铁路混凝土工程钢筋机械连接的设计及加工工艺控制.pdf

1 46 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i ng 文章 编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 6 ) 0 2 0 1 4 6 0 6 铁路混凝土工程钢筋机械连接 的设计及加工工艺控 制 陈 强 ， 钟 志强 ， 谷 牧。 ， 徐先俊 ( 1 蒙西华 中铁 路股 份有限公 司 ， 北京 1 0 0 0 7 3 ； 2 安徽金星预应力工程技术有 限公 司 ， 安徽 合肥2 3 1 1 3 5 ； 3 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所 ， 北京 1 0 0 0 8 1 ) 摘要 ： 目前铁路混凝土工程大量采用钢筋机械连接 ， 取代 了传统的钢 筋焊接连接方式。本文依据“ 等 强 度连接 ” 设计原则 ， 选取铁路混凝土工程常用的 6 1 6 ， 6 2 5 ， 6 3 2钢筋分别代表 小、 中等及大直径钢筋， 采 用 不 同的螺 纹 间距 ， 开展 了钢筋机 械 连接套 筒 的优化 设 计 ， 得 出了钢 筋机 械 连接 套 筒螺纹规 格及 相应 的 尺寸， 并进行 了钢筋机械连接试验组件的加工工艺研究。此外， 对连接组件加工过程的常见工艺缺陷给 出 了处理 对策 ， 这对钢 筋机械连接 的现 场应 用具 有一 定的指 导 意义 。静 力拉 伸 、 高应 力反 复拉 压 、 大 变形反 复拉压试验结果表明， 该组连接接头的强度和变形性能均满足等强度连接的要求， 可以用于螺纹规格优选 及 下阶段 的疲 劳性能试验研 究。 关键 词 ： 钢 筋 机 械连 接 工 艺控制 混凝土 工程 中图分 类号 ： T U 5 1 1 3 3 文 献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 6 0 2 3 5 现浇混凝土施工 中， 粗钢筋的连接是最为常见 的 工艺过程之一。国内外最早都采用传统 的绑扎法 ， 该 法具有施工简便 、 对工人的技术熟练程度要求低 、 不受 气候影响等优点 ， 但同时存在浪费钢材、 钢筋偏心连接 会产生附加剪应力等缺点。为解决上述问题 ， 美 国、 日 本 、 德国在 2 0世纪 7 0年代中期研制出机械连接技术 ， 如冷挤压连接、 锥螺纹连接 、 直螺纹连接等技术 ， 并制 定了相应 的国家标准 ， 广泛应用在公路桥梁、 地铁 、 核 电站等 大跨 度抗 震结 构 中。 对粗钢筋而言 ， 机械连接技术 已经取代 了传统 的 焊 接绑扎 工 艺 ， 在 公路 桥梁 、 水 坝 以及 大 型重点 建 筑工 程中得到了广泛应用 。刘永颐等 在钢筋机械连 接技术规程编制方面所做出的大量工作引领了中国钢 筋机械连接方式的潮流。中国建科院测试了套筒挤压 接头的抗疲劳性能与套筒挤压道次的关 系， 为套筒挤 压 接头 应 用 到 动 载 结 构 做 出 了 一 定 的铺 垫 。邢 怀 念等 开展 了直螺纹套筒 连接性能试验研究 。对于 锥螺纹连接技术 ， 江苏省建科 院给 出了一系列 的螺纹 牙距推荐值 ， 并取得 了良好的实际效益 。 。 。在众 多国 内外学者试验 、 研究成果的基础上 ， 国内相关部 门组织 编写了相应的规范( 或规定) ， 作为钢筋机械连接技术应 用的指导性标准 ， 促进了连接技术的进一步应用。 收稿 日期 ： 2 0 1 5 1 0 1 3 ； 修 回日期 ： 2 0 1 5 1 0 - 2 9 基金项 目： 南广铁路公司科技研究开发计划( 南广合 2 0 1 1 0 7号) 作者简 介 ： 陈强( 1 9 7 2 一 ) ， 男， 教授级高工 ， 工学博士 。 已有的研究文献大多 以试验性的探索为主 ， 侧重 于连 接接 头 工 艺改 进 “ ， 缺 乏 系统 的理论 及 试验 研 究 。近年来 铁路 工程 大量 应用 的粗 钢筋 均需要 采 用机 械连接技术 以保证钢筋连接的有效性和经济性。原铁 道部组织编写了 铁路混凝土工程钢筋机械连接技术 暂行规定 ( 以下简称 暂规 ) 1 2 1 ， 开启 了相关规范的 完善工作 ， 通过设立科研课题 系统研究铁路 混凝土工 程用钢筋机械连接技术。本文基于“ 等强度连接 ” 原 则 ， 开展了连接接头 的优化设计及加工工艺研究 ， 并对 常见 工艺 缺 陷提 出了 处理 对 策 ， 以利 钢 筋 机 械 连接 技 术 在铁 路 混凝 土工程 中的进一 步应 用 。 