一种装配式结构钢筋直螺纹连接装置及其连接方法与流程

1.本发明涉及一种装配式结构建筑施工中钢筋连接的装置及其连接方法，适用于装配式预制构件之间、以及预制构件与现浇和后浇混凝土结构之间的钢筋连接，能在钢筋不能沿径向和轴向移动、不能转动、钢筋丝头螺纹的螺旋线偏差错位的建筑环境下使用。


背景技术：

2.行业标准《装配式混凝土结构技术规程》(jgj 1-2014，以下简称“规程”)指出：“装配式结构成败的关键在于预制构件之间，以及预制构件与现浇和后浇混凝土之间的连接技术，其中包括连接接头的选用和连接节点的构造设计”，“预制构件的连接技术是装配式结构关键的，核心的技术。其中，钢筋套筒灌浆连接接头技术是本规程所推荐主要的连接接头技术，也是形成各种装配式混凝土结构的重要基础”(“规程”条文说明3.0.3、4.2.1)。
3.然而，通过对钢筋套筒灌浆连接接头一系列规定的研究分析以及工程实践发现，该连接技术并不理想，存在诸多难以克服的缺陷，已经成为制约装配式建筑大规模、高质量发展的瓶颈，其主要的缺陷列举如下：
4.1、成本高，操作复杂，难检测。2016年4月11日的《建筑时报》第7版对此已有报道：“不仅耗材多(要求严格的高强灌浆料和又粗又长的套筒)、成本高，而且灌浆套筒连接操作程序复杂、专业要求高，施工中影响质量的环节、因素众多，且难避免，难控制，更难以检测，很难检查连接接头的质量到底如何？对此，技术专家一直担忧不安”；
5.2、灌浆施工受环境温度影响明显，限制了施工的地域及季节。《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》jgj 355-20156.3.9第2条规定：“灌浆施工时，环境温度应符合灌浆料产品使用说明书要求；环境温度低于5℃时不宜施工，低于0℃时不得施工；当环境温度高于30℃时，应采取降低灌浆料拌合物温度的措施”；
6.3、灌浆料需在加水后30分钟内使用完，超时只能丢弃。《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》jgj 355-2015条文说明6.3.9最后一段规定：“灌浆料拌合物的流动度指标随时间会逐渐下降，为保证灌浆施工，本条规定灌浆料宜在加水后30min内用完。灌浆料拌合物不得再次添加灌浆料、水后混合使用，超过规定时间后的灌浆料及使用剩余的灌浆料只能丢弃”。
7.目前建筑行业用于钢筋连接的主要技术是钢筋机械连接，即通过钢筋与连接件或其他介入材料的机械咬合作用或钢筋端面的承压作用，将一根钢筋中的力传递至另一根钢筋的连接方法。钢筋机械连接的主要形式为螺纹连接，螺纹连接是用专用设备先将两根钢筋端部制作出带有相应螺纹的钢筋丝头，再用带有相应内螺纹的连接套筒将两根钢筋连接。
8.由于装配式建筑两预制构件拼装时需连接的钢筋在径向和轴向位置会有偏差错位，“规程”中对此有明确限定：“连接钢筋偏离套筒或孔洞中心线不宜超过5mm”(参见“规程”12.3.2条)，又由于预埋在预制件中的钢筋即不能沿径向和轴向移动，也不能转动，而钢筋丝头的螺纹都是预先加工完成并同钢筋一起预埋在构件中的，因此实施连接会遇到两个
