铁路混凝土工程钢筋机械连接的设计及加工工艺控制.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、 , 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
5、 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(
6、 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
7、 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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、( 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
13、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
14、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
15、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
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