1 铁路混凝土工程钢筋机械连接设计 根据螺纹计算力学理论及直螺纹强度 、 变形 、 刚度 等相关研究成果， 依据“ 等 强度连接” 的设计原则 ， 结 合铁路混凝土工程用钢筋的常用种类 ， 选择铁路混凝 土工程中较为 常用 的热 轧带肋 钢筋 ( 以 HR B 3 3 5为 例 ) ， 选取 6 1 6 ， 6 2 5 ， 6 3 2这 3种 直 径 ， 作 为小 直 径 、 中 等直径 、 大直径钢筋的代表 ， 介绍钢筋等强连接的设计 计算过程。根据 普通螺纹 基本尺寸( G B T l 9 6 2 0 0 3 ) 、 普通螺纹 公差 ( G B T 1 9 7 2 0 0 3 ) 中的各种 螺 距规 格 ， 结合 混凝 土 工 程钢 筋 机 械 连 接 接头 常用 螺 距 的市 场调 查结 果 ， 对 每 一种 直 径 的钢 筋 分别 选 择 了 3种螺距作对 比试验来优选出合理的螺纹规格 。61 6 的钢筋及 连接接 头螺距 为 2 0 ， 2 5 ， 3 0 m m， 6 2 5和 6 3 2的为 2 5 ， 3 0 ， 3 5 m m。详细螺纹规格见表 1 。 2 0 1 6年第 2期 陈 强等 ： 铁路 混凝 土工程钢筋机械连接的设计及加工工艺控制 1 4 7 根 据表 1中的钢筋直径 种类及 螺距规格 ， 依据 暂规 建议 的连接接头材料力学指标及 相关研究文 献 ， 确定螺纹连接接头材料为 4 5 优质碳素结构钢 ， 挤 压连接接头材料 为 Q 2 3 5 ( 棒料 ) ， 其力学性 能指标满 足 暂规 要求。4 5 钢抗拉强度 6 0 0 MP a ， 屈服 强度 3 5 5 MP a ， 允许 抗 剪 强度 r g f 1 7 8 MP a 。 H R B 3 3 5钢筋的抗剪 强度 7 取值 为抗拉 强度 的 0 6 0 8倍。根据螺纹连接接头 的等强度设计原则 ， 依次确定螺牙牙高 ， 大 、 中、 小径( 基本值及 虚拟值 ) ， 剪切 面长度 ( 套筒 长度 ) 和 连接 接 头 壁厚 ， 最 后 进 行数 据的圆整 ， 从而得出同一种直径钢筋适合不 同螺距的 统一的连接接头尺寸。其中螺牙剪切面长度 ， J 应确保 剪切面承受的最大剪切荷载大于钢筋的理论破断荷载 ( 剥肋削弱的截面由于冷作硬化产生 的强度提高抵消 了螺纹加工对截面的削弱作用) ， 即 竹 D h L r 订( D 2 ) 则 L ( D 2 ) ( 0 6 D。 ) 式 中 ： 为 钢 筋 的剪 切 屈 服 强 度 ， =0 6 ， 为钢 筋 的屈 服 强度 。 以钢筋基本大径为连接接头内径 ( 不考虑公差配 合偏差) ， 以钢筋加 载至屈服荷载时连接接头 的应力 恰好 等 于屈服 强度 为原则 计算 连接 接头 壁厚 A D。 A D = D ：+( A g ) ( 1 T ) 式中： D 为螺纹虚拟大径 ； A 为钢筋公称截面积 ； ， ，分别为钢筋 、 连接接头的屈服强度。 需要说明的是 ， 壁厚是指连接接头加工成型后 的 壁净 厚度 ， 不包 括 螺 牙本 身 的高 度 。这 意 味 着 连接 接 头加 工 时 ， 材料 的壁 厚 =净 厚 度 +螺牙 高度 。连 接 接 头长 度 和壁厚 确定 后 ， 取 安 全 系 数 2 0并 将数 据 圆整 后得 到 的连接 尺 寸见 图 1 、 表 2 、 表 3 。 全部倒角( 4 5 。6 0 J A 技术要求： 目视检查不得有裂纹。 螺纹精度6 H。 十 T O2 + T O 4 基本 小径D 基 本中径， J 图 1 连接接头 表 2最 终的连接接 头尺寸 规格 及详细尺寸 【 套筒挤压接头 ) 1 4 8 铁道建筑 F e b r u a r y ， 2 0 1 6 注 ： 螺 纹中径 、 小 径的偏差 T 0 1 T 0 4依据螺纹 精度 6 H查相关 表格获取 ； 试 件尺寸 总长度 ( 包含连接 件及钢筋 ) 为 9 0 c m ( 挤压套筒试件与此等长 ) 。 2钢筋机械 连接 接头 加工 工艺试 验 及加 工质 量控 制 根据表 2、 表 3中的连接接头设计尺寸， 开展 了连 接接头加工工艺及质量控制试验 ， 并对 3种直径 的钢 筋进行了钢筋一连接接头组件连接试验。其加工试验 过程及控制要点分述如下。 2 1 普通 带肋 钢筋 机械 连接 接头 试件 加工 工 艺 2 1 1连 接 接 头 的加 工 过 程 1 ) 连接接头下料。采用带锯床下料。 