閻西康 梁琳霄 梁琛

摘 要： 為研究疲勞荷載對植筋拉拔承載力、粘結應力的影響，設計植筋直徑為16～25 mm、錨固深度為10d～25d（d為植筋直徑）的10組拉拔試件進行疲勞試驗，試件經(jīng)200萬次荷載上限為0.45Pu的疲勞加載后均未破壞，施加靜載至破壞。加載過程中測量植筋的應變、滑移和荷載。結果表明：疲勞荷載削弱了承載能力，試件經(jīng)疲勞荷載作用后極限承載力下降，粘結應力的減小隨循環(huán)加載次數(shù)增加呈對數(shù)發(fā)展趨勢。分析了粘結應力與試件破壞形態(tài)的關系。對于拔出破壞的試件，達到一定植筋深度后，膠筋界面的粘結應力是控制試件破壞與否的主要因素。增加植筋直徑和錨固深度，粘結應力峰值逐漸降低，沿錨固長度的應力分布曲線趨于平緩，提高了植筋整體受力性能。

關鍵詞： 植筋;疲勞荷載;粘結應力;疲勞性能

中圖分類號：TU375.1? ? 文獻標志碼：A? ?文章編號：2096-6717（2020）02-0149-08

Bond slip behavior of post-installed anchorage under fatigue load

Yan Xikang1， Liang Linxiao1， Liang Chen2

（1.School of Civil and Transportation Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， P.R.China;2.China State Construction Land （Tianjin）Co. Ltd， Tianjin 300450， P.R.China）

Abstract：? Through the fatigue test of 10 groups of drawing specimens with diameter of planting reinforcing bar of 16～25mm and embedment depth of 10d～25d （d is diameter of planting reinforcing bar ）， effect of fatigue load on tensile strength and bond stress of anchor bars had been studied.The specimens were not damaged after 2 million times of fatigue loading with an upper limit of 0.45Pu， then applied static load to failure.Strain， slip and load of planted bars are measured during loading.Results demonstrate that the fatigue load weakens tensile strength， and the ultimate load decreases after fatigue loading.The decrease of bond stress has a logarithmic trend with the increase of cyclic loading times.The relationship of the bond stress and the failure form of the specimen is analyzed.It is found that the bond stress at the interface between rebar and chemical adhesive is the main factor to control whether the specimen failure or not when reaching certain embedment depth.Increasing the diameter and embedment depth of anchor bar， the peak of bond stress gradually decreases; the stress distribution curve along the embedment length tends to be gentle， which improves the overall stress performance of the anchor bar.

Keywords： planting reinforcing bar; fatigue load; bonding stress; fatigue behavior

隨著承受疲勞荷載的結構如吊車梁、橋梁等的維修、改造工程日益增多，植筋技術在這方面的應用研究愈加廣泛[1-2]。植入鋼筋的粘結滑移性能是保證植筋結構穩(wěn)定安全的關鍵因素[3-5]，部分學者對靜載作用下植筋與混凝土界面、植筋與植筋膠界面的結合性能做了一定研究，主要集中在植筋直徑、混凝土材料強度、保護層厚度、施工質(zhì)量等因素對植筋粘結強度的影響[6-7]。Wang等[8-9]對直徑36～150 mm的螺桿錨固破壞形式進行分析，給出了大直徑植筋系統(tǒng)拉拔承載力計算公式。植筋拉拔試件在高溫環(huán)境中的力學性能研究表明，溫度對植筋拉拔滑移的影響較大[10]。Mahrenholtz等[11]給出了不同錨固設計方法對植筋拉拔承載力的影響。

疲勞荷載作用下植筋構件的力學性能與靜載作用下區(qū)別很大，結構設計時需進行疲勞計算[12]，其結果是否可靠，部分取決于材料動力本構模型的建立。文獻[13]進行了植筋深度在10d～15d（d為植筋直徑）的植筋擬動力拉拔試驗，發(fā)現(xiàn)動力加載后試件延性損失較多。但承受疲勞荷載的構件植入深度一般在20d以上，相較于實際應用，植筋結構在疲勞荷載作用下的錨固機理研究略顯滯后，植筋與植筋膠、植筋膠與混凝土的動力粘結性能尚有待深入研究。

筆者對疲勞荷載作用下植筋構件的膠筋界面粘結性能進行分析，設計了10組拉拔試驗，研究受拉植筋錨固問題，獲得了疲勞荷載作用下植筋試件的荷載 滑移關系和植入鋼筋與植筋膠間的粘結力變化規(guī)律。

