠度），并在混凝土构件中留下残余裂缝。然而性能良好的机械连接形式，在确保施工质量时，这种残余变形和裂缝会比搭接连接小得多。但是，由于连接接头是通过咬合套筒的间接传力的形式，机械连接在恢复力方面的弱点还是难以避免的。这也就是在混凝土结构中，机械连接所在部位往往成为产生裂缝位置的原因。

恢复力还体现在遭受高应力和大变形后抗力的蜕化。这与偶然一次或几次）超载作用后的恢复性能不同，在遭受地震作用下的混凝土结构中，往往由于往复的强迫位移而引起钢筋的很大的拉压反复变形。在强震情况下，由于强迫位移数值很大，一往往还在混凝土结构中的某些部位形成塑性铰并使钢筋屈服。

此外，在风荷载和较小地震的作用下，钢筋虽然不一定达到屈服，但也可能达到接近屈服的高应力状态（例如0.9Fyk）。相对于疲劳荷载而言，这种反复作用的次数相对不会太多，但也可能对连接钢筋的抗力造成影响。

总之，在接近或超过屈服强度和弹性极限的高应力和大变形的反复作用下，钢筋的承载受力性能将发生蜕化。尽管连接钢筋不一定断裂或拉开，但由于高应力、大变形所引起的非弹性变形，就可能引起连接接头处的残余伸长。反映为混凝土结构中的宏观现象，则为明显的残余挠度和残余裂缝宽度。

因此，从承受反复荷载作用的角度而言，应考虑钢筋连接有可能引起的传力性能蜕化，亦即不可恢复的残余变形或裂缝。

4延性（破坏形态）

延性是钢筋受力后极限变形的能力，即拉断前的最大伸长变形（均匀伸长率）。其涉及钢筋断裂前的变形与耗能能力，与混凝土结构的破坏形态有极大的关系。地震灾害调查及许多恶性的结构工程事故调查都表明，引起构件断裂、结构解体、建筑倒塌的根本原因往往并非强度不足，而是延性太差（脆性）。由于破坏形态对结构安全的影响，混凝土结构的延性是不亚于其强度的最重要的影响因素之一。中国有87％的行政区必须考虑抗震，结构延性的意义更为突出。

图3对比了不同延性钢筋受力后变形、屈服、直至断裂前的全过程应力一应变曲线，以及钢筋的耗能能力（U），亦即外力拉断钢筋所必须做的功（w）。由图可以看出，强度较高的钢筋（f1），因均匀仲长率（&1，）较小，耗能能力并不大U1）；相反强度并不高的钢筋（f2），由于均匀伸长率（&2）很大，耗能能力要大得多（U2）。因此要使延性较好的钢筋断裂，外力必须作更大的功（w2>w1）。

对于钢筋的连接接头也是一样，其受拉到断裂前的伸长变形能力（延性）决定了其破坏形态。搭接钢筋连接可以在相对滑移很大的情况下仍然能够维持钢筋之间的传力，因而具有一定的延性。如果能够满足搭接长度以及必要的构造措施，在地震作用等很大的强迫位移情况下，只要搭接钢筋不分离，就可以避免发生构件断裂、结构解体、建筑倒塌等严重后果。

焊接的钢筋尽管是通过熔融金属冷却后的连接而直接传力的。但在我国的施工条件下，很难完全避免和检验出焊缝内的缺陷（裂纹、气孔、夹渣、未融合等）。同时焊接热影响区内的金相组织变化和某些情况下产生的焊接应力，都可能导致钢筋的焊接接头在变形并不太大的情况下断裂（脆断）。受力钢筋的断裂使传力中断，相当于配筋结构蜕化成为素混凝土结构。因此承载力急剧降低，往往导致构件断裂，结构解体，建筑物倒塌等严重后果。

钢筋机械连接接头受到材料、施工、工艺等因素影响，往往也可能在变形不大时发生脆性的断裂。如挤压过度时套筒沿纵向劈裂；镦粗工艺造成钢筋内部金相组织变化引起的截面变化处钢材脆断；因制作与施工的原因造成螺纹不足或咬合的螺纹缺陷引起“倒牙”而拔出分离……都可能引起传力中断而造成严重后果。

5疲劳性能

当混凝土结构用于桥梁、道路、吊车梁等处作为承载受力的主要构件时，构件将承受长期反复荷载的作用，称为疲劳荷载。在疲劳荷载作用下，受力钢筋局部缺陷在反复交变的应力作用下损伤累积。当损伤增加到一定程度时，就会引起明显无预兆的疲劳破坏（断裂）。在钢筋表面凹凸不平，形状复杂的条件下，曲率较大处往往成为疲劳破坏的诱发点。