2 ) 端面、 外圆加工。将下好的毛坯料夹在数控车 床卡盘上 ， 按图纸长度与外径尺寸进行 车端面 以及车 外 圆加工 。 3 ) 螺纹加工。在数 控车床上进行接头 的内螺纹 加工 ， 按图纸螺纹 大径 、 中径 、 小径 及 6 H精 度加 工。 加工过程中检验人员采用卡尺进行外径及套筒长度测 量 ， 用相应规格的专用通止塞规进行检验， 保证钢套筒 的合格率。 2 1 2 剥肋 滚轧 直螺 纹连 接钢 筋接 头螺 纹加 工试 验 1 ) 钢筋调直下料。钢筋下料采用带锯床、 砂轮机 进行 ， 以保证钢筋端面平整且 与钢筋 的轴线垂直。下 料过程 中发现钢筋端部有弯 曲时 ， 要直接把弯曲部分 切断 ， 保证钢筋的平直性。 2 ) 钢筋滚丝 。剥肋滚轧直螺纹 的螺纹 制作主要 分为两个工序 ： 钢筋切削剥肋 ； 滚轧螺纹。两道工序在 同一台设备 ( 剥肋滚丝机 ) 上一次完成。切削剥肋 工序 ： 将机头前端的切削刀具按钢筋规格与相对应的 剥肋光圆尺寸调整到预定位置 ， 用 4个锁紧螺母固定 ， 并 在加 工过 程 中经 常用 卡规 检 查剥 肋 光 圆尺 寸 ， 一 旦 发 现超 差及 时 纠正 。 螺 纹 滚 轧 工 序 ： 机 头 中换 上 与 加 工规 格 ( 螺 距 ) 一 致 的 滚 丝 轮 ， 松 开 机 盒 后 端 的螺 母 ， 调整滚丝轮之间的间距使其达到预定位置， 将机盒 后端的螺母拧紧， 防止在滚轧过程 中滚丝轮之间的间 距发生变化 。剥肋滚轧直螺纹现场质量控制的核心是 丝头加工质量 的控制。加工丝头检验 主要有三个要 素 ： 剥 肋光 圆 尺寸 ( 用卡 尺进 行 测绘 ) ； 螺 纹 牙 型 、 螺纹 中径尺寸 ( 用相应规格的专用环通止规进行检验 ) ； 螺 纹加 工 长度 ( 用 卡 尺测 绘 ， 有 效 螺 纹 长度 为螺 纹 接 头 套筒的一半 ， 公差为 2 P， P为螺距) 。 3 ) 丝头保护。用套筒保 护盖对加工后 的丝 头进 行保护 ， 防止螺纹被磕碰 ， 导致无法拧入套筒。 4 ) 钢筋接头连接。连接钢筋时 ， 钢筋丝头规格 和 1 5 0 铁道建筑 的直 线度 。 8 ) 在滚轧 1 6 ， 1 5和 3 5 m m螺距钢筋端部直螺 纹 时 ， 螺 纹之 间交 错 ， 均看 不到完 整 的螺 纹 。试 件加 工 前通过调试滚丝轮 ， 虽有所 改善 ， 但是螺牙破坏严重 ， 故不推荐此两种螺距。 9 ) 钢筋直螺纹滚丝机在加工丝头时， 尺寸不容易 控制， 需要频繁调试才能找出合适的尺寸， 造成材料浪 费严重 。建议在现场施工过程 中， 一种规格的螺纹在 调整好滚丝轮 、 确保螺纹尺寸后不再调整 。当滚丝轮 磨损严重时， 应及时更换并调整尺寸。 1 0 ) 钢筋直螺纹 滚丝机加工 的丝头 ， 其钢筋端部 有一部分螺纹高出钢筋端面 ， 在旋人套筒后 ， 中间仅靠 凸起的一圈接触 ， 影响试件 的整体性。可采用磨光机 4 5 4 0 3 5 3 O 至2 5 2 O 1 5 1 0 5 引伸计伸长量 mm r a ) 钢筋直径 1 6 mm 将凸起部分磨平解决此问题。 3 钢筋机械连接静力性能试验 结果及分析 静力拉伸试验 、 高应力反复拉压试验、 大变形反复 拉压试验的结果表明， 3种形式 的机械连接接头， 除镦 粗直螺纹连接 M3 42 5的接头不满足 暂规 外 ， 其 它规格机械接头的抗拉强度和断后伸长率均能达到预 期值 ， 能够达到等强连接。 在非 弹性 变形 指 标 方 面 ， 不 同形 式 的钢 筋 直 螺 纹 接头存在差别 ， 滚压直螺纹接头的非 弹性变形性能明 显优于镦粗直螺纹接头 ， 且直螺纹连接的非弹性变形 性能优于挤压套筒连接接头。图 4 一 图 6为部分试验 结果 典 型 曲线 。 引伸计 伸长t t mm ( b ) 钢筋直径 3 2 mm 图 4挤压套筒连接接头单 向拉伸荷载一变形典型 曲线 0 0】0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 引伸计伸长t t mm 引伸计伸长t m m ( a ) 钢筋直径 2 5 m m， 螺距 2 5 m m ( b ) 钢筋直 径 3 2 m m， 螺距 3 0 mm 图 5 镦粗直螺纹连接接 头高应力 反复荷载一变形典型 曲线 引伸计伸长t ra m 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 50 Z 1 0 0 5 0 0 5 0 1 0 0 一l 5 0 引伸计伸长量 ram ( a 1 钢筋直径 2 5 mm ， 螺距 2 5m m 【 b ) 钢筋直径 3 2 m m， 螺距 3 0 mm 图 6 滚轧直螺纹连接接头大变形反复荷载一变形典 型曲线 如 如 O 瑚 m 如 。 