楊守奇，楊念旭，張 哲

(1.中智汽達(dá)(洛陽(yáng))監(jiān)理有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000；2. 河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

基于梁式與拉拔試驗(yàn)方法的鋼筋與輕骨料混凝土黏結(jié)性能比較

楊守奇1，楊念旭2，張 哲2

(1.中智汽達(dá)(洛陽(yáng))監(jiān)理有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000；2. 河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

為探討拉拔試驗(yàn)和梁式試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)拉拔和梁式試驗(yàn)得到F-S、τ-S、W-S曲線進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)拉拔試驗(yàn)更適用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，梁式試驗(yàn)更適用于新型結(jié)構(gòu)測(cè)試，研究結(jié)果對(duì)試驗(yàn)方法的選型提供理論基礎(chǔ)。

拉拔試驗(yàn)；梁式試驗(yàn)；黏結(jié)-滑移；輕骨料混凝土；能量法；試驗(yàn)選型

Abstract： In order to explore the advantages and disadvantages of pull-out test and beam test, through drawing and beam test, theF-S,τ-SandW-Scurves are obtained and compared, and it is found that the drawing test is more suitable for the laboratory test, the beam test is more suitable for the new structure test, and the research results provide the theoretical basis for the selection of test methods.

Keywords：pull-out test; beam test; bond-slip; lightweight aggregate concrete; energy method; test selection

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)共同工作的基礎(chǔ)是兩者之間的黏結(jié)作用，目前對(duì)黏結(jié)作用的研究仍以試驗(yàn)研究為主，主要采用拉拔與梁式兩種試驗(yàn)方法，兩種試驗(yàn)方法的選擇仍比較模糊。杜峰等從不同黏結(jié)試驗(yàn)方法的裝置系統(tǒng)闡述了不同試驗(yàn)的區(qū)別[1]，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較；牛建剛[2]、王磊[3]等均采用了拉拔試驗(yàn)分別進(jìn)行不同基體混凝土或不同鋼筋黏結(jié)性能測(cè)試；Jamal Khalaf[4]、Kim Hung Moa[5]、Petr Pokorny'a[6]等采用拉拔試驗(yàn)針對(duì)不同影響因素對(duì)鋼筋黏結(jié)性能進(jìn)行測(cè)試；李龍龍等采用理論計(jì)算從拉拔試驗(yàn)的能量角度對(duì)其破壞進(jìn)行分析闡述[7]，為黏結(jié)本構(gòu)更好應(yīng)用到耗能分析提供理論；安明喆[8]、王晨霞[9]、Long Xu[10]等基于梁式試驗(yàn)，得到影響?zhàn)そY(jié)性能的不同因素，針對(duì)這兩種方法的應(yīng)用界定，通過(guò)不同本構(gòu)曲線的比較分析，得到明確的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)原材料分別為：頁(yè)巖陶粒和頁(yè)巖陶砂(以下分別簡(jiǎn)稱陶粒和陶砂)最大粒徑為15 mm；碎石是針葉狀石灰?guī)r，粒徑不大于15 mm，針片狀含量不大于7.8%，含泥量小于1.0%，堆積密度為1 462 kg/m3；水泥為堅(jiān)固牌P·O42.5R普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為二級(jí)粉煤灰；拉拔試件減水劑采用萘系高效減水劑，摻量為膠凝材料的0.4%～0.5%；梁式試件減水劑采用聚羧酸高效減水劑，摻量為膠凝材料的0.4%～0.5%。

表1 拉拔試件混凝土配合比及物理力學(xué)指標(biāo)

注：W/B表示水膠比；fcu28 d表示28 d立方體抗壓強(qiáng)度，MPa；fst28 d表示28 d劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；ρd表示干表觀密度，kg/m3；mc表示水泥質(zhì)量，kg；mf表示粉煤灰質(zhì)量，kg；mLC表示陶粒質(zhì)量，kg；mLF表示陶砂質(zhì)量，kg；mwr表示減水劑質(zhì)量占膠凝材料百分比，%。

表2 梁式試件全輕與石輕混凝土的配合比與強(qiáng)度值

注：mg表示碎石質(zhì)量。

表3 兩種鋼筋的強(qiáng)度值

注：σs表示鋼筋的屈服強(qiáng)度，MPa；σb表示鋼筋的極限抗拉強(qiáng)度，MPa。

分別進(jìn)行拉拔試驗(yàn)和梁式試驗(yàn)。

在采用《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11]進(jìn)行梁式試驗(yàn)時(shí)，需將梁荷載通過(guò)靜力學(xué)轉(zhuǎn)換為鋼筋軸線拉力，受力示意圖見(jiàn)圖1。

