劉磊，楊旋

（1重慶市綦江區(qū)建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站，重慶 401420；2重慶市建設(shè)崗位培訓(xùn)中心，重慶 400015）

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)受到風(fēng)荷載、地震荷載、沖擊或爆炸荷載等動(dòng)態(tài)荷載的作用，開(kāi)展動(dòng)態(tài)粘結(jié)性能研究對(duì)控制構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的承載能力、變形能力以及結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)具有重大意義。

1 試驗(yàn)研究方法

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，外力主要依靠阻止兩者相互滑移的粘結(jié)力進(jìn)行有效傳遞?？紤]到滑移面具有復(fù)雜的幾何條件和力平衡條件，因此常將試驗(yàn)分析作為主要的研究方法。其中，常用試驗(yàn)裝置有MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、落錘試驗(yàn)機(jī)和分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)機(jī)三種，如圖1所示；基本試件類(lèi)型有軸拉試件、拔出試件和梁式試件；主要測(cè)量手段為加載裝置測(cè)量外荷載和滑移、開(kāi)槽貼應(yīng)變片測(cè)量主筋應(yīng)變、彩色樹(shù)脂或墨水監(jiān)測(cè)裂縫發(fā)展。

圖1 動(dòng)態(tài)粘結(jié)性能研究基本試驗(yàn)裝置

2 鋼筋混凝土動(dòng)態(tài)粘結(jié)性能?chē)?guó)外研究成果

國(guó)外學(xué)者對(duì)鋼筋混凝土動(dòng)態(tài)粘結(jié)性能的試驗(yàn)和理論研究取得了大量成果。1962年，Hansen和Liepins[1]在避免混凝土劈裂破壞的情況下，探究了變形鋼筋在靜態(tài)和沖擊拉拔荷載下的粘結(jié)性能。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，動(dòng)荷載作用下的粘結(jié)強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度和鋼筋直徑有關(guān)，動(dòng)態(tài)加載的鋼筋要比靜態(tài)加載的鋼筋承載能力大，并認(rèn)為該承載能力的增加完全是由動(dòng)荷載作用下鋼筋強(qiáng)度的增加所致。

1976年，Hjorth[2]進(jìn)行了沖擊荷載下的拉拔試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加載速率對(duì)光圓鋼筋的影響很小，對(duì)變形鋼筋的影響顯著。變形鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度隨著加載速率的提高而增大，滑移量隨著加載速率的提高而降低。Hjorth還通過(guò)布置的應(yīng)變片測(cè)量了鋼筋的應(yīng)力分布和增長(zhǎng)規(guī)律，但并未發(fā)現(xiàn)粘結(jié)應(yīng)力分布的不同。

雖然Hansen和Hjorth得到了加載速率對(duì)變形鋼筋動(dòng)態(tài)粘結(jié)性能的影響規(guī)律，但并未提出加載速率對(duì)粘結(jié)性能的影響機(jī)理，也沒(méi)有定量地分析粘結(jié)強(qiáng)度提高的程度，使之無(wú)法直接應(yīng)用到理論分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中。

考慮到粘結(jié)性能與混凝土強(qiáng)度和裂縫開(kāi)展速率有很大關(guān)系，1985年，Mindess[3-4]從混凝土變形特性的角度解釋了加載速率對(duì)粘結(jié)力的影響，認(rèn)為粘結(jié)強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度類(lèi)似于裂縫開(kāi)展，對(duì)應(yīng)變速率變化敏感。Cheng Y[5]將主筋開(kāi)槽布置應(yīng)變片以測(cè)量鋼筋的應(yīng)變變化規(guī)律，布置螺旋箍筋以防止劈裂破壞。通過(guò)大量的落錘試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，粘結(jié)強(qiáng)度隨加載速率的提高增強(qiáng)了30%～50%，粘結(jié)應(yīng)力的分布也趨于不均勻。

Vos[6]通過(guò)采用分離式霍普金森壓桿技術(shù)進(jìn)行了大量的中心拉拔試驗(yàn)和中心壓入試驗(yàn)，探究加載速率、混凝土強(qiáng)度和鋼筋類(lèi)型對(duì)粘結(jié)性能的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)提高加載速率能夠增強(qiáng)變形鋼筋與混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度和粘結(jié)剛度，但提高的幅度隨混凝土強(qiáng)度的提高而降低。Vos還采用了表示加載速率與混凝土強(qiáng)度關(guān)系的Mihashi模型以描述加載速率對(duì)粘結(jié)性能的影響，該模型基于斷裂力學(xué)建立，如式1和圖2所示。

