CN110306729A - 一种可拆装套筒灌浆连接设计与施工方法 - Google Patents

一种可拆装套筒灌浆连接设计与施工方法 Download PDF

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丁陶
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Abstract

本发明涉及一种可拆装套筒灌浆连接设计与施工方法，包括以下步骤：提供一种套筒灌浆连接设计方法，实现根据钢筋直径选择相匹配尺寸的可拆装套筒及配件；将预埋钢筋装入第一套筒本体，将第二套筒本体与第一套筒本体连接为一体，再将预埋钢筋绑扎形成钢筋笼，浇筑混凝土制得预制构件，将待连接钢筋装入第二套筒本体内，从灌浆孔灌入灌浆料，待排浆孔出浆后封堵排浆孔及灌浆孔，形成套筒灌浆连接；拆除时，将套筒灌浆连接与混凝土分离，切断套筒外钢筋，拆开套筒，挤压套筒外钢筋随灌浆料整体排出套筒，回收、维护套筒及配件。本发明可实现套筒二次甚至多次利用，减少预制混凝土构件拆除过程中建筑废弃物种类与数量，节约资源，保护环境。

Description

一种可拆装套筒灌浆连接设计与施工方法
技术领域
本发明属于房屋建筑设计与施工技术领域，具体涉及一种可拆装套筒灌浆连接设计与施工方法。
背景技术
随着我国经济和科学技术的高速发展以及居民对房屋的大量需求，各类钢筋混凝土建筑日趋增多，在建筑建造过程中钢筋所采用的连接形式也呈多样化，常使用的钢筋连接形式有绑扎搭接、焊接连接、机械连接。我国当前倡导大力发展装配式结构体系，对产业化住宅开发的优惠政策促使大量房地产开发商开发装配式住宅，使装配式结构在整个建筑行业中所占比重越来越大。
钢筋灌浆套筒连接是当今装配式混凝土结构钢筋连接的主流方式，简称套筒灌浆连接，是指在预制混凝土构件内预埋的金属套筒中插入钢筋并灌注水泥基灌浆料而实现的钢筋连接方式。套筒灌浆接头具有性能可靠、适用性广、安装简便等优点，可视为一种机械连接。在我国《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ 1-2014)中，对于装配整体是框架结构柱的连接有这样的规定：当房屋高度不大于12m或层数不超过3层时，可采用套筒灌浆、浆锚搭接、焊接等连接方式；当房屋高度大于12m或层数超过3层时，宜采用套筒灌浆连接。由此可见，相比其它连接方式，套筒灌浆连接适用的装配式混凝土工程范围更广，在实际中应用更成功。
现有套筒灌浆连接预制混凝土构件的缺点是，套筒从预制混凝土试件中剥离出来后，因为其内部硬化的灌浆料难以清理，不利于套筒的回收利用，导致拆除时资源浪费严重。目前，全世界范围内都要求建筑生产活动可持续发展与利用，实现“Reduce”、“Reuse”、“Recycle”的“3R”理念。为贯彻“3R”理念，要求套筒可循环利用，即要求预制混凝土结构能够对拆卸下来的套筒进行再利用。直接对套筒进行重复利用，减少施工周期与施工成本，降低建筑废弃物处理难度，不仅效率高而且耗能少，有助于环境保护。因此，为了对套筒进行重复利用，需要设计并制造一种套筒在预制混凝土结构拆除后可以拆卸并在新的建筑中能够完成二次装配利用。通过采用一定条件进行施工，从而制备一种可拆装套筒灌浆连接预制混凝土构件，能够实现套筒的拼装与拆卸，并具有足够刚度、强度和耐久性，保障荷载的顺利传递，同时实现二次利用，满足可持续发展的技术需求。