承受疲劳荷载的受力钢筋同样存在着连接接头，其抗力同样会受到很大的削弱。与整体的连贯钢筋比较，其强度（承载力）、延性（破坏形态）、刚度（割线模量）、恢复力（恢复性能）都会有不同程度的降低，与疲劳应力的性质有关。因此，在承受疲劳荷载作用的混凝土结构中，钢筋连接接头应特别慎重，除对接头形式，接头面积百分率及相应的构造措施提出要求外，对重要结构中的钢筋连接往往还必须进行专门的疲劳性能试验。

6施工适应性及质量稳定性

所有的钢筋连接形式（绑扎搭接、焊接、机械连接）都进行过系统的试验研究，并在规范标准中提出了相应的质量要求。钢筋连接的施工适应性是连接施工的难易程度。如果施工工艺复杂，施工设备昂贵，对施工操作人员的技术水平要求很高，施工后质量的检验手段复杂，则施工适应性就较差。施工适应性不仅影响到施工成本和经济效益，还对施工质量造成影响。一般施工适应性较差的连接工艺，由于操作困难，施工质量不易保证。

施工时，除为满足应有质量要求而制订必要的操作规程以控制实际施工人员的操作质量外，还必须有效的监督检查手段，以便真正能够保证实际施工质量。而这与各种连接方式的特点有关，其决定了施工质量的可靠性。

绑扎搭接接头可以一目了然地观察到搭接钢筋的位置、搭接钢筋接头面积百分率、受力钢筋的搭接长度、搭接连接区段的保护层厚度以及连接区段的配箍约束情况。因此，绑扎搭接连接尽管是一种比较古老而简单的连接方式，其施工质量却比较容易得到保证，也不失为一种可靠的连接方式。实际工程中，由于搭接传力性能不良而引起的传力中止、构件断裂、结构解体等灾害性事故很少发生。因此，其施工适应性较好，质量稳定性也是比较有保证的。对于粗直径钢筋的搭接连接，施工难度大，质量不易保证。所以规范对此规定了使用条件的限制。

我国焊接施工目前大多还靠手工操作，焊工的技术素质、施焊位置、熟练程度、操作环境、疲劳程度以及心理状态等都不可避免地会影响焊接质量。此外，施焊条件、大气环境（阴、晴、风、雨、晒、冻等）等客观因素也都会影响焊接质量。尽管有关规程对保证焊接质量提出了种种措施，同时还有抽样检验进行质量控制，但由于抽检比例较小（1／200～1／300），检验手段很难严密，故还难以避免漏检的风险。

有许多焊接的质量隐患，例如裂纹、夹渣、虚焊等可能严重影响传力的质量，但这些缺陷是很难通过普查发现的。焊接过程中，焊接钢筋经历焊接热过程、冶金反应，以及焊接应力和变形的作用，因而带来化学成分、金相组织、尺寸和形状的变化，使焊接接头的性能往往不同于母材，有时甚至不能满足使用要求。

机械连接相对比较有保证。因为靠挤压和螺纹的咬合作用互相传力，比焊接要直观和可靠。施工人员经技术培训就能够达到应有的操作水平，只要施工时认真操作，一般情况下都可以满足规范标准要求的质量，连接质量比较容易通过观察和现场检验得到保证。但其并非没有隐患，如挤压过度引起套筒的劈裂；镦粗引起的材料脆性；制造缺陷引起的接头拉脱；螺纹配合不良引起的倒牙等，甚至施工不认真而未将螺纹拧紧至应有的扣数，都可能达不到应有的质量水平。

近几年地震，有些混凝土结构因钢筋机械连接接头断裂而引起结构倒塌，也引起了工程界的反思。因此施工适应性及质量的稳定性也是钢筋连接的重要性能之一。

小结

除上诉六点外，还有耐久性等因素，均使钢筋连接部分的抗力能力有所减弱，所以我们才说，钢筋连接无论如何也不如连贯的整体钢筋。宣传某些钢筋连接接头可以在“任何条件下”，“不受限制”地应用等，这种夸大的说法是欠科学，经不起最起码的推敲。我们在进行钢筋连接的时候，必须进行有效的控制来弥补钢筋连接带来的不利影响，控制的手段主要包括以下一些原则：

（1）严格按有关标准规范控制接头连接的施工质量。

（2）限制钢筋连接接头布置，应避免应力较大处布置接头，而应布置在应力较小部位，以减少荷载效应的影响。

（3）避免在同一钢筋上设置多个连接接头，使传力可靠。

（4）确定连接区段的范围，控制同一区段内连接钢筋的接头面积百分率。

（5）在连接区段内采取配套的构造措施以确保连接接头的传力性能。