难题：其中一个难题是要纠正两根钢筋轴线的径向错位；另一个难题是两根预埋钢筋丝头螺纹的螺旋线之间会存在偏差错位，由于钢筋已经固定在构件中无法旋转和轴向移动，直接用连接套筒连接两根钢筋时，会发生螺纹干涉而无法旋合的情况；而且，对于连接接头的抗拉强度，还必需达到《钢筋机械连接技术规程》(jgj107-2016)中第3.0.5条规定的抗拉强度要求。因为存在这些技术难题，目前市场上普遍采用的螺纹连接技术一直没能在装配式预制构件中得以应用。


技术实现要素：

9.本发明所要解决的技术问题在于提供一种装配式结构钢筋直螺纹连接装置，其能在两根钢筋的轴线存在径向错位的情况下，实现两根钢筋之间的可靠连接。
10.本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种装配式结构钢筋直螺纹连接装置，其能在两根钢筋不能沿径向和轴向移动、不能转动、且两根钢筋丝头螺纹的螺旋线存在偏差错位的情况下，实现两根钢筋之间的可靠连接。
11.本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种装配式结构钢筋直螺纹连接方法。
12.根据本发明的一个方面，提供了一种装配式结构钢筋直螺纹连接装置，包括螺套和连接套筒；连接套筒设有沿轴向贯通的中心通孔，中心通孔包括依次相连的第一内孔和第二内孔，第一内孔的一端贯通连接套筒一端的端面，第一内孔的另一端与第二内孔相连，第二内孔的另一端贯通连接套筒另一端的端面；连接套筒的第一内孔，连接套筒的第二内孔和螺套的内孔孔壁分别设有内螺纹，螺套的外侧面设有外螺纹；螺套的内螺纹与第一钢筋丝头的外螺纹螺距相等且相旋合形成第一螺纹副，连接套筒的第一内孔的内螺纹与第二钢筋丝头的外螺纹螺距相等且相旋合形成第二螺纹副，连接套筒的第二内孔的内螺纹与所述螺套的外螺纹螺距相等且相旋合形成第三螺纹副；连接套筒的第一内孔的内螺纹和螺套的内螺纹均为直螺纹；其中，第一螺纹副与第二螺纹副的螺距不相等，第一螺纹副与第三螺纹副的螺距不相等，第二螺纹副与第三螺纹副的螺距相等。
13.上述的装配式结构钢筋直螺纹连接装置，其中，连接套筒的第二内孔的开口处为圆锥孔，圆锥孔的孔口直径大于该圆锥孔的孔底直径；圆锥孔的孔底直径与连接套筒的第二内孔的内螺纹大径尺寸相等，孔口直径与孔底直径之差不小于第一钢筋丝头的轴线与第二钢筋丝头的轴线在行业技术规程中所允许的最大偏差值的两倍。
14.根据本发明的另一个方面，还提供了一种装配式结构钢筋直螺纹连接方法，其包括以下步骤：
15.将螺套的内螺纹与第一钢筋丝头的外螺纹旋合，形成第一螺纹副；
16.将连接套筒的第一内孔的内螺纹与第二钢筋丝头的外螺纹旋合，形成第二螺纹副；
17.沿着使连接套筒靠近螺套的方向旋转连接套筒，连接套筒的第二内孔的内螺纹与螺套的外螺纹旋合形成第三螺纹副，当连接套筒的第二内孔的内螺纹与螺套的外螺纹无法旋合时即两条螺纹存在螺旋线偏差错位，同向转动连接套筒与螺套的圈数达到a/|p1-p2|圈，连接套筒的第二内孔的内螺纹可以与螺套的外螺纹相旋合形成第三螺纹副；其中，a为连接套筒的第二内孔的内螺纹与螺套的外螺纹之间存在的螺旋线偏差值，p1为第一螺纹副的螺距，p2为第二螺纹副的螺距，p1≠p2，|p1-p2|为连接套筒与螺套同向转动一圈后产生
的轴向距离偏差，同向转动连接套筒与螺套的圈数达到a/|p1-p2|圈可抵消所述螺旋线偏差值a，连接套筒的第二内孔的内螺纹可以与螺套的外螺纹旋合形成第三螺纹副。
