李艷艷　李曉清　蘇恒博

摘要：

為研究600 MPa高強(qiáng)鋼筋與混凝土粘結(jié)錨固性能，設(shè)計(jì)了72個(gè)棱柱體試件進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，對(duì)600 MPa高強(qiáng)鋼筋粘結(jié)錨固的破壞形態(tài)及粘結(jié)應(yīng)力分布進(jìn)行分析，通過(guò)建立基本粘結(jié)滑移關(guān)系及位置函數(shù)，確定600 MPa高強(qiáng)鋼筋在混凝土結(jié)構(gòu)中的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系。采用一次二階矩法進(jìn)行可靠度分析，提出錨固長(zhǎng)度設(shè)計(jì)建議。研究表明：600 MPa高強(qiáng)鋼筋粘結(jié)錨固的破壞形態(tài)及粘結(jié)應(yīng)力分布與普通鋼筋類似且粘結(jié)錨固性能良好，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）基本錨固長(zhǎng)度計(jì)算公式依然適用于600 MPa高強(qiáng)鋼筋。

關(guān)鍵詞：

高強(qiáng)鋼筋；粘結(jié)性能；本構(gòu)關(guān)系；錨固長(zhǎng)度

中圖分類號(hào)：TU511.32

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2017）02001907

Abstract：

Pullout tests were carried out on 72 concrete specimens reinforced with 600 MPa high strength reinforcement to investigate the bondanchorage properties between 600 MPa high strength reinforcement and concrete. Failure pattern and bond stress distribution of specimens were studied， respectively. The bondslip constitutive relations of 600 MPa high strength reinforcement were established through basic form of bondslip and position function. Through establishing the calculation formula of ultimate bonding strength for 600 MPa high strength reinforcement， bondanchorage length was established via reliability analysis of JC. The results showed that the failure pattern， bond stress distribution between 600 MPa high strength reinforcement and other strength reinforced bars no obvious difference. Basic anchorage length formula of GB500102010 still can be applied to 600 MPa high strength reinforcement.

Keywords：

high strength reinforcement； bond properties； constitutive relations； anchorage length

鋼筋混凝土共同受力的基礎(chǔ)是兩者共同協(xié)調(diào)發(fā)揮作用，而共同協(xié)調(diào)的關(guān)鍵就在于粘結(jié)錨固作用。粘結(jié)錨固作用是混凝土結(jié)構(gòu)研究的基本問(wèn)題，隨著建筑材料及理論研究的不斷發(fā)展，鋼筋與混凝土粘結(jié)錨固問(wèn)題的研究也在不斷深入。近年來(lái)，關(guān)于再生混凝土、陶粒混凝土等特殊混凝土與普通鋼筋及銹蝕鋼筋等特殊鋼筋的粘結(jié)錨固問(wèn)題成為研究熱點(diǎn)。Prince等[1]、王晨霞等[2]研究了再生混凝土與鋼筋的粘結(jié)性能，Zhang等[3]、張歡歡等[4]研究了陶?；炷僚c鋼筋的粘結(jié)性能。同時(shí)，反復(fù)荷載、重復(fù)荷載等特殊工況以及凍融、火災(zāi)等特殊環(huán)境作用下鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能備受關(guān)注。冀曉東等[5]、Rania等[6]、Huang等[7]研究了周期荷載作用下鋼筋與混凝土的粘結(jié)退化機(jī)理，Arel等[8]、Khalaf等[9]對(duì)高溫、火災(zāi)環(huán)境下鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

高強(qiáng)鋼筋作為一種新型建筑材料，其與混凝土的粘結(jié)錨固問(wèn)題是推廣應(yīng)用高強(qiáng)鋼筋的關(guān)鍵問(wèn)題。學(xué)者們?cè)M(jìn)行過(guò)很多關(guān)于高強(qiáng)鋼筋與混凝土粘結(jié)錨固性能方面的研究[1013]，但主要集中于普通鋼筋以及強(qiáng)度在500 MPa及以下鋼筋，而對(duì)更高強(qiáng)度鋼筋與混凝土粘結(jié)錨固性能的研究比較缺乏。隨著中國(guó)大力推廣高強(qiáng)鋼筋，HRB500鋼筋已經(jīng)編入現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010），600 MPa高強(qiáng)鋼筋的推廣使用也是勢(shì)在必行。高強(qiáng)鋼筋因設(shè)計(jì)強(qiáng)度明顯高于普通鋼筋，所需錨固力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通鋼筋，有必要針對(duì)600 MPa高強(qiáng)鋼筋與混凝土之間粘結(jié)錨固性能進(jìn)行研究。本文利用棱柱體試件拉拔試驗(yàn)，研究600 MPa高強(qiáng)鋼筋與混凝土的粘結(jié)應(yīng)力分布、本構(gòu)關(guān)系等。

