钢筋机械连接技术

钢筋剥肋滚轧直螺纹连接技术在京杭运河特大桥 中铁十九局集团第二工程有限公司华东工程公司  石翠颖  梁　波 摘要：本文通过对钢筋机械连接技术发展史及各种连接技术优缺点的论述，从而阐明了钢筋剥肋滚轧直螺纹连接的优越性，并介绍该技术在扬州西北绕城高速公路京杭运河特大桥的应用情况。 关键词：钢筋机械连接技术　剥肋滚轧直螺纹连接　应用 一、钢筋机械连接技术的发展史 随着科技发展，对施工效率要求越来越高，加上人类对建筑施工安全意识加强，为防范各种灾难，对建筑、桥梁等要求具备防风、抗震、抗弯高强度性能也要求越来越高，通过实践证明：机械连接具有原有焊接等无法比拟的优点，如：不受天气限制，操作安全，高效，易检查，不存在应力及连接强度高等。 原有的机械连接方式不断地得到发展，首先有套筒挤压连接，由于受施工速度的限制，研发出锥螺纹连接，但锥螺纹虽然解决了施工速度问，但强度受到削弱，后来发展镦粗直螺纹连接，也未能解决强度问题，同时，还牺牲了施工效率及成本，显然，市场生命力不强。 钢筋滚轧直螺纹连接就是适应市场需要而开发的，它克服了套筒挤压连接、锥螺纹及镦粗直螺纹的缺点，又结合了它们的优点。具有螺纹强度高，螺纹精度好，拧紧快速，是目前钢筋连接的更新换代技术。 钢筋机械连接技术在国外工程中已经普遍采用，国内在一些大中城市的建筑工程及交通领域的特大型桥梁工程中也开始大量推广使用。 二、各种钢筋机械连接技术   1．套筒挤压连接技术 针对施工中大直径钢筋焊接难，可靠性差的问题，参照国外技术开发了符合我国国情的钢筋套筒挤压连接技术。由于其优良的连接质量，挤压连接技术被大力推广使用，至今仍被广泛推广应用。挤压连接由三部分组成，即挤压设备、挤压模及套筒。 该技术的原理是：通过压接套在钢筋上的套筒永久变形而产生的压力，来保证钢筋连接不被拉出，经实验证明该技术完全可达到任何规格钢筋母材等强度。该技术的施工：钢筋平头→划线→按线将套筒套在钢筋上→按套筒刻线挤压→检验→完成。 该技术的优点：接头质量稳定可靠，接头性能能容易达到中A级要求，实现钢筋等强度连接；对钢筋的适应性强；对不能转动的钢筋在不增加成本的情况下也能实现可靠连接。不足之处是：现场施工劳动强度大，生产效率低；对操作空间有一定要求，不适合在高密度布筋场合应用；液压油有污染钢筋现象，清理比较麻烦。 2．锥螺纹连接技术 在大量的施工过程中，挤压连接不能满足现场施工进度要求，且劳动强度大和连接施工只能半预制的原因，引进施工速度更快的锥螺纹连接。由于锥螺纹连接技术具有施工速度快、接头成本低的特点，自九十年代中早期推广应用以来也得到大范围使用。锥螺纹连接由三部分组成，即套丝机、套筒、定力矩扳手。 该技术原理是：用套丝机直接在钢筋端头上套扣，通过提前预制带内螺纹的套筒连接，定矩拧紧，将两根钢筋连接在一起，经实验证明该技术完全可接近钢筋母材等强度。该技术的：钢筋平头→套丝→丝头检验→用定力矩扳手连接→完成。 与挤压连接相比，锥螺纹连接的优点是：克服了套筒挤压连接技术存在的不足，锥螺纹丝头提前预制，现场只需用定力矩扳手直接连接，工期短，现场操作不需搬动设备和拉扯电线，成本低。不足之处是：接头质量不稳定，由于加工螺纹的小径削弱了母材的截面积，从而降低了接头强度，一般只能母材实际抗拉强度的85～95％，这严重影响施工质量，在一定程度上决定了该技术被淘汰，在一些地区已很少采用。 3．镦粗直螺纹连接技术 由于锥螺纹连接接头不能达到与母材等强度，为满足施工速度及钢筋连接强度要求，在九十年代末引进镦粗直螺纹连接技术。