枷 m 2 0 1 6年第 2期 陈 强等 ： 铁路混凝土工程钢筋机械连接 的设计及加工工艺控制 l 5 l 4 结 论 根据钢筋机械连接的“ 等强度设计 ” 原则 、 暂规 规定 的连接 接头 材料 力 学 性 能及 调 查 结 果 ， 确 定 了 螺 纹连接接头的材料类型 ， 依据等强直螺纹连接接头设 计原则和选定的钢筋直径种类 ， 开展 了连接接头设计 优化研究。静力学型式检验结果表明连接接头规格满 足 暂规 技术要求。根据 暂规 中的指导性工艺， 开 展了连接接头加工及螺纹连接工艺 的试验研究 ， 对加 工过程中可能的工艺缺陷提出了改进措施 ， 对钢筋机 械连 接 的进 一步 推广应 用具 有一 定 的指导 意义 。 参 考 文 献 1 王治群 钢筋 直螺纹连 接技 术在桥 梁工程 中的应用 J 湖 南交通科技 ， 2 0 0 5 ( 3 ) ： 5 9 6 2 2 龚万 江 ， 刘 维娟 用 于土 木工 程 中 的钢 筋 机械 连 接技 术 J 交通科技 ， 2 0 0 5 ( 3 ) ： 1 0 7 1 0 8 3 刘永颐 ， 徐有邻 钢筋等强直螺纹连接 J 施工技术 ， 1 9 9 8 ( 6 ) ： 3 0 3 1 4 中国建筑科学研究 院结构所 带肋钢筋套 筒连接挤压接头 性 能研 究 J 施工技术 ， 1 9 9 4 ( 6 ) ： 6 8 5 邢 怀念 ， 张小鹏 ， 刘增利 ， 等 钢筋滚 轧直螺 纹套筒 连接 性 能试验研究 J 工业建筑 ， 2 0 0 9， 3 9 ( 增 ) ： 8 4 6 8 4 9 6 陶咏， 刘晓章 钢筋锥 螺纹连接 接头螺 纹牙距研 究 J 建 筑机械化 ， 1 9 9 9 ( 1 ) ： 3 3 3 4 7 中华人 民共和 国住 房和城 乡建设 部 J G J 1 0 7 2 O l 0 钢 筋机械 连接 技 术规 程 S 北京 ： 中 国建 筑工 业 出 版社 ， 2 01 O 8 中华人 民共和 国建设 部 J G J 1 0 8 -1 9 9 6 带肋 钢筋套 筒 挤 压连 接 技 术 规 程 s 北 京 ： 中 国建 筑 工 业 出版 社 ， 1 99 6 9 中华人 民共和 国建设 部 J G J 1 0 9 -1 9 9 6 钢筋锥 螺纹接 头技术 规程 s 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 9 6 1 0 吴 弘， 孙广垠 浅 析钢筋连 接 的发 展及其在 施工 中的质 量 控 制 J 科技情报开发 与经济， 2 0 0 7 ( 4 ) ： 2 6 2 2 6 3 1 1 郑文俊 ， 潘江波 ， 宁英杰 ， 等 钢筋机 械连接 质量 问题原 因 分 析及处理措施 J 交通标准化 ， 2 0 0 9 ( 1 0 ) ： 1 7 4 1 7 6 1 2 中华人 民共 和国铁道 部 铁 建设 2 0 1 0 4 l号铁 路混凝 土 工程 钢筋 机械连 接技术 暂行 规定 s 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 2 0 1 0 De s i g n a n d c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y c o n t r o l o f m e c h a n i c a l c o n n e c t i o n o f s t e e l b a r s i n r a i l wa y c o n c r e t e e ng i n e e r i n g C H E N Q i a n g ， Z HO N G Z h i q i a n g ， G U M u ， X U X i a n j u n ( 1 Me n g x i Hu a z h o n g Ra i l wa y C o ， L t d ， B e i j i n g 1 0 0 0 7 3， C h i n a ； 2 An h u i J i n x i n g P r e s t r e s s e d E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y