1試驗(yàn)概況

1.1試件設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)采用600 MPa級(jí)熱軋帶肋高強(qiáng)鋼筋，直徑為18、25 mm，其屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值分別為654.30、622.30 MPa。試驗(yàn)所用混凝土為商品混凝土。試驗(yàn)用試件與立方體試塊（150 mm×150 mm×150 mm）同時(shí)澆筑完成，同條件下養(yǎng)護(hù)至28 d，根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2002）對(duì)標(biāo)準(zhǔn)立方體試件進(jìn)行抗壓性能試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

1.2試驗(yàn)方法

試件加載端采用內(nèi)徑較錨筋大2 mm，長(zhǎng)度為40 mm塑料管，將鋼筋與混凝土隔開(kāi)，以防止加載端局部擠壓對(duì)錨筋受力造成影響。整個(gè)試驗(yàn)在WAW1000電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上完成，加載制度參考《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50152—2012），采用連續(xù)加載，試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)時(shí)加載端采用位移計(jì)量測(cè)鋼筋與加載端、自由端截面混凝土相對(duì)位移，位移計(jì)安裝如圖2所示。在鋼筋外表面延鋼筋埋長(zhǎng)對(duì)鋼筋進(jìn)行開(kāi)槽并貼應(yīng)變片，量測(cè)鋼筋應(yīng)變，采用DH3816進(jìn)行應(yīng)變信號(hào)采集，應(yīng)變片間距為20 mm，開(kāi)槽鋼筋貼應(yīng)變片情況如圖3所示。

2破壞形態(tài)

試件破壞形態(tài)可分成4類（圖4）：混凝土劈裂破壞、混凝土拉裂后鋼筋拔出破壞、混凝土壓碎破壞以及鋼筋屈服破壞。

1）未配置橫向箍筋試件基本發(fā)生劈裂破壞。從試驗(yàn)開(kāi)始直到試件劈裂前，試件表面無(wú)裂縫出現(xiàn)，到達(dá)極限荷載時(shí)，試件發(fā)生瞬間劈裂破壞并伴有劇烈聲響，如圖4（a）所示。

2）當(dāng)試件配置少量橫向箍筋，采用偏心置筋，試件的破壞方式為混凝土被拉裂后錨筋拔出破壞。其破壞形態(tài)，如圖4（b）所示。

3）當(dāng)試件配置較多箍筋，混凝土保護(hù)層厚度較小時(shí)，試件的破壞方式為混凝土壓碎后混凝土大面積剝落、箍筋外露而錨固失效破壞。破壞形態(tài)見(jiàn)圖4（c）。

4）當(dāng)錨固長(zhǎng)度較大時(shí)，部分試件的錨筋發(fā)生屈服，即在混凝土破壞之前錨筋已經(jīng)達(dá)到屈服。大部分試件完好無(wú)損，極少試件會(huì)出現(xiàn)細(xì)微裂縫，如圖4（d）所示。

對(duì)比以往研究文獻(xiàn)[11]，發(fā)現(xiàn)配置箍筋適當(dāng)、保護(hù)層厚度滿足要求時(shí)，同條件下，600 MPa高強(qiáng)鋼筋與其它級(jí)別高強(qiáng)鋼筋粘結(jié)破壞形態(tài)類似；保護(hù)層厚度相對(duì)較小時(shí)，600 MPa高強(qiáng)鋼筋試件出現(xiàn)混凝土壓碎破壞現(xiàn)象。

600 MPa高強(qiáng)鋼筋與普通鋼筋相比設(shè)計(jì)應(yīng)力較高，高應(yīng)力狀態(tài)下容易出現(xiàn)錨筋周圍混凝土壓碎先于錨筋拔出破壞，當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度滿足要求時(shí)，則不會(huì)出現(xiàn)。因此，在應(yīng)用600 MPa高強(qiáng)鋼筋時(shí)，應(yīng)當(dāng)較其它低強(qiáng)度等級(jí)鋼筋適當(dāng)加大鋼筋間距，保證鋼筋周圍有足夠混凝土握裹層厚度。

3粘結(jié)應(yīng)力分布

通過(guò)鋼筋內(nèi)貼應(yīng)變片的方法得到鋼筋應(yīng)變延錨長(zhǎng)分布情況，進(jìn)而得到粘結(jié)應(yīng)力沿錨固長(zhǎng)度的分布情況，不同錨固長(zhǎng)度試件粘結(jié)應(yīng)力分布曲線如圖5所示。

觀察兩者界面粘結(jié)應(yīng)力分布曲線特點(diǎn)，其分布規(guī)律為：

1）試件加載端粘結(jié)應(yīng)力近似為0，沿著加載端向自由端，粘結(jié)應(yīng)力迅速增加，大多數(shù)試件粘結(jié)應(yīng)力在錨固深度0.15～0.9處經(jīng)過(guò)一段穩(wěn)定后，粘結(jié)應(yīng)力迅速降低，曲線斜率減小，到達(dá)自由端時(shí)粘結(jié)應(yīng)力為零。

