楊海峰 楊焱茜 王玉梅 張?zhí)鞂? 黃瑩

摘 要：為研究高溫后不同冷卻方式下混凝土鋼筋的粘結滑移性能，對39個高溫后混凝土試件進行中心拉拔試驗，并完成自然冷卻方式下試件的劈裂抗拉強度試驗，分析溫度和冷卻方式對試件峰值粘結應力和峰值滑移的影響，建立了不同冷卻方式下峰值粘結應力、峰值滑移與溫度的關系式，提出考慮初始溫度損傷的粘結滑移全曲線方程，并基于粘結強度理論模型計算了自然冷卻方式下的粘結強度理論值。結果表明：隨著溫度的升高，峰值粘結應力線性下降，500 ℃時粘結強度損失達80.5%，峰值滑移隨溫度升高呈先減小后增大的趨勢，不同冷卻方式對峰值粘結應力和峰值滑移的影響不明顯;考慮損傷的理論粘結滑移全曲線與試驗曲線擬合度較好;采用理論模型計算的粘結強度與試驗值較吻合。

關鍵詞：高溫;冷卻方式;鋼筋混凝土;粘結滑移;粘結強度

Abstract： In order to study the concrete-rebar bond-slip performance under different cooling ways after high temperature， a central pull-out test had been carried out on 39 reinforced concrete specimens after high temperature， and the splitting tensile strength test of the specimens under natural cooling had been completed. The effect of high temperature and different cooling ways on peak bond stress and peak slip of the specimens are discussed in this paper. The calculation equations between peak bond stress， peak slip and temperature have been established， and the full curve equation of bond-slip considering initial temperature damage has been proposed. Based on the theoretical model of bond strength， the theoretical value of bond strength under natural cooling has been calculated. The results show that as the temperature increases， the peak bond stress decreases linearly. At 500 ℃， the bond strength loss reached 80.5%， and the peak slip showed a trend of first decreasing and then increasing with growth of temperature. The effect of different cooling ways on peak bond stress and peak slip is not obvious. The theoretical bond-slip full curves considering damage has a good fit with the test curves; The bond strength calculated by the theoretical model is in good agreement with the test value.

Keywords：high temperature; cooling ways; reinforced concrete; bond-slip; bond strength

隨著中國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，城市高層建筑密度大、易發(fā)生重大火災。鋼筋混凝土結構在火災后會出現(xiàn)不同程度的損傷，從而導致建筑物倒塌，造成經(jīng)濟損失，給社會安全帶來巨大威脅。粘結是鋼筋混凝土間一種復雜的相互作用，足夠的粘結強度是鋼筋混凝土發(fā)揮良好工作性能的基礎，因此，研究鋼筋混凝土在火災后的粘結性能退化十分必要。已有許多學者研究溫度對混凝土力學性能[1]和鋼筋混凝土粘結性能的影響，Bi等[2]和Karolina等[3]研究發(fā)現(xiàn)，溫度越高，混凝土的抗壓強度越低;楊婷等[4]研究發(fā)現(xiàn)，混雜纖維超高性能混凝土在1 000 ℃后保持67%的殘余強度;周子健等[5]和Ergün等[6]通過中心拉拔試驗發(fā)現(xiàn)，高溫后鋼筋與混凝土的粘結強度隨著溫度升高呈下降趨勢;楊鷗等[7]則發(fā)現(xiàn)粘結強度在200 ℃時稍有回升，大于200 ℃后急劇下降?；馂陌l(fā)生后，根據(jù)受災程度不同存在消防射水或消防安全系統(tǒng)自動噴水等不同的冷卻方式，目前學者們集中研究冷卻方式對混凝土力學性能的影響，賈福萍等[8]、曲海坤等[9]研究發(fā)現(xiàn)，250 ℃高溫后混凝土自然冷卻的強度比噴水冷卻的強度大，但當溫度升到450 ℃后則相反。考慮到不同冷卻方式可能對鋼筋混凝土粘結性能存在一定影響，筆者通過中心拉拔試驗，研究不同冷卻方式對高溫后鋼筋混凝土粘結滑移性能的影響，為不同冷卻方式下高溫試件的深入研究提供參考。

1 試驗概況

1.1 原材料與配合比

粗骨料購于南寧市武鳴區(qū)某石場，其基本物理性能如表1所示;細骨料購于南寧市云橋建材市場，骨料粒徑為0.16～4.75 mm，細度模數(shù)為2.98，粗細骨料均為連續(xù)級配;水泥為海螺牌P.O.42.5普通硅酸鹽水泥;拌合水來自實驗室自來水;鋼筋為精軋螺紋鋼筋PSB575，直徑20 mm。根據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》（JGJ 55—2011）中的相關規(guī)定，試驗配合比及常溫下實測混凝土的立方體抗壓強度fcu、劈裂抗拉強度ft見表2，表中W為拌合水，C為水泥，S為天然河沙，NA為天然粗骨料。