国外镦粗直螺纹连接既有热镦粗又有冷镦粗，热镦粗主要是消除镦粗过程中产生的内应力，但加热设备投入费用高。我国引入的主要是冷镦粗，要求钢筋的延伸性好，镦粗质量受钢筋材质影响大，较难控制，易产生脆断现象。设备与锥螺纹相比投入较大，施工效率降低，而强度提高有限，该技术的推广应用，受到自身缺陷的影响，有些地区没有工程采用。锥螺纹连接由四部分组成，即镦粗机、套丝机、套筒、管钳。 该技术的原理是：先将钢筋端头镦粗，镦粗直径保证加工出的螺纹小径不小于钢筋母材直径的螺纹，使接头与母材等强。用套丝机在钢筋镦粗端头上套扣，通过提前预制带螺纹的套筒连接，拧紧，将两根钢筋连接在一起，经实验证明该技术完全可达到钢筋母材等强度，但接头延展性差。施工工艺为：钢筋平头→镦粗→套丝→丝头检验→连接→检验→完成。 该技术优点是：接头强度比锥螺纹有所提高；施工速度较挤压连接快；工人劳动强度较挤压连接低；钢筋直螺纹丝头提前全部预制。存在的不足之处是：加工过程中易出现镦偏现象，一旦镦偏必须切掉重镦，螺纹加工需要两道工序两套设备完成，施工效率较锥螺纹低；镦粗过程中产生内应力，钢筋镦粗部分延展性降低，易产生脆断现象，连接强度及质量较挤压连接低。 4．滚轧直螺纹连接技术 能否真正实现结合挤压连接和锥螺纹连接的优点，人们开发出滚轧直螺纹连接技术。该接头质量稳定可靠、连接强度高，与挤压接头质量相媲美，又有锥螺纹接头施工方便、速度快的特点，因此，滚轧直螺纹是集钢筋各种机械连接技术的优点于一体，具有广阔的市场前景。目前，国内企业开发的主要有两种类型，即直接滚轧直螺纹和剥肋滚轧直螺纹。 1）直接滚轧直螺纹 直接滚轧直螺纹连接由三部分组成，即滚丝机、套筒、管钳。该技术原理是：通过滚丝机上的滚轮滚轧钢筋，利用金属材料塑性变形，在钢筋端头滚出丝扣，由于丝扣受滚挤后冷作硬化，提高了强度（一般提高5％）；通过提前预制带内螺纹的套筒连接，拧紧，将两根钢筋连接在一起，经实验证明该技术完全可达到钢筋母材等强度。 该技术优点是：设备简单；接头强度好。存在的不足是：加工过程中存在虚假现象，螺纹精度差；另外，钢筋粗细不均，加工的螺纹直径大小也不一致，经常造成接头套筒与丝头配合很松或无法入扣，钢筋直径变化及横纵肋的作用使滚丝轮受力不均，造成滚丝轮容易损坏，增加了接头附加成本。 2）剥肋滚轧直螺纹 直接滚轧直螺纹连接由三部分组成，即剥肋滚丝机、套筒、管钳。该技术原理是：通过剥肋滚丝机上的刀具去除钢筋的横纵肋，但并不破坏钢筋的基圆，剥到尺寸后刀具自动张开，开始滚丝，利用金属材料塑性变形，在钢筋端头滚出丝扣，由于丝扣受滚挤后冷作硬化，提高了强度（一般提高5％）；通过提前预制带螺纹的套筒连接，拧紧，将连接接头性能达到了“钢筋机械连接通用技术规程”JGJ107－96中A级接头性能要求，实现了等强度连接。其施工工艺是：钢筋平头→剥肋滚轧螺纹→丝头检查→连接→检验→完成。 该技术优点是：克服了以上直接滚轧连接的缺点，螺纹精度高，滚轮寿命长；接头容易拧入，施工效率高；大大降低了施工成本。存在的不足是：设备一次性成本投入比直接滚轧设备稍大。剥肋滚轧直螺纹设备是适应以上市场需求自主研发的，目前，产品已开发应用至三代，独创的剥肋结构，节约了生产成本；设备不仅可加工长螺纹，也可加工反螺纹，而不需增加任何配件；调整维修简单方便；加工螺纹精度高，一致性好；滚轮寿命长。 该技术适用于直径为16～40钢筋在任意方向和位置的同径、异径连接，可应用于要求充分发挥钢筋强度或对接头延性要求高的混凝土结构、对疲劳性能在要求高的混凝土结构，如机场、桥梁、隧道、电视塔、核电站、水电站等，以及低温条件下施工的混凝土结构。 