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种可拆装套筒灌浆连接设计与施工方法，解决现有预制混凝土构件中套筒不能重复使用的技术问题，实现套筒的二次甚至多次循环利用，提高套筒的利用率，减少建筑拆除过程中的建筑废弃物的种类与处理难度，降低能耗，节约资源，保护环境。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种可拆装套筒灌浆连接设计与施工方法，包括以下步骤：
(1)根据钢筋直径，选择基于套筒受力机理分析与套筒灌浆连接承载力计算提供的与钢筋直径相匹配的可拆装套筒及配件尺寸，包括套筒的厚度、内外直径与筒壁锥度及连接螺栓直径；
(2)将预埋钢筋的一端装入第一套筒本体，将第二套筒本体与第一套筒本体连接，其中第一套筒本体一端设有母榫，第二套筒本体的一端设有与母榫相匹配的公榫，公榫插入母榫中，使第一套筒本体与第二套筒本体连接为一体；
(3)将预埋钢筋的另一端与其他钢筋绑扎固定，形成装配式混凝土构件钢筋骨架，并置于模板内；
(4)利用塑料管连接第一套筒本体的排浆孔以及第二套筒本体的灌浆孔，混凝土布料机通过灌浆孔浇筑混凝土，经过振捣密实后，制得预制构件；
(5)预制构件运至施工现场，将待连接钢筋装入第二套筒本体内，完成钢筋连接；
(6)从灌浆孔灌入高强水泥基灌浆料，待排浆孔出浆后，运用堵头封堵排浆孔及灌浆孔，对完成灌浆的套筒灌预制混凝土构件加强保护。
套筒灌浆连接拆除时，具体包括以下步骤：
(1)将混凝土凿除，使混凝土与钢筋、第一套筒本体及第二套筒本体表面分离；
(2)在套筒本体端部外切断钢筋，将钢筋灌浆套筒整体取下；
(3)拆开第一套筒本体与第二套筒本体，将钢筋以及灌浆料从第一套筒本体、第二套筒本体推出，实现第一套筒本体、第二套筒本体完全分离；
(4)将拆卸下来的第一套筒本体、第二套筒本体进行二次拼装连接，实现套筒再利用。
进一步地，所述第一套筒本体与第二套筒本体形状相同，均为锥台形，所述第一套筒本体的另一端设置第一密封胶塞，所述第二套筒本体的另一端设置第二密封胶塞，第一密封胶塞内插入预埋钢筋，第二密封胶塞内插入待连接钢筋。
进一步地，所述第一套筒本体与第二套筒本体的锥度为0.10～0.20，第一套筒本体与第二套筒本体的厚度不低于5mm。
进一步地，所述公榫及母榫的长度不低于50mm。
进一步地，所述预埋钢筋与待连接钢筋的锚固长度不低于8倍钢筋直径。钢筋分别伸入相应套筒内足够深度，完成钢筋在套筒内的锚固，同时套筒相互通过公母榫在连接区相连，实现预制混凝土构件中断钢筋的再连接，完成荷载通过钢筋的传递。
进一步地，所述母榫由两个间隔设置的同心圆柱筒组成，所述公榫为一圆柱筒结构，母榫中两同心圆柱筒之间的间距与公榫圆柱筒的壁厚相同。
进一步地，所述母榫以及公榫上设有多个相对应的螺栓孔，所述螺栓孔内旋接螺栓将母榫、公榫固定。
进一步地，所述螺栓不穿透母榫的内圆柱筒。
进一步地，所述排浆孔的直径小于灌浆孔。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的可拆装套筒灌浆连接，套筒内部呈斜面且无阻隔，由于套筒锥台形的特殊构造，能够充分发挥套筒的承载潜力，使形成的套筒灌浆连接具有足够的轴向力传递能力，保证预制混凝土构件中钢筋的连续性与构件节点的整体性。
2、本发明的可拆装套筒灌浆连接，提供一种承载力计算方法，实现与钢筋直径相匹配套筒与配件的尺寸可选择性。