1 試驗概況

試驗設計2個C30強度、尺寸為1 800 mm×1 000 mm×700 mm的混凝土塊體試件。在每個混凝土試件頂面，按照《混凝土結構加固設計規(guī)范》（GB 50367—2013）[14]中植筋鉆孔和間距的要求， 植入10根不同直徑、不同植筋深度的HRB400 級鋼筋， 一個試件上的10根植筋用于靜力拉拔試驗，另一個試件上的植筋用于疲勞加載試驗。加載方式如圖1所示。

混凝土澆筑時預留3塊150 mm×150 mm×150 mm的標準立方體試塊，以測定立方體抗壓強度。表1、表2給出了試驗所用的混凝土和鋼筋的基本參數(shù)。植筋表面均勻布置5個應變片，測量植筋應變，圖2為不同錨固深度的植筋應變片布置。為保證應變片粘貼牢固，在鋼筋表面預定位置打磨出面積稍大于應變片的平面后，用丙酮清潔鋼筋表面。使用502粘貼劑將應變片貼在鋼筋表面后，用紗布蘸取環(huán)氧樹脂包裹應變片，養(yǎng)護至環(huán)氧樹脂完全硬化，防止其在植筋施工和后期加載過程中損壞。混凝土試件澆筑并養(yǎng)護28 d后，按照文獻[14]要求的鉆孔直徑，在混凝土試件頂面利用水鉆垂直鉆孔，然后，將試件傾斜，向孔內(nèi)泵送壓縮空氣進行除塵干燥處理，保證清孔徹底。植筋膠采用德國慧魚FISEM390S，孔內(nèi)灌注FISEM390S后將鋼筋緩慢旋轉植入，鋼筋完全達到預定錨固深度時，孔口有少量植筋膠溢出，確保灌漿飽滿。植入鋼筋后，養(yǎng)護24 h，利用電液伺服動力系統(tǒng)進行拉拔。在植筋接近混凝土試件上表面的位置固定夾片來測量植筋滑移（見圖3）。通過DH5922N通用型動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)以每秒50個數(shù)據(jù)的頻率采集應變、植筋滑移數(shù)據(jù)，采集設備如圖4所示。

試件編號J1～J10施加靜力拉拔荷載。編號P1～P10施加頻率為6 Hz、加載上限為0.45Pu、加載下限為0.2Pu（Pu為靜載試驗測出的極限荷載）的疲勞拉拔荷載，在循環(huán)次數(shù)達到1、10、50、100、150萬次時暫停，進行一次靜力分級加載，加載至疲勞上限再卸載，每級荷載為10 kN。經(jīng)過200萬次疲勞加載后，試件未破壞，采用靜力加載至破壞。疲勞加載使用結構抗震擬動力試驗系統(tǒng)jaw-1000/4實現(xiàn)并自動記錄荷載時程變化。各試件參數(shù)詳見表3。

2 試驗結果與分析

2.1 破壞形態(tài)

20個試件的破壞形態(tài)：J4、J7、J10、P4、P7和P10共6個試件均被拔出，其余試件鋼筋在混凝土表面附近拉斷。

J4、P4植筋被拔出后，植筋膠體較完整地附著在植筋表面，距加載端一定長度范圍內(nèi)混凝土呈錐 體破壞，剩余部分膠體表面光滑，符合錐體 粘結混

破壞特征，如圖5所示（錐體未能完整保留，試驗過程中錐體如圖6所示）。J4混凝土錐體長度為113 mm，P4混凝土錐體長度為91 mm。J7、J10、P7、P10為膠筋粘結破壞，見圖7。J7、P7靠近植筋自由端152、177 mm范圍內(nèi)的膠體破壞，J10、P10靠近植筋自由端124、139 mm范圍內(nèi)的膠體破壞。疲勞試件膠體破壞范圍大于靜力破壞試件。從圖7可看到，鋼筋橫肋間殘留膠體，豎肋兩邊鋼筋表面沒有膠體粘附，最終破壞形式為膠筋間粘結破壞。被拉斷的試件最終破壞見圖8。試件的破壞荷載見表3。

2.2 荷載 滑移關系

試驗得到不同試件的荷載 位移關系，對比了經(jīng)歷疲勞作用后靜載破壞的試件與未經(jīng)過疲勞加載的試件破壞過程的區(qū)別。圖9中疲勞試件的荷載 位移曲線為200萬次循環(huán)加載后靜力破壞時的數(shù)據(jù)。從圖9可見，經(jīng)疲勞荷載作用后，與靜載時相比，試件的極限荷載分別下降17.58%、18.98%、22.59%、20.10%、12.58%、18.56%、15.32%、5.79%、14.41%、17.39%。試件的荷載滑移圖像首次出現(xiàn)突變時即植筋出現(xiàn)初滑移，經(jīng)疲勞加載的植筋試件初滑移荷載下降13.73%、19.51%、21.11%、17.49%、20.69%、11.11%、14.63%、8.89%、7.14%、17.65%。對于拉斷破壞的試件，極限荷載取決于植入鋼筋的極限強度[11]，植筋直徑相同時，植筋深度增加，極限荷載基本不變，但經(jīng)疲勞加載后極限荷載下降5.79%～22.59%。對于植筋拔出破壞的試件，錐體粘結混合破壞和膠筋粘結破壞的極限荷載遠低于拉斷破壞的試件：靜載破壞試件，植筋拔出與植筋拉斷的極限荷載相差23.72% ～25.78%;疲勞加載后破壞的試件兩者相差24.46%～ 33.33%。