三、各种连接技术的综合比较 几种钢筋连接技术性能及效益对比如下表所示： 序号 对比项目 锥螺纹 镦粗直螺纹 直接滚轧 直螺纹 剥肋滚轧 直螺纹 冷挤压 1 接头连接强度 低 中 高 高 高 2 接头加工速度 快 慢 快 快 3 接头连接效率 高 高 低 高 极低 4 接头连接质量稳定性 一般 较好 一般 好 好 5 螺纹精度 中 中 差 高 6 套筒成本 高 中 中 低 高 7 易损件使用寿命 疏刀300～500头 镦粗模500头，疏刀500头 滚丝轮300～500头 刀片可反复使用，滚丝轮4000～10000头 挤压模5000～10000头 8 单个接头消耗成本 较低 高 高 低 低 9 污染情况 无 有 无 无 常有 10 连接工具 力矩扳手 管钳 管钳 管钳 挤压钳 11 操作人员工作强度 小 中 中 小 大 12 接头加工设备成本 低 高 中 中 中 13 接头综合施工成本 低 中 中 较低 高 14 接头性能价格比 一般 差 一般 好 一般 15 技术的先进性、可靠性 差 差 一般 好 好 通过对比，可以看出：在钢筋机械连接技术中，钢筋剥肋滚轧直螺纹连接技术综合优势比较强，不仅接头连接强度高，稳定可靠，施工速度快，接头综合成本低，而且丝头制作方便，深受广大建设、设计、施工、监理以及质检部门的欢迎。 该项技术与其他钢筋机械连接技术相比具有以下特点： 1．与套筒挤压连接技术相比，接头性能与挤压接头相当；但套筒重量仅为挤压套筒重量的30～40％，且劳动强度小、连接速度快，钢筋连接接头成本降低。 2．与锥螺纹套筒连接技术相比，套筒成本相近，但连接强度高，刀具更换少。 3．与镦粗直螺纹连接技术相比，操作工序少，设备投入少，钢筋连接附加成本低，对钢筋延性要求低。 4．与直接滚轧直螺纹连接技术相比，成型螺纹精度高，滚丝轮寿命长，等强度连接可靠性高。 四、剥肋滚轧直螺纹连接技术在京杭运河特大桥的应用   1．工程简介 扬州西北绕城高速公路京杭运河特大桥主桥上部结构为(75+120+75)m三跨变截面连续箱梁，采用悬臂浇筑法施工；基础及下部结构为深水低桩承台、空心薄壁墩，墩高12.4m，采用翻模法分节浇筑。墩身主筋直径为Ф32和Ф25两种，一个墩身断面主筋数量为452根。为方便施工和满足分节浇筑要求，每根主筋接长三次，即一个墩身主筋接头数量为452×3=1356个，全桥共计4个主墩，接头数量合计为1356×4=5424个。如此大量的钢筋接头若采用焊接，不但施工工期长，而且也不利于保证接头质量。故在施工中主筋接头采用了剥肋滚轧螺纹连接技术，采用标准型连接套进行连接，取得施工速度快、接头质量好、节约经济成本的良好效果。 2．施工准备 参加接头施工的操作工人、技术管理和质量管理人员均参加了技术规程培训，操作工人经考核合格后持证上岗。 钢筋先经调直后再进行下料，切割断面应与钢筋轴线垂直，不得有锥面或挠曲，采用切割机下料，不得用气割下料。 连接套进场后检查产品合格证，进行复检，看是否有严重锈蚀、油脂等影响混凝土质量的缺陷或杂物。