C o ， L t d ， H e f e i A n h u i 2 3 1 1 3 5 ， C h i n a ； 3 R a i l w a y E n g i n e e r i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ， C h i n a A c a d e my o f R a i l w a y S c i e n c e s ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： M e c ha ni c a l c o n ne c ti o n o f b a r s whi c h ha s r e p l a c e d c on ve nti o nal we l de d c o nn e c tio n i s e x t e n s i ve l y a p pl i e d i n r a i l wa y c o nc r e t e e ng i ne e r i ng Ba s e d on “e q ua l s t r e ng t h c o nn e c ti on” pr inc i pl e，t he o p t i m i z a tio n de s i g n of ba r me c h a n i c a l c o n n e c t i o n wa s c a r r i e d o u t ， a n d c o mmo n l y u s e d t h l 6 ， 6 2 5 a n d 6 3 2 b a r d i a me t e r s we r e s e l e c t e d t o r e p r e s e nt s m a l l ， me d i um a nd l a r g e d i a me t e r ba r s Thr e a d s i z e a n d c o r r e s po nd ing m e c ha ni c al c on ne c ti o n d i me n s i o n s we r e o b t a i ne dCon s t r uc t i o n t e c hn i c a l c o ntro l of me c ha n i c a l c o nne c tio n o f bars wa s r e s e a r c he d a nd t r e a t m e n t m e a s u r e s of c o mm o n t e c hno l og i c al f l a ws we r e p r o v i de dI t s h ou l d be o f g r e a t g ui d ing s i gn i f i c an c e t o in s i t u a p pl i c a t i o n。 Re s u l t s o f s t a ti c t e n s i l e t e s ts ， r e p e a t e d t e ns i l e an d c o mpr e s s i o na l t e s ts a t h i g h s t r e s s l e ve l or a t l ar g e d e f o r ma t i o n al c o n d i ti o n p r o v e d tha t s t a ti c s t r e n g t h a n d d e f o r ma ti o n p e r f o r ma n c e o f me c h an i c a l c o n n e c ti o n we r e q u alifi e d wi th c o d e s ， a n d s ho u l d be u s e d f o r f ur the r th r e a d s i z e o p t i mi z a tio n a n d f a t i g ue pe r f o r ma n c e t e s t s Ke y wo r ds ： Bar s ； M e c ha ni c a l c o nn e c ti on； Te c h ni c a l c o nt r ol ； Con c r e t e e ng i ne e r ing ( 责任 审编李付军)