20個試件的荷載 滑移關系可分為兩組：植筋被拉斷的J1、J2、J3、J5、J6、J8、J9和P1、P2、P3、P5、P6、P8、P9的荷載 滑移曲線與普通鋼筋受拉破壞試驗的情況類似，可看成線性增長段、屈服段及下降段。植筋拔出的J4、J7、J10和P4、P7、P10試件曲線分為上升和下降兩個階段。加載開始，滑移和荷載呈線性關系，為彈性階段，植筋粘結彈性極限通常為0.75Pu;在彈性比例極限后，曲線進入非線性階段，荷載增長緩慢，滑移增長加快，植筋拉斷的試件此階段持續(xù)較長，鋼筋屈服，植筋拔出的試件此階段不明顯，植筋深度較小的試件在曲線上升后直接進入下降段;荷載到達極限后，曲線進入下降段，直至鋼筋拉斷或拔出，植筋拔出的試件下降段明顯較長，在界面破壞后，摩擦力起主要作用，維持較小荷載下試件被緩慢拔出。

J10試件植筋深度和鋼筋直徑最小，由于應變片布置較密，導致植筋表面積損失約12.4%，與已有文獻[15]中單調(diào)受拉試驗結果破壞特征一致，但極限荷載下降9.61%。J7、J4試件植筋表面積損失約7.9%和6.3%，極限荷載也有所降低。相應地，P10、P7、P4的荷載結果也應考慮約10%～5%的折減。其他試件的植筋表面積損失比例很低，可忽略這種不利影響。

hf= fyD 4τu? （10）

式中：fy為植筋的屈服強度，MPa。

則Su=0.054hf-9.580 （11）

初滑移值S0為

S0=0.202Su-0.086 （12）

殘余滑移值Sr為

Sr=1.404Su+23.337 （13）

根據(jù)上述確定的特征值，利用文獻[17]給出的方法，得到疲勞荷載作用下膠筋界面粘結滑移關系式，見式（14）。

τ= α S Su τu? ? ? ? ? ? ? ? （0

τu （0.82-0.05） S Su +0.19+0.05α? （S0

τu 0.87S+0.17Su-β Su-β? （Su

式中：Su為極限荷載Pu對應的滑移;α、β為回歸系數(shù)，與植筋直徑、植筋深度、疲勞加載幅度相關。

表5給出了幾個特征點試驗值與計算值的對比，兩者之差控制在8.26%以下，式（14）結果與試驗數(shù)據(jù)擬合較好。

3 結論

1）植筋深度為10d～25d的植筋拉拔試件在經(jīng)歷200萬次荷載幅度為0.2Pu～0.45Pu的疲勞荷載后，破壞形態(tài)不發(fā)生改變，但極限荷載和初滑移荷載明顯下降。植筋錨固長度大于10d的試件為鋼筋拉斷，其形態(tài)與普通鋼筋拉拔破壞類似，具有3階段特征。植筋深度為10d的試件拉拔至破壞圖像只有上升、下降兩階段，鋼筋遠未達到屈服。

2）疲勞拉拔試件粘結應力降低隨循環(huán)加載次數(shù)增加呈對數(shù)趨勢，破壞特征不同對粘結應力下降趨勢基本沒有影響。

3）鋼筋與植筋膠間的粘結應力沿植筋深度變化并不勻稱，粘結應力峰值隨荷載增加逐漸向植筋末端轉移，應力大小分布也逐漸均勻。增加植筋直徑和植筋深度可提高試件整體受力性能。被拔出的試件最終因膠筋界面粘結應力達到極限導致試件破壞，拉斷的試件粘結應力未達到極限值。

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（編輯 胡玲）

收稿日期：2018-11-12

基金項目：? 河北省建設科學技術研究計劃（2014-124）

作者簡介：? 閻西康（1966- ），男，教授，博士生導師，主要從事工程結構加固與維修、工程施工新技術研究，E-mail： tjsyxk@163.com。

Received： 2018-11-12

Foundation items：? Hebei Construction Department Project （No. 2014-124）

Author brief：? Yan Xikang （1966- ）， professor， doctoral supervisor， main research interests： new technology of structure reinforcement， maintenance and construction， E-mail： tjsyxk@163.com