3、本发明制备的可拆装套筒，通过设置公、母榫连接，减少灌浆料漏浆，同时设置螺栓连接，安装与拆卸方便，可实现二次甚至多次利用，减少预制混凝土构件拆除过程中的建筑废弃物种类与数量，节约资源，保护环境。
4、本发明中制备的可拆装套筒，套筒内部灌浆料清理方便，对套筒本身破坏较轻甚至无损害，减少修复工作量，可以较快投入，节约了施工周期，提升施工效率，降低施工成本。
5、本发明中制备的套筒构造特殊，筒体两端为锥台形，中部为圆柱形，两端对称，采用低合金高强度结构钢Q460通过拉伸制作而成，筒体两端设置成锥台形，是可拆装套筒形成的套筒灌浆连接受拉时受力的主要部分，筒体中部是可拆装套筒形成的套筒灌浆连接进行套筒连接的部位，设置成圆柱形有助于两段套筒的榫接。
附图说明
图1显示为本发明的可拆装套筒的第一套筒本体的结构示意图。
图2显示为本发明的可拆装套筒的第二套筒本体的结构示意图。
图3显示为图1中Ⅰ-Ⅰ处的断面示意。
图4显示为图1、2中Ⅱ-Ⅱ、Ⅳ-Ⅳ处的断面示意。
图5显示为图2中Ⅲ-Ⅲ处的断面示意。
图6显示为本发明的可拆装钢筋灌浆套筒结构的连接结构示意图。
图7显示为本发明的可拆装套筒受力机理示意图。
图8、9显示为本发明的套筒灌浆连接钢筋与灌浆料界面黏结机理分析示意图。
图中：1-第一套筒本体；2-第二套筒本体；3-螺栓；4-排浆孔；5-灌浆孔；6-预埋钢筋；7-待连接钢筋；8-第一密封胶塞；9-第二密封胶塞；A-母榫；B-公榫；C-外围圆环；D-内部圆环；E-螺栓孔；F-螺栓孔；G-螺栓孔；E’-螺栓孔；F’-螺栓孔；G’-螺栓孔；H-中间圆环；H1-上部上槽肩高度；H2-上部下槽肩高度；H3-下部上槽肩高度；H4-下部下槽肩高度；D0-套筒内径；D1-外围圆环内径；D2-中间圆环内径；D3-内部圆环内径；t-套筒-壁厚；t1-外围圆环壁厚；t2-中间圆环壁厚；t3-内部圆环壁厚；F0-套筒灌浆连接受拉荷载；θ-可拆装套筒筒身斜面角；R-可拆装套筒筒身抵抗力；Rv-可拆装套筒筒身竖向抵抗力；RH-可拆装套筒筒身水平抵抗力。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
参照图1-7，本发明可拆装套筒灌浆连接的具体构造为，包括第一套筒本体1，第二套筒本体2，第一套筒本体1设有排浆孔4，第二套筒本体2设有灌浆孔5，第一套筒本体1与第二套筒本体2形状相同，均为锥台形，第一套筒本体1一端设有母榫，第二套筒本体2的一端设有与母榫相匹配的公榫，公榫插入母榫中，使第一套筒本体1与第二套筒本体2连接为一体。第一套筒本体1的另一端设置第一密封胶塞8，所述第二套筒本体2的另一端设置第二密封胶塞9，第一密封胶塞8内插入预埋钢筋6，第二密封胶塞9内插入待连接钢筋7。
具体地，第一套筒本体1母榫A与第二套筒本体2的公榫B相嵌入对接，通过螺栓3连接为一体。在第一套筒本体1上设置灌浆孔5，在第二套筒本体2上设置排浆孔4，排浆孔4直径小于灌浆孔5。所述第一套筒本体1的一端设有母榫A，所述母榫A由两个同心圆环C、D组成，并预制螺栓孔E、F、G，螺栓孔穿透外围圆环C，止于内部圆环D内表面；所述第二套筒本体2一端设有公榫B，包括圆环H、预制与母榫大小、位置一致的螺栓孔E’、F’、G’。第一套筒本体1、第二套筒本体2通过公B、母榫A相嵌，所述连接节点相拼接为所述螺栓孔E、F、G、E’、F’、G’与螺栓3相匹配。第一套筒本体1母榫A同心圆环C、D的净间距与第二套筒本体2公榫B的厚度相同；母榫A外围圆环C、D与公榫B中间圆环H同圆心，三个圆环的直径关系为：外围圆环C>中间圆环H>内部圆环D。