1.2 試件設計與試驗方法

試驗考慮不同溫度（20、200、300、400、500 ℃）、冷卻方式（自然冷卻（ZL）、噴水冷卻10 min（PL1）、噴水冷卻30 min（PL2）），設計13組立方體抗壓試件、13組中心拉拔試件（試件尺寸如圖1所示）和5組劈裂抗拉試件（自然冷卻方式），每組3個，共93個試件。鋼筋粘結段為100 mm，非錨固區(qū)利用PVC管控制。高溫試驗采用RX3-45-9工業(yè)電阻爐進行，將不同組別的試件分別升溫至恒定溫度，升溫曲線如圖2所示，達到目標溫度后，恒溫6 h，使試件內(nèi)外溫度保持一致[10]。6 h后切斷電阻爐電源，打開爐門，將需要噴水冷卻的試塊取出，其余試塊留在爐內(nèi)，自然冷卻至20 ℃再取出。噴水冷卻采用消防滅火噴頭在5 m范圍內(nèi)對試件進行噴水處理，通過水表控制噴槍的出水量在15 L/s左右，考慮不充分冷卻10 min和充分冷卻30 min[11]，噴水處理完成后，將試件放置于實驗室環(huán)境晾干至20 ℃。

試驗加載采用電液伺服巖石多功能試驗機（TJW-1000），位移控制加載速度為0.2 mm/min，試驗機自動采集加載端的荷載和位移，自由端位移由前后兩個對稱放置的位移計連接DH3821靜態(tài)采集儀系統(tǒng)采集，加載設備及裝置如圖3所示。

2 試驗結果及特征值分析

2.1 試驗結果

在試驗溫度工況下，高溫前后拉拔試件最終破壞形式均發(fā)生劈裂破壞，高溫變化未引起試件破壞形態(tài)的明顯差異。高溫前，由于試件沒有箍筋約束，拉拔過程中鋼筋肋對肋前混凝土產(chǎn)生徑向擠壓，試件被劈裂成2～3塊，發(fā)生劈裂破壞;高溫后，試件仍出現(xiàn)劈裂破壞，但隨著溫度的增加，裂縫寬度逐漸減小，當溫度達到500 ℃時，試件表面僅出現(xiàn)微小裂縫，不同溫度下試件的破壞形態(tài)如圖4所示。圖5為高溫后不同冷卻方式下混凝土立方體抗壓強度試驗結果，從圖中可以看出，隨著溫度的升高，混凝土立方體抗壓強度逐漸降低，不同冷卻方式對立方體抗壓強度的影響不明顯。

不同冷卻方式下試件的粘結滑移曲線如圖6所示。假設鋼筋與混凝土間的粘結強度沿著錨固長度均勻分布，平均粘結應力由公式τ=pπdl求得[12]。式中：τ為平均粘結力，MPa;p為荷載，kN;d為鋼筋直徑，mm;l為錨固長度，mm。試件命名規(guī)則：（A/B/C）溫度序號，其中，A為自然冷卻方式系列;B為噴水冷卻10 min;C為噴水冷卻30 min。以試件A200-1為例，表示經(jīng)歷200 ℃高溫后自然冷卻的1號試塊。從圖6可知，不同冷卻方式試件的粘結滑移曲線與常溫下的十分相似，3種冷卻方式下的粘結滑移曲線均表現(xiàn)出同一特征：峰值粘結應力隨溫度升高而降低，溫度越高，粘結滑移曲線下降得越平緩，這是因為高溫作用使試件產(chǎn)生初始損傷，降低了試件的峰值粘結應力。

2.2 峰值粘結應力與峰值滑移分析

不同冷卻方式下溫度與峰值粘結應力的關系，如圖7所示。由圖7可知，同一溫度下，不同冷卻方式的峰值粘結應力值都很接近，說明不同冷卻方式對試件的峰值粘結應力影響不大。隨著溫度的升高，不同冷卻方式試件的峰值粘結應力均呈現(xiàn)明顯線性降低的趨勢，由圖5可知，隨著溫度的升高，混凝土立方體抗壓強度逐漸降低，且下降趨勢大致隨溫度的升高而加劇，而粘結強度隨著抗壓強度的減小而減小，因此，峰值粘結應力隨著溫度的升高呈明顯降低的趨勢，可知高溫作用對試件的粘結性能劣化影響顯著。以上分析表明，試件的峰值粘結應力與溫度關系密切，采用式（1）來描述高溫后的峰值粘結應力，其中R2=0.979。