2）各級(jí)荷載下粘結(jié)應(yīng)力的分布規(guī)律基本相似，不同的試件也有極為相似的規(guī)律。錨固長(zhǎng)度較小的試件其粘結(jié)應(yīng)力分布較均勻，高應(yīng)力區(qū)域較大；相對(duì)于錨長(zhǎng)較小試件，錨固長(zhǎng)度較大的試件其粘結(jié)應(yīng)力分布不夠均勻，高應(yīng)力區(qū)域較小，并且靠近加載端，同普通熱軋帶肋鋼筋相類似。

4粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系

4.1基本粘結(jié)滑移關(guān)系

試驗(yàn)研究表明，未配置橫向箍筋的CX組試件基本發(fā)生瞬間劈裂破壞，試件喪失承載能力，粘結(jié)滑移曲線只有上升段；配置箍筋短錨DX組試件發(fā)生拔出破壞時(shí)，可以測(cè)出全曲線，但試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為離散。本文基于全部開(kāi)槽試件CX、DX組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行粘結(jié)滑移曲線上升段進(jìn)行分析，粘結(jié)應(yīng)力及對(duì)應(yīng)滑移如圖6。粘結(jié)應(yīng)力值、滑移值取值分別為平均粘結(jié)應(yīng)力值、自由端與加載端滑移平均值。

觀察試驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)律，并對(duì)其進(jìn)行擬合，結(jié)果以三次曲線形式表示，如式（1），此式即為基本粘結(jié)滑移關(guān)系Φ（s）。

Φ（s）=1.33+22.41s-11.78s2-3.86s3（1）

4.2粘結(jié)滑移位置函數(shù)

位置函數(shù)ψ（x）描述了不同位置處粘結(jié)剛度（τs曲線斜率）的相對(duì)大小，是個(gè)相對(duì)函數(shù)（圖7）。位置函數(shù)的取得方法詳細(xì)如下：取相同滑移下不同位置處的粘結(jié)應(yīng)力連成曲線，該曲線反映了粘結(jié)錨固剛度沿錨固長(zhǎng)度的變化規(guī)律；將不同位置的粘結(jié)應(yīng)力曲線無(wú)量綱化，即把縱坐標(biāo)的粘結(jié)應(yīng)力除以平均粘結(jié)應(yīng)力，橫坐標(biāo)的錨固位置除以錨固長(zhǎng)度。

由此曲線可以觀察到不同錨固長(zhǎng)度試件粘結(jié)應(yīng)力的分布有著相同的規(guī)律：自由端位置的粘結(jié)應(yīng)力為0，加載粘結(jié)應(yīng)力近似趨向于0，其趨勢(shì)經(jīng)歷了迅速增加、相對(duì)穩(wěn)定、急劇減小3個(gè)階段，穩(wěn)定區(qū)域在0.15～0.9倍錨固長(zhǎng)度范圍內(nèi)。而在此分布規(guī)律下，較短錨固長(zhǎng)度5d和10d的試件有著相似的分布趨勢(shì)，較長(zhǎng)錨固長(zhǎng)度15d和19.4d的試件有著更為相似的分布趨勢(shì)。

結(jié)合粘結(jié)應(yīng)力分布的特點(diǎn)，對(duì)位置函數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，提出折線模型（圖8）。整個(gè)模型由3條折線，4個(gè)控制點(diǎn)A（0，0）、B（X1，Y1）、C（X2，Y2）和D（1.0，0）組成。

表3中3組數(shù)據(jù)分別為計(jì)算臨界錨固長(zhǎng)度、可靠度分析錨固長(zhǎng)度及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）規(guī)定帶肋鋼筋基本錨固長(zhǎng)度，對(duì)比3組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：臨界錨固長(zhǎng)度、JC法分析錨固長(zhǎng)度均低于規(guī)范取值。因此，600MP高強(qiáng)鋼筋的基本錨固長(zhǎng)度可以按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算取值。

6結(jié)論

1）600 MPa高強(qiáng)鋼筋粘結(jié)應(yīng)力分布規(guī)律與普通帶肋鋼筋相類似，并且粘結(jié)應(yīng)力峰值出現(xiàn)在錨固深度0.15倍處左右。

2）通過(guò)建立基本粘結(jié)滑移關(guān)系、位置函數(shù)，提出適合600 MPa高強(qiáng)鋼筋與混凝土的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系。

3）600 MPa高強(qiáng)鋼筋的基本錨固長(zhǎng)度可以按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算取值，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取520 MPa。

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（編輯王秀玲）