從受力機(jī)理看，可將整個(gè)梁分成兩個(gè)半梁，試驗(yàn)過(guò)程中采用加載板，其為均布荷載形式，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將加載板看成小邊界，應(yīng)用圣維南原理將荷載轉(zhuǎn)換為集中荷載進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)計(jì)算將集中荷載轉(zhuǎn)換為梁底部通長(zhǎng)鋼筋拉力。

將均布荷載轉(zhuǎn)換為集中荷載P1，進(jìn)而通過(guò)換算，將Fc轉(zhuǎn)換為P、P1的表達(dá)式。對(duì)O點(diǎn)取矩，合力矩為零(如圖1所示)，則有

圖1 半梁受力示意圖

ΣMO=Pl1-Fcl3-P1l3=0

(1)

Fc=(Pl1-P1l2)/l3

(2)

式中：ΣMO——O點(diǎn)合力矩；P——支座反力；P1——通過(guò)均布荷載轉(zhuǎn)換成的集中荷載；Fc——貫通鋼筋所受的拉力；l1——支座與O點(diǎn)的水平距離；l2——集中荷載與O點(diǎn)的水平距離；l3——鋼筋拉力與O點(diǎn)的垂直距離。

2 兩種試驗(yàn)方法的黏結(jié) — 滑移曲線

(1)F-S曲線比較

取鋼筋直徑d=16 mm、d=20 mm的全輕試件進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。

圖2 兩種試驗(yàn)方法的F - S曲線比較

由圖2可知：梁式試驗(yàn)極限荷載值比拉拔試驗(yàn)極限荷載值大1個(gè)數(shù)量級(jí)，梁式試驗(yàn)中的月牙肋鋼筋的極限黏結(jié)力比拉拔試件的光圓鋼筋極限荷載值更是大兩個(gè)數(shù)量級(jí)，表明具有橫向約束的梁式試件鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)力得到明顯提高；梁式試件的F-S曲線更為平緩，能夠比較好地反映出兩者之間的延性破壞；相對(duì)于拉拔試件，梁式試件的黏結(jié)滑移距離比較小，這取決于梁式試件具有很好的橫向約束以及較大的握裹力；拉拔試件更容易觀測(cè)到破壞全過(guò)程，從側(cè)面反映出拉拔試件更適合于工程質(zhì)量測(cè)試試驗(yàn)；拉拔試件在上升段的滑移距離占到整個(gè)曲線的滑移距離的60%以上，而梁式試件滑移曲線上升段滑移距離僅占全曲線滑移距離50%或更小?？梢酝茢喑?，當(dāng)具有更好握裹力(橫向約束)時(shí)，在達(dá)到極限黏結(jié)力時(shí)，能夠延緩鋼筋與混凝土基體之間的滑移，從而提高構(gòu)件的延性。

(2)τ-S曲線比較

由于拉拔試件屬于短錨試件，而梁式試件相對(duì)拉拔試件錨固長(zhǎng)度較大，通過(guò)式(3)得到的平均黏結(jié)應(yīng)力沒(méi)有拉拔試件精確。通過(guò)將梁式試件簡(jiǎn)化成短錨試件求解。

τ=F/πd

(3)

式中：F——拉拔力；d——鋼筋直徑。

圖3 不同工況下采用短錨計(jì)算的應(yīng)力滑移曲線對(duì)比圖

鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)作用是通過(guò)化學(xué)膠著力、機(jī)械咬合力、摩擦阻尼力等提供，是一種常見(jiàn)的剪應(yīng)力。但是目前無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)直接測(cè)得鋼筋混凝土界面應(yīng)力，僅通過(guò)測(cè)量鋼筋應(yīng)變計(jì)算得到測(cè)點(diǎn)處的界面應(yīng)力。

不同工況下采用短錨計(jì)算的應(yīng)力滑移曲線對(duì)比圖如圖3所示，由圖3可知：兩種不同工況下試件的τ-S曲線趨勢(shì)基本一致，均有明顯的上升和下降段，拉拔試件曲線上升段較為陡峭，梁式試驗(yàn)平臺(tái)期所占整條曲線比例較大，下降段較緩，主要是因?yàn)槔卧囼?yàn)為未配箍試件，隨著拉拔力的增大，鋼筋表面黏結(jié)應(yīng)力迅速增大，化學(xué)膠著力瞬間失效，鋼筋與混凝土隨即產(chǎn)生相對(duì)滑移，而梁式試件為配箍試件，且其黏結(jié)長(zhǎng)度較大，有較大的截面尺寸，在初期化學(xué)膠著力持續(xù)效應(yīng)較拉拔試件長(zhǎng)，且由于握裹力的增大，使得拉拔力增大引起較小幅度的滑移；拉拔試件τ-S曲線平臺(tái)期幾乎為零，主要由于不配箍試件鋼筋與混凝土界面的混凝土在黏結(jié)應(yīng)力急速增長(zhǎng)期迅速受壓破碎；對(duì)于梁式試件，較大的握裹力與黏結(jié)長(zhǎng)度，使界面混凝土不易發(fā)生破裂，鋼筋肋對(duì)于混凝土的擠壓有一個(gè)緩慢的過(guò)程，直到肋間混凝土完全破壞而出現(xiàn)下降段。但兩者的平均黏結(jié)應(yīng)力相差達(dá)到一個(gè)數(shù)量級(jí)，梁式試件中鋼筋與混凝土之間更好的提供了黏結(jié)作用，梁式試驗(yàn)與工程實(shí)際的近似性使得其更適用于新型結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。