圖2 Vos試驗(yàn)中加載速率與粘結(jié)應(yīng)力關(guān)系

式中：t為動(dòng)荷載作用下達(dá)到某特定滑移量時(shí)的平均粘結(jié)應(yīng)力；t0為靜荷載作用下達(dá)到某特定滑移量時(shí)的平均粘結(jié)應(yīng)力；ν和ν0為相應(yīng)的加載速率，采用粘結(jié)應(yīng)力變化率度量；h為表示材料和環(huán)境特性的參數(shù)，用混凝土強(qiáng)度和鋼筋滑移量的函數(shù)表示。

隨后，Hawkins[7]在1987年進(jìn)行了反復(fù)加載狀態(tài)下的粘結(jié)試驗(yàn)，提出在反復(fù)荷載作用下鋼筋與混凝土間局部粘結(jié)應(yīng)力-滑移關(guān)系曲線，并應(yīng)用于框架邊節(jié)點(diǎn)的受力性能分析。2003年，John[8]采用圓柱體拉拔試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)試件的極限承載能力隨加載速率的提高而增大，其增幅還與混凝土保護(hù)層厚度、主筋直徑和橫肋形狀有關(guān)。

2010年George采用分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)分別得到了靜載和動(dòng)載作用下試件的荷載-滑移關(guān)系全曲線，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：得益于鋼筋和混凝土材料的動(dòng)力特性，混凝土強(qiáng)度越低，加載速率對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的提高幅度越大。

2012年Dongming Yan通過(guò)位移控制加載的拉拔試驗(yàn)得到了試件在不同加載速率下的粘結(jié)-滑移曲線和峰值荷載-位移對(duì)數(shù)關(guān)系曲線。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加載速率對(duì)粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線的彈性上升段和整體形狀的影響都很小。隨加載速率的提高，峰值荷載增大，達(dá)到峰值荷載所需的滑移量減小，耗能性能也提高。同時(shí)峰值荷載與對(duì)應(yīng)滑移量的對(duì)數(shù)大致呈線性關(guān)系，通過(guò)回歸擬合提出了表達(dá)該關(guān)系的表達(dá)式，見(jiàn)式2。

式中：f為達(dá)到峰值荷載時(shí)主筋橫截面上的應(yīng)力；ε為應(yīng)變。

3 鋼筋混凝土動(dòng)態(tài)粘結(jié)性能?chē)?guó)內(nèi)研究成果

在國(guó)外學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)鋼筋混凝土動(dòng)態(tài)粘結(jié)性能也開(kāi)展了一系列研究工作，并取得了一定的研究成果。1994年付恒菁[9]通過(guò)154個(gè)試件的拉壓反復(fù)加載試驗(yàn)，研究了錨固鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度和粘結(jié)剛度在反復(fù)荷載作用下逐漸減小的速率及影響因素。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：加載的應(yīng)力水平及循環(huán)次數(shù)與粘結(jié)強(qiáng)度和粘結(jié)剛度的退化情況有很大影響。為避免重復(fù)荷載下粘結(jié)性能的退化降低結(jié)構(gòu)的安全性，應(yīng)當(dāng)采取有效的機(jī)械錨固措施或增加鋼筋的設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度保證結(jié)構(gòu)的安全使用。

2001年，洪小健[10]采用荷載控制加載，通過(guò)半梁式試件探究了加載速率對(duì)銹蝕鋼筋粘結(jié)性能的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：粘結(jié)強(qiáng)度隨加載速率的提高而提高，但構(gòu)件表面的裂縫隨加載速率的提高而趨于細(xì)窄，并認(rèn)為該現(xiàn)象是由高加載速率下的應(yīng)變發(fā)展滯后效應(yīng)、混凝土強(qiáng)度的提高和裂縫開(kāi)展速率的降低共同導(dǎo)致。此外，還提出了考慮鋼筋銹蝕量和加載速率的極限粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式，如式3。