18.上述的装配式结构钢筋直螺纹连接方法，其中，第一螺纹副与第二螺纹副的螺距不相等，第一螺纹副与第三螺纹副的螺距不相等，第二螺纹副与第三螺纹副的螺距相等；利用第一螺纹副与第二螺纹副的螺距差可纠正连接套筒的第二内孔的内螺纹与螺套的外螺纹之间存在的螺旋线偏差错位，实现所述第三螺纹副的旋合连接。
19.上述的装配式结构钢筋直螺纹连接方法，其中，连接套筒的第二内孔的开口处为圆锥孔，该圆锥孔的孔口直径大于该圆锥孔的孔底直径；圆锥孔的孔底直径与连接套筒的第二内孔的内螺纹大径尺寸相等，孔口直径与孔底直径之差不小于第一钢筋丝头的轴线与第二钢筋丝头的轴线在行业技术规程中所允许的最大偏差值的两倍；在连接套筒向螺套旋进的过程中，通过圆锥孔纠正第一钢筋丝头的轴线与第二钢筋丝头的轴线之间的径向偏差，实现所述第三螺纹副的旋合连接。
20.采用上述技术方案后，本发明具有以下的优点：
21.1、本发明实施例的装配式结构钢筋直螺纹连接装置的第一螺纹副与第二螺纹副的螺距不相等，第一螺纹副与第三螺纹副的螺距不相等，第二螺纹副与第三螺纹副的螺距相等；当连接套筒的第二内孔的内螺纹与螺套的外螺纹存在螺旋线偏差错位(即第一钢筋丝头螺纹的螺旋线与第二钢筋丝头螺纹的螺旋线存在偏差错位)时，可利用连接套筒与螺套同向转动一圈后产生的轴向距离偏差，同向转动连接套筒与螺套达到一定圈数后，可抵消连接套筒的第二内孔的内螺纹与螺套的外螺纹之间存在的螺旋线偏差错位，实现第三螺纹副的可旋合连接，进而将两根钢筋可靠地连接在一起；
22.2、连接套筒向螺套旋进的过程中，连接套筒的第二内孔开口处的圆锥孔可纠正第一钢筋丝头的轴线与第二钢筋丝头的轴线之间的径向偏差，实现第三螺纹副的可旋合连接；
23.3、本发明在实现可连接的功能基础上，可达到《钢筋机械连接技术规程》(jgj107-2016)中第3.0.5条i级抗拉强度的要求。
附图说明
24.图1示出了根据本发明第一实施例的装配式结构钢筋直螺纹连接装置的轴向剖示图。
25.图2示出了根据本发明第一实施例的连接套筒的轴向剖示图。
26.图3示出了装配式预制构件应用本发明第一实施例的连接装置在准备连接前的示意图。
27.图4示出了装配式预制构件应用本发明第一实施例的连接装置纠正两根钢筋径向偏差的示意图。
28.图5示出了装配式预制构件应用本发明第一实施例的连接装置在完成连接后的示意图。
29.图6示出了图4的a-a剖示图，其中，连接套筒的外形为六角多棱柱体。
30.图7示出了根据本发明第二实施例的装配式结构钢筋直螺纹连接装置的轴向剖示图。
具体实施方式
31.在本部分中将描述根据本专利申请的方法和装置的代表性应用，提供这些实例是为了有助于理解所述实施例。因此，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，可在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践所述实施例。在其他情况下，为了避免不必要地模糊所述实施例，未详细描述熟知的处理步骤。其它应用也是可能的，使得以下实例不应视为是限制性的。
32.在以下详细描述中，参考了形成说明书的一部分的附图，并且在附图中以举例说明的方式示出了根据所述实施例的具体实施例。尽管足够详细地描述了这些实施例以使得本领域的技术人员能够实践所述实施例，但应当理解，这些实例不是限制性的；使得可使用其它实施例并且可在不脱离所述实施例的实质和范围的情况下作出修改。