(3)W-S曲線比較

拔出破壞過(guò)程中的聲發(fā)射能量特征與受力過(guò)程為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，只要通過(guò)試驗(yàn)得到F-S曲線，就可以通過(guò)式(4)變換導(dǎo)出W-S曲線。

W=FS

(4)

由于梁式試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，經(jīng)計(jì)算求得的能量曲線相對(duì)拉拔試驗(yàn)較為粗糙，但仍能反映破壞時(shí)能量釋放的大致情況，通過(guò)與拉拔試件能量曲線對(duì)比，能很好地得出二者之間的異同。這里通過(guò)d=16 mm時(shí)的能量曲線進(jìn)行比較分析，如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 部分拉拔試件W-S曲線

圖5 梁式試件右半梁能量曲線

通過(guò)圖5可以發(fā)現(xiàn)，梁式試件的能量曲線相對(duì)于圖4的拉拔試件的能量曲線較為平緩，且比較平滑。這是由于拉拔試件不受橫向約束，混凝土內(nèi)部的離散性決定了其能量曲線的不均勻性；而梁式試件采用了箍筋，且橫截面較大，受力方式的不同減小了混凝土基體內(nèi)部不均勻因素的影響，破壞時(shí)能量釋放比較緩慢均勻從而也使得能量曲線更加均勻。

圖6 d=16 mm, 兩種試驗(yàn)方法能量比較分析

由圖6可知，拉拔試件消耗能量值僅為梁式試件破壞能量消耗值的1/5左右，且拉拔試件能量消耗增長(zhǎng)比較集中，梁式試件能量消耗增長(zhǎng)比較均勻地分布于整個(gè)滑移長(zhǎng)度上，說(shuō)明拉拔試件有一個(gè)突然釋放能量的過(guò)程，梁式試件破壞釋放能量相對(duì)較為緩慢。

3 優(yōu)缺點(diǎn)比較

拉拔試驗(yàn)采用的試件較小，試驗(yàn)比較簡(jiǎn)單，試驗(yàn)費(fèi)用較低，相當(dāng)部分科研人員采用了拉拔試驗(yàn)進(jìn)行黏結(jié)性能的研究。而梁式試驗(yàn)試件較大，試驗(yàn)過(guò)程煩瑣，費(fèi)用高，目前采用這種方法相對(duì)較少。但對(duì)于這兩種試驗(yàn)方法，拉拔試件為短錨試件，與實(shí)際構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)處相似；而梁式試件與工程實(shí)際中的梁相近，更接近實(shí)際工程；梁式試驗(yàn)試驗(yàn)荷載遠(yuǎn)比拉拔試件大，梁式試驗(yàn)的受力更接近工程實(shí)際，拉拔試驗(yàn)更適合試驗(yàn)室抽樣檢驗(yàn)。

4 結(jié)論

針對(duì)黏結(jié)性能的研究，拉拔試驗(yàn)較簡(jiǎn)單且費(fèi)用低，應(yīng)用較為廣泛，而梁式試驗(yàn)較為復(fù)雜且費(fèi)用較高，研究人員采用較少。通過(guò)兩種試驗(yàn)方法的比較，得到如下結(jié)論：

(1) 拉拔試驗(yàn)更適合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試使用，梁式試驗(yàn)更適合新型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)；

(2) 采用進(jìn)行橫向約束的梁式試件比拉拔試件在達(dá)到極限荷載時(shí)發(fā)生的滑移長(zhǎng)度小，梁式試驗(yàn)過(guò)程中，試件具有更好的延性，采用拉拔破壞更容易觀察到破壞全過(guò)程；

(3) 兩種試驗(yàn)方法黏結(jié)破壞能量釋放增長(zhǎng)曲線基本一致，梁式構(gòu)件能量變化比拉拔試件均勻，拉拔試件滑移耗能僅為梁式試驗(yàn)的1/5左右。

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ComparisonofbondingbetweenreinforcementandLWACbasedonbeamandpull-outtext

YANG Shou-qi1, YANG Nian-xu2, ZHANG Zhe2

(1.LuoYangZhidaConstructionSupervisionCo.Ltd.,Luoyang471000,China; 2.SchoolofCivilEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China)

2017-06-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41172317)

楊守奇(1979—)，男，河南滑縣人，工程師。

1674-7046(2017)04-0048-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.04.009

TU375.1

A