第一套筒本体1与第二套筒本体2采用低合金高强度钢材按照预定锥度加工，分开成型，第一套筒本体1母榫A、第二套筒本体2公榫B通过锻造工艺制成，并在母榫A、公榫B相同位置开直径相同的孔E、F、G、E’、F’、G’，孔内做螺纹处理，孔深不穿过内部圆环D内表面。
具体施工方法，包括以下步骤：
1、安装过程
A、在生产车间将预制构件钢筋笼中预埋钢筋6一端经过第一密封胶塞8伸入可拆装第一套筒本体1，长度不低于8倍钢筋直径。
B、将第二套筒本体2公榫B嵌入第一套筒本体1母榫A，对孔后，应用螺栓3进行连接。
C、将预埋钢筋6一端与其他钢筋绑扎固定，形成装配式混凝土构件钢筋骨架，置于模板内。
D、利用塑料管接长排浆孔4、灌浆孔5、第二密封胶塞9所在位置孔直至预制混凝土构件模板外，然后混凝土布料机开始浇筑混凝土，经过振捣密实后，即可完成装配式混凝土构件的加工制作。
E、预制构件运至施工现场，取出第二密封胶塞9处塑料管，将待连接钢筋7从下方经过第二密封胶塞9伸入可拆装套筒内，长度不低于8倍钢筋直径，完成钢筋连接。
F、从灌浆孔5灌入高强水泥基灌浆料，待排浆孔4出浆后，运用堵头封堵排浆孔4、灌浆孔5。
G、对完成灌浆作业的套筒灌浆连接预制混凝土试件加强保护，24小时内避免扰动。
2、拆除及再利用过程：
A、除常规的机械、爆破方法外，也可按专利CN105964377A公开的一种废弃砼梁柱桩钢筋与混凝土自动分离系统及方法，实现浇筑混凝土被凿除，使混凝土与钢筋、套筒表面分离。
B、在套筒端部外100mm处切断钢筋，将套筒灌浆连接取下。
C、将螺栓3从套筒上拧下，然后挤压钢筋，将钢筋与灌浆料从第一套筒本体1母榫A、第二套筒本体2公榫B口推出，实现第一套筒本体1、第二套筒本体2分离，即完成了套筒的拆卸工作；
D、将拆卸下来的第一套筒本体1、第二套筒本体2可进行二次拼装连接，实现套筒的再利用。
本发明的可拆装套筒灌浆连接设计过程具体如下：
1.套筒灌浆连接受力机理分析
套筒灌浆连接受拉时，可拆装套筒的受力机理如图7所示。钢筋将受拉荷载F0通过黏结作用传递到灌浆料，灌浆料存在往钢筋径向膨胀的趋势，从而挤压套筒。根据作用力与反作用力原理，套筒筒壁施加在灌浆料上的抵抗力为R(见图7)。由于筒壁呈斜面，R可以分解水平方向的分量RH、径向分量RV。如图8、9所示，灌浆料在侧向压力RV(表达式(A-1))作用下，增加了钢筋与灌浆料的黏结强度(表达式(A-2))，通过握裹作用提升钢筋与灌浆料的黏结承载力(表达式(A-3))来抵抗水平荷载F0，同时RH也可以分摊一部分的水平荷载F0，二者共同承载。通过对筒身的锥台形设置实现充分利用套筒材料的目的，有助于节约材料实现可持续发展。此外，筒身呈现锥台形，还有助于套筒使用后的拆除与灌浆料清理工作。
Dsi为套筒内径，mm；
εs为套筒应变；
ts为套筒厚度，mm；
Es为套筒弹性模量，N/mm2；
ds为钢筋直径，mm；
fc，g为灌浆料抗压强度，N/mm2；
ld为钢筋锚固长度，mm；
F1为灌浆料与钢筋黏结承载力，kN。
2.第一套筒本体的设计
第一套筒本体的长度确定方法同普通套筒，需要满足《钢筋连接用灌浆套筒》(JG/T 398-2012)的要求。根据钢筋直径的大小、锥度要求，确定套筒的内径。套筒的厚度与螺栓直径，通过表达式(A-4)～(A-7)计算确定。母榫外围圆环、内部圆环的厚度相等，且二者之和等于套筒厚度的一半，为第二套筒本体公榫中间圆环的厚度预留空间。第一套筒本体的形状如图1、3、4所示。