33.图1示出了根据本发明第一实施例的装配式结构钢筋直螺纹连接装置的轴向剖示图，图2示出了根据本发明第一实施例的连接套筒的轴向剖示图。请参阅图1和图2，根据本发明第一实施例的装配式结构钢筋直螺纹连接装置包括螺套1和连接套筒2。
34.连接套筒2设有沿轴向贯通的中心通孔，中心通孔包括依次相连的第一内孔21和第二内孔22，第一内孔21的一端贯通连接套筒2一端的端面，第一内孔21的另一端与第二内孔22相连，第二内孔22的另一端贯通连接套筒2另一端的端面；连接套筒2的第一内孔21，连接套筒2的第二内孔22和螺套1的内孔孔壁分别设有内螺纹，螺套1的外侧面设有外螺纹；螺套1的内螺纹与第一钢筋丝头61的外螺纹螺距相等且相旋合形成第一螺纹副m1，连接套筒2的第一内孔21的内螺纹与第二钢筋丝头62的外螺纹螺距相等且相旋合形成第二螺纹副m2，连接套筒2的第二内孔22的内螺纹与螺套1的外螺纹螺距相等且相旋合形成第三螺纹副m3；连接套筒2的第一内孔21的内螺纹和螺套1的内螺纹均为直螺纹。其中，第一螺纹副m1与第二螺纹副m2的螺距不相等(即螺套1的内螺纹的螺距、第一钢筋丝头61的外螺纹的螺距与连接套筒2的第一内孔21的内螺纹的螺距、第二钢筋丝头62的外螺纹的螺距不相等)，第一螺纹副m1与第三螺纹副m3的螺距不相等(即螺套1的内螺纹的螺距、第一钢筋丝头61的外螺纹的螺距与连接套筒2的第二内孔22的内螺纹的螺距、螺套1的外螺纹的螺距不相等)，第二螺纹副m2与第三螺纹副m3的螺距相等(即连接套筒2的第一内孔21的内螺纹的螺距、第二钢筋丝头62的外螺纹的螺距与连接套筒2的第二内孔22的内螺纹的螺距、螺套1的外螺纹的螺距相等)。
35.在本实施例中，连接套筒2的第二内孔22的开口处为圆锥孔24，圆锥孔24的孔口直径d大于该圆锥孔的孔底直径d；圆锥孔24的孔底直径d与连接套筒2的第二内孔22的内螺纹大径尺寸相等，孔口直径d与孔底直径d之差不小于第一钢筋丝头61的轴线与第二钢筋丝头62的轴线在行业技术规程中所允许的最大偏差值的两倍。例如，选用的行业技术规程为《装配式混凝土结构技术规程》(jgj 1-2014)时，其第12.3.2条规定了：“连接钢筋偏离套筒或孔洞中心线不宜超过5mm”，若遵照《装配式混凝土结构技术规程》的12.3.2条的规定，则孔口直径d与孔底直径d之差应大于等于10mm。如选用的是其它的技术规程，则以其它技术规程的相关规定的数值为准。
36.在本实施例中，连接套筒2的圆锥孔24的孔底至第二内孔22的内螺纹之间设有第三内孔23，第三内孔23的直径等于连接套筒2的圆锥孔24的孔底直径d。第三内孔23用于在连接套筒2的圆锥孔24纠正完第一钢筋丝头61的轴线与第二钢筋丝头62的轴线之间的径向
偏差后，同向转动连接套筒2和螺套1的过程中，箍住螺套1的外螺纹大径使第一钢筋丝头61的轴线与第二钢筋丝头62的轴线始终处于同一轴线上。
37.可选地，第一螺纹副m1的螺距大于第二螺纹副m2的螺距。
38.连接套筒2的外形可以是六角多棱柱体或圆柱体，或者是与旋转工具相适应的其它形状。在本实施例中，连接套筒2的外形为六角多棱柱体。
