预制构件主要受力筋可靠连接是保证装配式混凝土结构具有良好性能的关键。钢筋套筒灌浆连接方式由于不受钢筋直径大小、荷载类别及房屋高度的限制, 适用范围较广。灌浆套筒可分为全灌浆套筒和半灌浆套筒。该方式于20世纪60年代末由Alfred A.Yee^[1]首次提出, 随后在北美、日本、欧洲等地得到广泛应用。目前国内外套筒均为球磨铸铁铸造而成或采用优质碳素结构钢切削加工而成, 套筒制作成本较高, 在一定程度上抵消了装配式混凝土结构的诸多优点。笔者发明的GDPS套筒^[2], 采用无缝钢管通过冷加工而成, 显著降低了灌浆套筒成本。但大直径钢筋的GDPS套筒因需满足套筒最小锚固段长度为8d的要求^[3], 导致套筒长度较长, 给施工带来诸多不便, 同时钢筋连接区长度过长也会使结构耗能能力下降。

为此, 本文设计制作了一种新型焊接半灌浆套筒。该套筒的装配端与GDPS套筒类似, 由无缝钢管通过冷加工而成, 预制端与钢筋直螺纹套筒类似, 装配端和预制端通过对接焊焊接为整体。GDPS套筒和钢筋直螺纹套筒的连接性能已在实际工程中得到检验, 该新型套筒通过焊接接头将二者结合起来, 焊接接头的性能即决定该焊接半灌浆套筒的性能。焊接是焊丝在焊接电弧的作用下不断熔化形成熔滴过渡到熔池的能量传输过程, 焊接电弧参数决定了熔池的几何尺寸, 熔池形状是否饱满、对称、均匀直接影响焊接接头的力学性能^[4]。所以, 控制熔池形状是保证焊接接头质量的关键。通过焊接接头单向拉伸试验和焊缝断面宏观金相检查^[5]对该套筒的连接性能展开试验研究。

该套筒外形及内腔结构如图1所示, 具有如下特点。

1) 套筒装配端采用低合金高强度结构钢无缝钢管通过滚压工艺冷加工而成, 内壁凸环肋和外壁凹槽一次成型, 工艺简单, 材料利用率高, 可批量化生产。

2) 套筒预制端采用20Cr低淬透性渗碳钢^[6], 可焊性好, 焊后无须热处理。

3) 焊接接头采用单边V形坡口, 钢管处无需加工坡口, 通过适当焊接工艺提高焊接接头性能, 加工工艺进一步简化。

4) 套筒总长度相比于GDPS套筒^[2]及其他全灌浆套筒, 缩短约40%。

采用Q390无缝钢管、20Cr钢材及28 HRB400钢筋制作20组接头试件。无缝钢管截面尺寸为57mm×5mm;套筒预制端由20Cr棒材经机械切削加工而成。试件构造尺寸如图2所示。

采用HC350D逆变多功能焊机;选用ER309焊丝, 焊丝直径为1.0mm, 焊接时焊丝伸出长度为10～15mm, 保护气为85%CO₂+15%Ar混合气体, 气体流量为15L/min;采用单边V形坡口, 坡口角度45°, 钝边1mm;在试验前用砂轮清洗工件表面的氧化层以及铁锈, 并用氧炔焰预热试件, 焊后用石棉包裹, 使其缓慢冷却。

试验共设计20组试件, 每组3个试样, 试验所得参数均为同组3个相同试样平均值。D28-1, D28-2和D28-10为相同电流、电压, 不同焊枪角度和坡口形式的对照组, 焊枪角度分别为90°和75°, 坡口形式有V形和单边V形2种;D28-3～D28-20为相同焊枪角度、不同电流与电压的对照组, 电流分别为140～150, 170～180, 200～210, 230～240和260～270A。根据经验, 该接头可能的最优电流值可能为200～240A, 故在此范围内加密设置1组电流值为215～225A的对照组。每组对应的电压值根据焊接电流和电压取值经验公式:U=0.04I+15±2^[7], 分别取该电流对应的电压下限值、中间值和上限值3个数值。试件在万能试验机上进行拉伸试验 (见图3) , 试验机最大量程1 000kN, 加载速率5mm/min, 钢筋断裂或焊缝断裂时加载终止, 试验过程中由试验机自动记录荷载及夹具间位移。

试件破坏后, 沿焊缝截面将试件剖开, 进行打磨、抛光, 然后用硝酸酒精溶液腐蚀^[5], 制成宏观金相试样, 用游标卡尺测定其熔池形状参数 (见图4) 。熔池金属化学成分不同于母材, 经酸轻微腐蚀后, 可清晰显现出熔池轮廓。研究焊接电流和电弧电压对熔宽、熔深、熔池面积等熔池形状参数的影响。