3.第二套筒本体的设计
第二套筒本体的长度、厚度确定方法同第一套筒本体，并且等于第一套筒本体的尺寸。第二套筒本体公榫中间圆环的厚度等于第二套筒本体厚度的一半，且与第一套筒本体母榫外围圆环、内部圆环的厚度之和相等，确保轴向力的顺利传递，第二套筒本体的形状如图2、4、5所示。4.套筒灌浆连接承载力的计算
套筒灌浆连接承载力的计算，原则上要求可拆装套筒形成的套筒灌浆连接承载力高于被连接钢筋的承载力及钢筋与灌浆料黏结承载力，即承载力采用表达式(A-8)进行计算。因此，套筒本身需要满足承载力不低于被连接钢筋的承载力，要求做到开孔位置处的螺栓连接的抗剪承载力、净截面承载力、承压承载力满足《钢结构设计标准》(GB 50017-2017)的要求，具体体现在表达式(A-4)～(A-7)中对于螺栓直径、母材强度的要求，由此计算得到的螺栓杆直径见表1所列。
An＝(l-md0)·t (A-7)
可拆装套筒的螺栓直径按照表达式(A-4)～(A-7)计算的最大值确定。
其中，为单个螺栓的抗剪承载力，kN；
为单个螺栓的承压承载力，kN；
N为中的较小值，kN；
nv为单个螺栓的受剪面数量；
db为螺杆直径，mm；
d0为螺栓孔直径，mm；
为螺栓的抗剪强度设计值，N/mm2；
为螺栓的承压强度设计值，N/mm2；
∈t为不同受力方向中一个受力方向承压构件总厚度的较小值，mm；
Fs为钢筋的抗拉承载力，kN；
k为钢筋的塑性发展系数，取值范围为1.2～1.4；
fys为钢筋的抗拉强度设计值，N/mm2；
An为套筒连接处螺栓开孔后的净面积，mm2；
l为螺栓孔所在截面周长，mm；
m为螺栓孔数量，取为3；
fy为套筒材料的抗拉强度设计值，取为410N/mm2。
可拆装套筒灌浆连接承载力计算方法按(A-8)计算：
其中F0为套筒灌浆连接的受拉荷载，kN，其余参数同前。
通过表达式(A-4)～(A-7)对于套筒承载力设计与计算，以及表达式(A-8)对于套筒灌浆连接承载力的要求，建立套筒尺寸与钢筋直径及锚固长度要求如表2所列。
本发明的可拆装套筒构造特殊，如图1、2所示，筒体一端为锥台形，另外一端为圆柱形，，采用低合金高强度结构钢Q460通过拉伸制作而成。筒体一端设置成锥台形，其壁面为斜面，通过套筒长度、套筒两端的圆环直径不同确定斜面的锥度，是可拆装套筒形成的套筒灌浆连接受拉时受力的主要部分。筒体中部是可拆装套筒形成的套筒灌浆连接进行套筒连接的部位，设置成圆柱形有助于两段套筒的榫接。
表1螺栓孔的直径要求
本发明的可拆装套筒设置公母榫连接起到降低漏浆的功能，但是导致第一套筒本体、第二套筒本体连接区为薄弱位置，同时在公母榫开孔进一步降低连接区的整体性。通过设置螺栓实现套筒的连接，螺栓螺杆的内螺纹设计有助于提升套筒连接的整体性，同时有利于安装与拆除。对螺栓直径、套筒厚度的设计计算，确保可拆装套筒的承载力不低于被连接钢筋，为可拆装套筒灌浆连接承载力不低于被连接钢筋的要求提供保障。
表2可拆装套筒的尺寸与钢筋直径的适用情况
表3两种套筒灌浆连接受拉承载力性能对比