39.在本实施例中，螺套1一端的外侧面设有沿径向向外凸出的台阶11，台阶11的最小尺寸大于螺套1的外螺纹大径尺寸，该台阶11用来止挡连接套筒2。台阶11的外形可以是六角多棱柱体、圆柱体或与旋转工具相适应的其他形状。
40.以下结合图3至图6，说明采用根据本发明第一实施例的连接装置如何将两个装配式预制构件的钢筋连接在一起的过程。具体实施步骤如下：
41.a、先用专用设备分别在第一钢筋6a和第二钢筋6b的端头加工出直螺纹第一钢筋丝头61和直螺纹第二钢筋丝头62，两根钢筋螺纹旋向相同，第二钢筋丝头62为加长丝头长度。
42.b、如图3所示，在预制混凝土时或施工现场将加工完丝头的钢筋预埋，第一钢筋6a预埋在第一预制构件5a中，第二钢筋6b预埋在第二预制构件5b中。将第一螺套1的内螺纹与第一钢筋丝头61外螺纹旋合，形成第一螺纹副m1；将连接套筒2的第一内孔21的内螺纹与第二钢筋丝头62的外螺纹旋合，形成第二螺纹副m2。在施工现场，将第二预制构件5b坐落在第一预制构件5a上，中间层5c是水泥浆料的“坐灰”。
43.c、在图3的示例中，第一钢筋丝头61的轴线与第二钢筋丝头62的轴线存在径向错位t＝5mm(由“规程”12.3.2要求：当连接钢筋倾斜时，应进行校直。连接钢筋偏离套筒或孔洞中心线不宜超过5mm)，因为连接套筒2的圆锥孔24的孔口直径d大于螺套1的外螺纹大径尺寸加10mm，故在连接套筒2下方，已预先旋合在第一钢筋丝头61上的第一螺套1的外螺纹始终落入连接套筒2的圆锥孔24沿第二钢筋丝头62的轴线方向的范围内。
44.d、在图4的示例中，转动旋转工具4使连接套筒2向第一钢筋丝头61方向旋进，当连接套筒2的圆锥孔24的圆锥面接触到螺套1的外螺纹时，继续旋进，旋进的扭矩经由连接套筒2第一内孔21的内螺纹传导与圆锥孔24的圆锥面增力，足以推动第一钢筋丝头61的轴线和第二钢筋丝头62的轴线沿着连接套筒2的圆锥孔24的圆锥面锥度相向靠拢，纠正其径向偏位，径向偏位值t由图3示例的5mm减小到图4示例的1.5mm。
45.e、在图5的示例中，持续转动旋转工具4，沿着使连接套筒2靠近螺套1的方向旋转连接套筒2，第一钢筋丝头61的轴线和第二钢筋丝头62的轴线径向偏位纠正至t＝0。
46.持续沿着使连接套筒2靠近螺套1的方向旋转连接套筒2，连接套筒2的第二内孔22的内螺纹可以与螺套1的外螺纹直接旋合形成第三螺纹副m3，旋进连接套筒2直至顶住螺套1的台阶11，用力拧紧，完成连接。
47.当连接套筒2的第二内孔22的内螺纹与螺套1的外螺纹无法旋合时即两条螺纹存在螺旋线偏差错位，连接套筒2的第二内孔22的内螺纹的第一个外侧齿牙会顶住螺套1的外螺纹的第一个外侧齿牙，通过两个齿牙接触面的摩擦作用传递扭矩，转动连接套筒2会带动螺套1同向转动。第一螺纹副m1的螺距p1与第二螺纹副m2的螺距p2不相等，下文按照p2＜p1和p2＞p1两种情况下，采取不同的实施步骤：
48.1)第二螺纹副m2的螺距p2＜第一螺纹副m1的螺距p1。第一螺纹副m1转动一圈即螺