试件主要试验结果如表1所示, 出现钢筋断裂破坏 (见图5a) 和焊接接头断裂破坏 (见图5b) 2种破坏模式。除试件D28-1, D28-3, D28-4和D28-5外, 其余试件均断于钢筋, 符合JGJ107—2016中的I级接头单向拉伸强度要求, 表现出良好的连接性能。试件D28-1焊接接头断裂破坏是因为采用非对称单边V形坡口, 焊枪角度为90°, 焊接过程中, 给两侧待焊接金属输入对称热量, 则有坡口的预制端一侧熔深、熔宽明显大于无坡口的装配端一侧, 使熔池形状明显不对称, 力学性能也不对称, 焊接接头断于焊材与无缝钢管的结合面。试件D28-3, D28-4和D28-5发生焊接接头断裂破坏是因为焊接电流过小, 焊缝熔深不足, 出现明显的咬边现象 (见图6) , 削弱接头的截面面积, 焊接接头断于焊材截面。

试件D28-1, D28-2和D28-10采用的焊枪角度与坡口形式如图7所示, 试件D28-1采用单边V形坡口, 焊枪角度为90°;试件D28-2采用V形坡口, 焊枪角度为90°;试件D28-10采用单边V形坡口, 焊枪角度为75°。电流、电压等其他焊接参数保持不变, 最终得到的熔池形状如图8所示。

试件D28-1和D28-10均采用单边V形坡口, 当焊枪角度为90°时, 破坏形式为断于焊接接头;当焊枪角度为75°时, 破坏形式为断于钢筋。分析原因主要为:当焊枪角度为90°时, 焊丝输入的热量均匀分配给预制端和装配端, 单边V形坡口的待熔合金属两侧坡口角度不对称, 导致有坡口的预制端一侧的熔深、熔宽明显大于无坡口的装配端一侧, 焊材金属与有坡口的预制端一侧熔合良好而与无坡口的装配端一侧熔合较差, 熔池形状不对称进而导致两侧力学性能不对称, 使焊接接头断于焊材与装配端的结合面。为改善接头连接性能, 需将焊丝输入的热量不均匀地输入到两侧待熔合金属。当焊枪偏转约15°, 使出丝方向对着无坡口的装配端一侧, 焊接过程输出的热量有较多一部分输入到装配端, 改善了装配端一侧的熔合情况, 提高了接头的连接性能。试件D28-2采用V形坡口, 焊枪角度为90°, 比较D28-10和D28-2的熔池形状, 如图8b, 8c所示, 两者较接近, 都达到较好的熔合效果, 接头强度也均达到要求。所以, 采用单边V形坡口, 当调整焊枪角度为75°时, 焊接效果可等同于V形坡口。采用单边V形坡口, 无缝钢管锯截成所需长度后无须加工坡口, 即可进行焊接, 减少了加工工序, 可提高产品生产效率。

描述熔池形状的参数主要包括熔深、熔宽、熔池面积等, 研究电流、电压与熔池各项参数的关系, 可通过调节电流、电压值来控制熔池形状, 进而控制焊缝质量。图9所示为电流一定的条件下, 熔宽随电压的变化关系。在各级电流下, 熔宽均随电压的增大呈线性增大。图10所示为电压一定的条件下, 熔宽随电流的变化关系。当电压为22V时, 熔宽随电流的增大而增大;当电压为24～28V时, 熔宽随电流的增大基本不变。因此, 电压是影响熔宽的主要因素, 熔宽随电压的增大呈线性增大。图11所示为相同电流、不同电压时熔池形状。

图12所示为电流一定的条件下, 熔深随电压的变化关系。当电流为140～150A时, 熔深随电压的增大呈线性增大;当电流为170～270A时, 熔深随电压的变化基本不变。图13所示为电压一定的条件下, 熔深随电流的变化关系。当电压为22V时, 熔深随电流的增大而略有增大;当电压为24～28V时, 熔深随电流的变化基本不变。分析原因, 主要是因为套筒预制端在构造上伸进无缝钢管约5mm, 伸入段在焊接时起到垫板的作用。所以, 当无缝钢管未全熔透时, 熔深随电流的增大而增大;当无缝钢管达到全熔透状态后, 熔深不会再随电流、电压的增大而增大。

图14所示为电流一定的条件下, 熔池面积随电压的变化关系。当电流为140～150A时, 熔池面积随电压的增大略有增大;当电流为170～270A时, 熔池面积随电压的增大基本不变。图15所示为电压一定的条件下, 熔池面积随电流的变化关系。当电压为22～26V时, 熔池面积随电流的增大呈线性增大;当电压为28V时, 熔池面积随电流的变化基本不变。