不同冷卻方式下溫度與峰值滑移的關系如圖8所示。從圖8可以看出，不同冷卻方式對峰值滑移的影響規(guī)律不明顯，隨著溫度的升高，試件的峰值滑移大致呈先減小后增大的趨勢，在200 ℃時，3種冷卻方式的峰值滑移都達到最小值，總體呈拋物線關系。建議采用式（2）來描述經(jīng)歷高溫后試件的峰值滑移，其中R2=0.901 84。

3 高溫后損傷本構關系

3.1 粘結滑移損傷本構方程

鋼筋與混凝土之間的粘結性能通過粘結滑移曲線表達，采用圖9曲線上某點的割線模量來表征試件的粘結損傷程度，曲線上任一點的割線模量都可以用損傷變量β=τ/s來描述。假設常溫下界面沒有損傷時粘結性能參數(shù)為β0，高溫后界面出現(xiàn)損傷，粘結性能參數(shù)為βT，則高溫作用后損傷變量DT定義為DT=（β0-βT）/β0βT=（1-DT）β0。

由Lemaiter應變等價性假說[13-14]可知：應力作用在損傷材料上產(chǎn)生的應變與有效應力作用在無損材料上引起的應變等價。因此，高溫后混凝土的損傷全曲線關系可用式（3）表示。

高溫后混凝土試件在中心拉拔的加載過程中產(chǎn)生二次損傷，其損傷全曲線關系為：ττ=（1-Dτ）·βTs，式中：Dτ為中心拉拔作用引起的損傷變量。則高溫后混凝土在中心拉拔作用下的損傷全曲線關系為：ττ=（1-D）β0s，式中：D為混凝土高溫后受中心拉拔作用的總損傷變量，D=DT+Dτ-DTDτ。

分段構建損傷模型，受力狀態(tài)峰值粘結應力前采用Weibull統(tǒng)計分布，峰值后則在過鎮(zhèn)海等[15-16]損傷模型的基礎上引入曲線形狀控制參數(shù)a和b來描述峰后曲線的收斂段?？倱p傷變量D表達式如（4）所示。式中，兩個材料強度參數(shù)計算式為m=1/ln（βTsu/ττ），ρ=ττ/（βTsu）;a和b可通過擬合得到。高溫后混凝土在中心拉拔作用下的粘結滑移損傷全曲線模型如式（5）所示。

利用式（5）對實測曲線進行擬合，不同冷卻方式任取一個溫度得到如圖10所示粘結滑移全曲線，從圖10可以看出，計算結果與實測結果的吻合程度較高，擬合度較好，相關參數(shù)見表3。

3.2 界面D-s損傷曲線分析

根據(jù)式（3）得到中心拉拔試件的損傷滑移曲線（D-s曲線），如圖11所示。可以看出，試件的損傷發(fā)展過程大致可以分為3個階段：初始損傷階段、損傷快速發(fā)展階段、損傷緩慢積累階段。粘結破壞過程中任意時刻界面損傷發(fā)展速度可由曲線上相應點的斜率來反映，斜率越大，損傷發(fā)展速度越大。

由圖11可以看出，隨著高溫溫度增加，初始損傷逐漸增大，在300 ℃前，3種冷卻方式間的差異較大，可能是由于高溫后混凝土經(jīng)噴水冷卻，溫差加劇了混凝土的劣化，進而增大了損傷，而400、500 ℃時，混凝土基本喪失變形能力，3種冷卻方式下的損傷差異較小，且溫度越高，拉拔過程中前期損傷發(fā)展更緩慢。

4 粘結強度理論計算

根據(jù)試驗結果，不同冷卻方式對粘結強度影響較小，因此，選取自然冷卻方式下的試驗結果進行高溫后混凝土與鋼筋間的粘結強度理論計算。在Van Der Veen的厚壁筒理論[17-18]基礎上，增加考慮高溫影響的開裂內(nèi)層混凝土軟化效應，采用式（6）來計算粘結強度理論值，與試驗數(shù)據(jù)進行比較，比較結果見表4。模型如圖12所示。

5 結論

通過混凝土鋼筋的中心拉拔試驗，研究了高溫后不同冷卻方式下混凝土鋼筋的粘結滑移性能。主要結論有：

1）隨著高溫溫度的增加，峰值粘結應力線性下降，峰值滑移呈先下降后大幅上升的趨勢，而不同冷卻方式對峰值粘結應力、峰值滑移的影響不明顯。

2）對高溫后試件進行界面損傷分析，結合損傷本構曲線，建立了高溫后的粘結滑移損傷本構關系，擬合效果較好。

3）對試件的整體損傷演化過程分析發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，初始損傷變量呈增大的趨勢，而損傷的發(fā)展速度隨著溫度的增大而減緩。

4）在Veen理論模型基礎上，增加考慮高溫對開裂內(nèi)層混凝土軟化效應影響，計算了高溫后混凝土鋼筋粘結強度，理論計算值與試驗結果吻合較好，能較好地預測高溫后混凝土鋼筋粘結強度。

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（編輯 王秀玲）