式中：為靜載作用下粘結(jié)應(yīng)力變化率，為銹蝕鋼筋極限粘結(jié)強(qiáng)度；c為主筋的銹蝕率。

2006年，河海大學(xué)鄭曉燕[11]通過(guò)不同頻率的三角波加載，考慮主筋銹蝕程度和錨固長(zhǎng)度的影響，初步探究了銹蝕鋼筋的動(dòng)態(tài)粘結(jié)機(jī)理，得到了粘結(jié)強(qiáng)度和粘結(jié)剛度均隨加載速率提高的規(guī)律。2014年，同濟(jì)大學(xué)的張偉平[12]通過(guò)37個(gè)短錨固試件的偏心拉拔試驗(yàn)探究了橫向約束和錨固長(zhǎng)度對(duì)動(dòng)態(tài)粘結(jié)性能的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加載速率和保護(hù)層厚度可影響試件的破壞模式，箍筋的存在能夠限制徑向裂縫的發(fā)展，提高主筋的粘結(jié)強(qiáng)度，降低峰值荷載對(duì)應(yīng)的滑移量。2016年浙江大學(xué)李欣欣[13]通過(guò)對(duì)180個(gè)不同混凝土強(qiáng)度和鋼筋直徑的試件開(kāi)展拉拔試驗(yàn)，研究了加載速率、側(cè)壓力大小和方向、鋼筋直徑和混凝土強(qiáng)度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響。在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，定量評(píng)價(jià)了各種因素對(duì)粘結(jié)極限強(qiáng)度、殘余粘結(jié)強(qiáng)度和峰值粘結(jié)應(yīng)力對(duì)應(yīng)滑移量的影響。最后，提出了考慮加載速率、側(cè)壓力、混凝土強(qiáng)度和鋼筋直徑等因素的變形鋼筋粘結(jié)應(yīng)力-滑移關(guān)系，并對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，如式4。

式中：tu為極限粘結(jié)強(qiáng)度，kr為殘余粘結(jié)強(qiáng)度與極限粘結(jié)強(qiáng)度的比值，b為與粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線下降段有關(guān)的參數(shù)，s為鋼筋的平均滑移量，s0為峰值粘結(jié)應(yīng)力對(duì)應(yīng)的滑移量。

加載速率對(duì)變形鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度的影響必須從引起粘結(jié)力的剪切機(jī)理來(lái)解釋?zhuān)簩?duì)于變形鋼筋，試件破壞是鋼筋變形對(duì)混凝土的局部壓碎造成的，混凝土的強(qiáng)度和剛度是重要影響因素；循環(huán)荷載作用下，粘結(jié)力的損失是由混凝土的非彈性變形、開(kāi)裂等引起應(yīng)力傳遞機(jī)制的退化所致；動(dòng)荷載作用下的應(yīng)變分布比靜荷載引起的應(yīng)變分布復(fù)雜得多，粘結(jié)強(qiáng)度提高系數(shù)隨著應(yīng)變率的提高大致呈線性增加。因此，高加載速率對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響機(jī)理主要來(lái)自?xún)煞矫妫阂皇卿摻钕鄬?duì)于混凝土的快速滑移，阻礙了混凝土中徑向裂縫的開(kāi)展，降低了裂縫開(kāi)展速率；二是高加載速率產(chǎn)生的高應(yīng)變率不止增強(qiáng)了混凝土的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，還提高了主筋屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度。

4 結(jié)論與建議

本文詳細(xì)介紹了鋼筋混凝土動(dòng)態(tài)粘結(jié)性能試驗(yàn)研究的發(fā)展歷程，總結(jié)和討論了動(dòng)態(tài)粘結(jié)性能的研究成果，主要得到以下結(jié)論：

（1）動(dòng)態(tài)粘結(jié)試驗(yàn)裝置主要有MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、落錘試驗(yàn)機(jī)和分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)機(jī)三種，目前主要利用滲透機(jī)理探究裂縫的開(kāi)展，通過(guò)測(cè)量鋼筋的應(yīng)變理解粘結(jié)應(yīng)力的發(fā)展；

（2）剪切機(jī)制是變形鋼筋發(fā)展粘結(jié)力的主要機(jī)制，高加載速率對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的提高主要?dú)w因于鋼筋和混凝土材料的應(yīng)變率敏感性。

根據(jù)動(dòng)態(tài)粘結(jié)性能研究現(xiàn)狀中存在的一些基本問(wèn)題和不足，對(duì)粘結(jié)性能研究的進(jìn)一步發(fā)展提出以下建議：

（1）運(yùn)用能量守恒定理、斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)等力學(xué)知識(shí)開(kāi)展數(shù)值理論分析和有限元分析，從理論上探究鋼筋混凝土的粘結(jié)機(jī)理；

（2）探究主筋屈服后階段的粘結(jié)性能和動(dòng)態(tài)粘結(jié)機(jī)理，全面考慮粘結(jié)性能與混凝土強(qiáng)度、錨固長(zhǎng)度、主筋直徑和加載速率等因素的關(guān)系，提出考慮加載速率的動(dòng)態(tài)粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系統(tǒng)一模型。