套1沿着第一钢筋丝头61的轴线向第一钢筋丝头61尾部方向旋进的距离为p1，第二螺纹副m2转动一圈即连接套筒2沿着第二钢筋丝头62的轴线向第一钢筋丝头61尾部方向旋进的距离为p2，p2＜p1即连接套筒2转动一圈旋进的距离＜螺套1转动一圈旋进的距离(连接套筒2旋进的速度比螺套1慢)，旋转连接套筒2带动螺套1转动的过程中，连接套筒2的第二内孔22的内螺纹的第一个外侧齿牙会脱离与螺套1的外螺纹的第一个外侧齿牙的接触，螺套1停止旋进，此时持续旋转连接套筒2会缩短连接套筒2的第二内孔22的内螺纹与螺套1的外螺纹之间存在的螺旋线偏差，连接套筒2又会与螺套1接触并带动螺套1旋进，如此重复；a为连接套筒2的第二内孔22的内螺纹与螺套1的外螺纹之间存在的螺旋线偏差值，则向第一钢筋丝头61尾部方向转动连接套筒2与螺套1的圈数达到a/|p1-p2|圈后，可抵消螺旋线偏差值a，连接套筒2的第二内孔22的内螺纹可以与螺套1的外螺纹相旋合形成第三螺纹副m3。旋进连接套筒2直至顶住螺套1的台阶11，用力拧紧，完成连接。当第二螺纹副m2的螺距p2＜第一螺纹副m1的螺距p1时，本发明第一实施例的连接装置可对所连接的两根钢筋产生张拉力，可用于预应力装配式建筑的先张法或后张法预应力构件。
49.2)第二螺纹副m2的螺距p2＞第一螺纹副m1的螺距p1。第一螺纹副m1转动一圈即螺套1沿着第一钢筋丝头61的轴线向第一钢筋丝头61尾部方向旋进的距离为p1，第二螺纹副m2转动一圈即连接套筒2沿着第二钢筋丝头62的轴线向第一钢筋丝头61尾部方向旋进的距离为p2，p2＞p2即连接套筒2转动一圈旋进的距离＞螺套1转动一圈旋进的距离(连接套筒2旋进的速度比螺套1快)，旋转连接套筒2带动螺套1转动的过程中，连接套筒2的第二内孔22的内螺纹的第一个外侧齿牙会顶住螺套1的外螺纹的第一个外侧齿牙，导致连接套筒2无法旋进，此时使用另一旋转工具转动螺套1的台阶11，使螺套1向第一钢筋丝头11的尾端方向旋进，再旋转连接套筒2，连接套筒2又会与螺套1接触并带动螺套1旋进，从而缩短连接套筒2的第二内孔22的内螺纹与螺套1的外螺纹存在的螺旋线偏差，如此重复；a为连接套筒2的第二内孔22的内螺纹与螺套1的外螺纹之间存在的螺旋线偏差值，则向第一钢筋丝头61尾部方向转动连接套筒2与螺套1的圈数达到a/|p1-p2|圈后，可抵消螺旋线偏差值a，连接套筒2的第二内孔22的内螺纹可以与螺套1的外螺纹相旋合形成第三螺纹副m3。旋进连接套筒2直至顶住螺套1的台阶11，用力拧紧，完成连接。
50.以ф25规格钢筋为例，在连接长度为10倍钢筋直径情况下，连接完成后连接装置的中心线对钢筋轴线初始位的偏移角度α约为1度。
51.图7示出了根据本发明第二实施例的装配式结构钢筋直螺纹连接装置的轴向剖示图。该第二实施例与第一实施例的主要区别在于，根据本发明第二实施例的装配式结构钢筋直螺纹连接装置包括两个锁紧螺母3a和3b，锁紧螺母3a螺旋套接于第一钢筋丝头61，锁紧螺母3b螺旋套接于第二钢筋丝头62，锁紧螺母3a的端面抵接于螺套1的端面，锁紧螺母3b的端面抵接于连接套筒2的端面；可以使用锁紧螺母3a或3b将螺套1或连接套筒2定位在丝头长度范围内的适当的位置，使其不能往钢筋丝头尾部方向移动。
52.在其它的实施方式中，也可以只在第一钢筋丝头61的尾端至螺套1的端面之间螺旋套接锁紧螺母3a，或只在第二钢筋丝头62的尾端至连接套筒2的端面之间螺旋套接锁紧螺母3b，完成连接后，锁紧螺母3a或3b的端面抵接于相对应的螺套1或连接套筒2的端面。
53.本发明实施例的连接装置和连接方法尤其适用于预制构件之间以及预制构件与现浇和后浇混凝土结构之间的钢筋连接，其操作简单方便，不受外界温度限制，连接后无养
护期，具有易检测、零能耗、无辅料、低成本的优点。