经检验合格的连接套其精度为6H级，并符合GB／T197的规定，表面粗糙度不低于6.3；其外形尺寸符合下表规定（为规范起见，各种规格均列出如下，单位mm）： 规格 螺距P 外径D0 长度L 底径D≥ 螺纹小径D1 Ф16 2.0 Ф25 45 Ф16.2 Ф14.4 Ф18 2.0 Ф27 50 Ф18.1 Ф16.3 Ф20 2.0 Ф29 55 Ф20.0 Ф18.2 Ф22 2.5 Ф31 60 Ф22.0 Ф20.2 Ф25 2.5 Ф35 65 Ф25.1 Ф22.9 Ф28 2.5 Ф41 70 Ф28.1 Ф25.9 Ф32 2.5 Ф46 80 Ф32.0 Ф29.8 Ф36 3.0 Ф52 90 Ф36.0 Ф33.4 Ф40 3.0 Ф58 100 Ф39.7 Ф37.0 3．滚丝加工及连接操作 加工丝头的芽形、螺纹必须与连接套的牙形、螺距一致，有效丝扣段内的秃牙部分累计长度小于一扣周长的1/2，并用相应的环规和丝头卡板检验合格。滚轧钢筋直螺纹时，应采用水溶性切削润滑液，当气温低于0℃时，应掺入15%～20% 的亚硝酸钠，不得用机油作切削润滑液或不加润滑液滚轧丝头。 经自检合格的丝头，应对每种规格加工批量随机抽检10%，且不得小于10个，如有一个丝头不合格，即应对该批全数检查，不合格的丝头应重新加工，经再次检验合格方可使用。已检验合格的丝头应加以保护，钢筋一端丝头应戴上保护帽，另一端拧上连接套，并按规格分类堆放整齐待用。 钢筋连接时，钢筋的规格和连接套的规格应一致，并确保丝头和连接套的丝扣干净、无损，预埋接头时，连接套的位置、规格和数量应符合设计要求，带连接套钢筋应固牢，连接套的外露端应有密封盖。 被连接的两钢筋端面应处于连接套的中间位置，偏差不大于1P（P为螺距），并用工作扳手拧紧，使两钢筋端面顶紧。 4．接头型式试验 钢筋滚轧直螺纹接头的型式检验，应符合现行行业标准《钢筋机械连接通用技术规程》JGJ107－96中第5章的各项规定。 该工程两种规格（Ф25和Ф32）剥肋滚轧直螺纹连接的接头型式检验均委托东南大学工程结构与材料试验中心完成。墩身混凝土结构中要求充分发挥钢筋强度，故要求接头需满足A级性能要求，检测项目如下： （1） 连接钢筋（母材）力学性能测试 （2）接头单向拉伸试验 （3）接头高应力反复拉-压试验 （4）接头大变形反复拉-压试验 执行的标准为：JGJ107-1996《钢筋机械连接通用技术规程》和GB1499-1998《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》。测试设备为：[中国]1000KN材料试验机，[美国]MTS880材料试验系统，[中国]LX-5型力学性能自动测定仪。 每种规格接头取连接钢筋母材试件1组（3根、HRB335），取接头试件12件，其中单向拉伸试件6件，高应力反复拉压试件3件，大应变反复拉压试件3件。两种规格接头的钢套管基本参数，Ф25mm：材料45＃钢，长度65mm，外径46.0mm，螺纹牙距2.5mm，牙形角状态75°；Ф32mm：材料45＃钢，长度80mm，外径35.0mm，螺纹牙距2.5mm，牙形角状态75°。 检测结果与评定如下： （1）连接钢筋（母材）的力学性能 项目 公称直径 d(mm) 计算面积 (mm2) 屈服强度 f(Mpa) 抗拉强度 f(Mpa) 伸长率δ1(%) 弹性模量 Es(Gpa) 冷弯 (4d) 平均值 25 490.9 360 555 26 198 合格 32 804.2 375 575 26 198 标准值 / / ≥f=335 ≥f=490 ≥16 200 ／   由以上试验数据可以看出，该批受检钢筋（母材）强度等级为HRB335且力学性能与加工性能均合格，符合GB1499－98标准表6.3.1中钢筋HRB335的规定。 （2）接头试件单向拉伸试验测试结果 项目 公称直径 d(mm) 抗拉强度 (Mpa) E0.7(Gpa) E0.9(Gpa) εu (mm/mm) U(mm) 平均值 25 560 207 198 0.20 0.18 32 580 202 189 0.20 0.24 性能要求 / f≥ftk E0.7≥E且 E0.9≥0.9 E εu≥0.04 　≤0.30   该批受检接头性能均断于母材，且6个试件都满足强度要求，此处限于篇幅，只列出平均值。单向拉伸性能符合JGJ107－96标准表3.0.5中的规定。 （3）接头试件高应力反复拉压试验测试结果 项目 公称直径 d(mm) 抗拉强度 (Mpa) E1(Gpa) E20(Gpa) U20 (mm) 平均值 25 560 207 196 0.16 32 580 204 190 0.25 性能要求 / f≥ftk E20≥0.85E1 ≤0.30   该批受检接头性能均断于母材，并都满足强度要求。高应力反复拉压性能符合JGJ107－96标准表3.0.5中的规定。 （4）接头试件大变形反复拉压试验测试结果 项目 公称直径 d(mm) 抗拉强度 (Mpa) U4 (mm) U8 (mm) 平均值 25 565 0.20 0.38 32 580 0.25 0.50 性能要求 / f≥ftk U4≤0.30；U8≤0.60 该批受检接头性能均断于母材，并都满足强度要求。大变形反复拉压性能符合JGJ107－96标准表3.0.5中的规定。 依JGJ107－96《钢筋机械连接通用技术规程》，以上各项测试结果均符合规程要求，判定其力学性能、单向拉伸性能、高应力反复拉压性能、大变形反复拉压性能均合格，并符合A级性能要求。 5．接头的施工现场检验与验收 连接时，应检查连接套的出厂合格证，钢筋丝头加工检验记录。钢筋连接工程开始前和长期施工过程中，应对每批进场钢筋和接头进行工艺检验。 ⑴每种规格钢筋母材进行抗拉强度试验； ⑵每种规格钢筋接头的试件不应小于三根； ⑶接头试件应达到现行行业标准《钢筋机械连接通用技术规程》JGJ107表3.0.5中A级的强度要求。计算实际抗拉强度时，应要用钢筋的实际横截面积计算。 抽取同规格接头数的10%进行外观检查，钢筋与连接套规格一致，接头外露完整丝扣不大于3扣。 接头的现场检验按验收批进行，同一施工条件下的同一批材料的同等级规格接头，以500个为一个验收批进行检验与验收，不足500个也作为一个验收批。 接头的每一验收批，应在工程结构中随机截取3个试件作单向拉伸试验报告。 在现场连续检验10个验收批，全部单向拉伸试件一次抽样均合格时，验收批接头数量可扩大一倍。 6．施工工艺流程及质量控制 7．钢筋接头性能及效益评定 采用剥肋滚轧直螺纹连接工艺进行钢筋的连接，可充分发挥母材性能，实现了等强度连接。另外，批量生产克服了设备一次性成本投入大的缺点，即降低了工程成本。同时，该连接技术提高了施工效率，节约了施工周期。通过在京杭运河特大桥墩身施工的应用，取得了质量高、工期短、经济效益可观的良好效果。 五、结束语   随着住宅产业、能源交通等基础设施建设的不断发展，钢筋混凝土结构的跨度和规模越来越大，粗直径钢筋的应用日益广泛，钢筋机械连接技术将向高质量、易施工、操作简单、经济廉价的方向发展，钢筋机械连接接头所占比重将会越来越大，几种连接方式在一段时间内还会多种型式并存，挤压连接的市场占有率将会稳中有降，锥螺纹及镦粗直螺纹的市场占有率将会大幅下降，滚轧直螺纹的市场占有率将会大幅上升，特别是钢筋等强度剥肋滚轧直螺纹连接技术将以其优越的性能、稳定的质量、方便的施工有较大的发展。