在同等条件下(套筒材料、外部内直径与锥度，钢筋材料、直径、强度与锚固长度)，可拆装套筒、一体化套筒形成的套筒灌浆连接在受拉时的承载力计算结果见表3所列。由表3可以看出，在保证螺栓直径的要求下(导致套筒厚度增加)，可拆装套筒形成的套筒灌浆连接受拉承载力稍大于一体化套筒，但是非常接近，由此可以看出套筒厚度增大对于承载力存在影响，但是对于发生套筒外钢筋断裂的套筒灌浆连接的受拉承载力影响几乎可以忽略。虽然套筒厚度增加，但是增加的幅度较小(约为10％)，因此可拆装套筒通过增加厚度来保证螺栓连接的方式，可以实现承载力与一体化套筒形成的套筒灌浆连接非常接近的性能，表明可拆装套筒可以在实际工程中的推广应用。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可拆装套筒灌浆连接设计与施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据钢筋直径，选择与其相匹配尺寸的可拆装套筒及配件；
(2)将预埋钢筋的一端装入第一套筒本体，将第二套筒本体与第一套筒本体连接，其中第一套筒本体一端设有母榫，第二套筒本体的一端设有与母榫相匹配的公榫，公榫插入母榫中，使第一套筒本体与第二套筒本体连接为一体；
(3)将预埋钢筋的另一端与其他钢筋绑扎固定，形成装配式混凝土构件钢筋骨架，并置于模板内；
(4)利用塑料管连接第一套筒本体的排浆孔以及第二套筒本体的灌浆孔，混凝土布料机通过灌浆孔浇筑混凝土，经过振捣密实后，制得预制构件；
(5)预制构件运至施工现场，将待连接钢筋装入第二套筒本体内，完成钢筋连接；
(6)从灌浆孔灌入高强水泥基灌浆料，待排浆孔出浆后，运用堵头封堵排浆孔及灌浆孔，对完成灌浆的套筒灌预制混凝土构件加强保护。
2.根据权利要求1所述的一种可拆装套筒灌浆连接设计与施工方法，其特征在于，套筒灌浆连接拆除时，具体包括以下步骤：
(1)将混凝土凿除，使混凝土与钢筋、第一套筒本体及第二套筒本体表面分离；
(2)在套筒本体端部外切断钢筋，将钢筋灌浆套筒整体取下；
(3)拆开第一套筒本体与第二套筒本体，将钢筋以及灌浆料从第一套筒本体、第二套筒本体推出，实现第一套筒本体、第二套筒本体完全分离；
(4)将拆卸下来的第一套筒本体、第二套筒本体进行二次拼装连接，实现套筒再利用。
3.根据权利要求1所述的一种可拆装套筒灌浆连接设计与施工方法，其特征在于，所述第一套筒本体与第二套筒本体形状相同，均为锥台形；
所述第一套筒本体的另一端设置第一密封胶塞，所述第二套筒本体的另一端设置第二密封胶塞，第一密封胶塞内插入预埋钢筋，第二密封胶塞内插入待连接钢筋。
4.根据权利要求3所述的一种可拆装套筒灌浆连接设计与施工方法，其特征在于，所述第一套筒本体与第二套筒本体的锥度为0.10～0.20，第一套筒本体与第二套筒本体的厚度不低于5mm。
5.根据权利要求1所述的一种可拆装套筒灌浆连接设计与施工方法，其特征在于，所述公榫及母榫的长度不低于50mm。
6.根据权利要求1所述的一种可拆装套筒灌浆连接设计与施工方法，其特征在于，所述预埋钢筋与待连接钢筋的锚固长度不低于8倍钢筋直径。
7.根据权利要求1所述的一种可拆装套筒灌浆连接设计与施工方法，其特征在于，所述母榫由两个间隔设置的同心圆柱筒组成，所述公榫为一圆柱筒结构，母榫中两同心圆柱筒之间的间距与公榫圆柱筒的壁厚相同。
8.根据权利要求7所述的一种可拆装套筒灌浆连接设计与施工方法，其特征在于，所述母榫以及公榫上设有多个相对应的螺栓孔，所述螺栓孔内旋接螺栓将母榫、公榫固定。
9.根据权利要求8所述的一种可拆装套筒灌浆连接设计与施工方法，其特征在于，所述螺栓不穿透母榫的内圆柱筒。
10.根据权利要求1所述的一种可拆装套筒灌浆连接设计与施工方法，其特征在于，所述排浆孔的直径小于灌浆孔。
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