综上所述, 结合焊缝熔透情况可得, 当电流<180A、电压<22V时, 熔深、熔宽和熔池面积均随电流、电压的增大而增大, 此阶段焊缝未熔透, 会有明显的咬边、夹渣等缺陷, 焊接接头连接性能较差;当电流>200A、电压>24V时, 焊缝全熔透, 熔深随电流、电压的增大基本不变, 熔宽随电压的增大呈线性增大, 熔池面积随电流的增大而增大, 随着电流的增大, 熔深和熔宽虽没有明显变化, 但熔池形状更加饱满。该阶段焊缝成型良好, 但电流、电压过大, 会使焊接过程中热量输入过大, 焊接热影响区面积加大, 产生焊接残余应力, 不利于焊接接头的受力性能。当焊接电流为210～230A, 电弧电压为24～26V时, 熔池形状对称、均匀、饱满, 焊缝的综合性能最优。

套筒装配端是截取GDPS全灌浆套筒^[2]的一部分, 因此该部分设计主要参考JGJ 107—2016《钢筋机械连接技术规程》^[8]、JG/T 398—2012《钢筋连接用灌浆套筒》^[9]和笔者关于GDPS套筒^[2]的研究成果。JGJ 107—2016中规定, I级接头抗拉强度应≥1.1倍钢筋抗拉强度标准值。同时, 为了便于现场安装, JG/T398—2012^[9]中规定锚固段环形凸起部分的内径最小尺寸与钢筋公称直径差值≥10mm。凸环肋设置参考GDPS套筒^[2], 无缝钢管变形段长度占灌浆段总长度的30%左右为宜。灌浆段总长度包括钢筋的锚固长度 (L_a) 、橡胶塞厚度及钢筋安装调整长度。其中, 关键在于钢筋锚固长度, 依据JG/T 398—2012, 取L_a=8d, 可确保装配端满足JGJ 107—2016规定的I级接头强度要求。

套筒预制端被连接钢筋通过剥肋滚压出的丝牙与套筒内部的内螺纹机械咬合连接, 其传力机理与钢筋直螺纹套筒类似。设计主要考虑丝牙的圈数和套筒壁厚。有效丝牙圈数应不小于相同直径钢筋直螺纹套筒最少完整丝扣圈数, 预制端外径与无缝钢管等径, 同时保证外径大于该直径钢筋直螺纹套筒的最小外径。

焊接接头质量是决定该套筒连接性能的关键。采用CO₂+Ar混合气体保护焊可满足接头的连接性能要求, 只需根据钢管的壁厚调整焊接电流和电弧电压值。依据前面得出的熔池形状参数随电流、电压变化的关系, 首先根据无缝钢管的壁厚确定焊接电流, 壁厚每增加0.5mm, 焊接电流增加10～15A, 然后根据经验公式U=0.04I+15±2^[7]得出电弧电压值。采用该电流、电压值进行工艺试验, 先观察焊缝外观有无缺陷, 再通过宏观金相检验观察焊缝剖面的熔池形状。依据熔池形状参数随电流、电压变化关系, 调整焊接电流、电弧电压值, 使熔池形状对称、均匀、饱满。

根据上述设计方法, 本文分别设计了公称直径为25, 28, 32mm的HRB400钢筋连接用焊接半灌浆套筒, 并按JGJ 107—2016中规定的型式检验要求^[8], 进行了单向拉伸、偏置对拉、大变形反复拉压和高应力反复拉压试验。灌浆料28d抗压强度为85MPa。型式检验结果表明, 接头的抗拉强度和变形能力均满足I级接头要求。

1) 在合适的焊接工艺下, 该新型焊接半灌浆套筒焊接接头的抗拉强度与钢筋抗拉强度标准值的比值≥1.1或接头断于钢筋, 表现出良好的连接性能。

2) 采用单边V形坡口, 当焊枪角度为75°时, 接头性能可等同于V形坡口。在加工该套筒时, 无缝钢管一侧无须加工坡口, 简化了加工工序, 提高了生产效率。

3) 当电流>200A、电压>24V时, 焊缝全熔透, 熔深随电流、电压的增大基本不变, 熔宽随电压的增大呈线性增大, 熔池面积随电流的增大而增大。当焊接电流为210～230A, 电弧电压为24～26V时, 焊接接头的综合性能最优。

4) 对焊接半灌浆套筒的设计方法进行了探讨, 并应用该方法设计了公称直径为25, 28和32mm的HRB400钢筋连接套筒, 型式检验结果均满足规范JGJ 107—2016中Ⅰ级接头的性能要求。