王毅紅, 張俊旗, 田橋羅, 馬曉斌, 姚圣法, 劉 喜

(1 長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安 710055；2 西安市浐灞生態(tài)區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，西安 710024；3 江蘇天舜金屬材料集團有限公司，揚中 212200)

0 引言

鋼筋與混凝土共同工作的基礎(chǔ)之一是二者之間的粘結(jié)作用,我國現(xiàn)行規(guī)范中用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的鋼筋最高強度為500MPa,630MPa鋼筋用于混凝土構(gòu)件,需要研究其粘結(jié)錨固性能。目前研究鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的試驗方法主要有兩種,即梁式試驗和中心拉拔試驗[1-3],對于高強鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固性能及試驗方法已有一些研究。杜峰等[4]從不同的粘結(jié)試驗系統(tǒng)闡述了不同試驗方法的區(qū)別。王晨霞等[5]、Long Xu等[6]基于梁式試驗,得到影響粘結(jié)性能的不同因素。薛偉辰[7]通過梁式試驗和中心拉拔試驗對GFRP筋與混凝土的粘結(jié)性能進行了研究。閆偉等[8]研究了鋼筋-地聚物混凝土粘結(jié)性能,并將梁式試驗結(jié)果與中心拉拔試驗結(jié)果進行了對比。孫明德等[9]研究了HRB500鋼筋粘結(jié)長度、保護層厚度、高強鋼筋屈服強度、鋼筋直徑、箍筋等因素對粘結(jié)性能的影響規(guī)律。謝劍等[10]通過HRB500鋼筋與高強混凝土(C80)粘結(jié)錨固試件的拉拔試驗,分析了高強鋼筋與高強混凝土粘結(jié)錨固性能和影響粘結(jié)強度的主要因素。目前,高強和高性能材料越來越多地被應(yīng)用于實際工程結(jié)構(gòu)中,但500MPa級以上的高強鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能研究還較少[11],因此研究高強鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能,是具有理論和工程應(yīng)用價值的。

在實際工程中,鋼筋混凝土構(gòu)件使用高強鋼筋低碳節(jié)能、優(yōu)勢明顯。本次試驗用630MPa級高強鋼筋,采用拉拔試驗方法和梁式試驗方法分別制作了15根試件進行試驗測試,得到不同試驗方法下各類試件的平均粘結(jié)強度和粘結(jié)-滑移曲線,對比研究不同試驗方法下高強鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固性能和粘結(jié)-滑移曲線。分析不同試驗方法對于630MPa級高強鋼筋粘結(jié)錨固性能的影響程度。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

試驗使用江蘇天舜金屬材料集團有限公司生產(chǎn)的630MPa級高強鋼筋,直徑為16、22、25mm。按《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》(GB/T 228.1—2010)[12]對630MPa級高強鋼筋(簡稱T63鋼筋)進行拉伸試驗,T63鋼筋材性結(jié)果見表1,T63鋼筋力學(xué)性能滿足規(guī)范《鋼筋混凝土用鋼 第2部分:熱軋帶肋鋼筋》(GB/T 1499.2—2007)[13]。

表1 T63鋼筋力學(xué)性能試驗結(jié)果

試驗使用28d強度達到31MPa的混凝土,水泥使用32.5級普通硅酸鹽水泥,分兩批制作拉拔試件和梁式試件,在標準條件下養(yǎng)護28d。根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)[14]規(guī)定,分別在齡期7、14、28d時測試混凝土試塊強度,測量結(jié)果見表2。

表2 混凝土立方體抗壓強度試驗結(jié)果

1.2 拉拔試件分組及加載裝置

本次試驗試件形式參考《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》(GB 50152—2012)[15]。試件尺寸及加載裝置如圖1所示。試件編號及相關(guān)參數(shù)見表3。

圖1 拉拔試件及加載裝置圖

表3 試件分組信息

拉拔試驗采用YDL-1000型電液伺服萬能試驗機,加載最大量程為1 000kN。加載規(guī)則參考相關(guān)規(guī)范[15],先采用力控制加載,速率為6kN/min,加載至最大荷載的60%左右,然后采用位移加載方式,加載速率為0.2mm/min,直至加載結(jié)束。架設(shè)位移計,通過DH3820采集儀采集位移數(shù)據(jù)。

1.3 梁式試件分組及加載裝置

對于梁式試件,采用截面尺寸為150mm×240mm×1260mm的試件,鋼筋保護層厚度為20mm,架立鋼筋和腰筋均采用HRB400級鋼筋,直徑10mm,箍筋采用直徑8mm的HRB335級鋼筋,間距取50mm。試件編號和數(shù)量見表3括號內(nèi),各參數(shù)與拉拔試件相同。與混凝土無粘結(jié)部分通過外套PVC管將兩種材料分隔,端口用泡沫膠進行密封。梁式試件在兩半梁自由端、加載端分別設(shè)置位移計,在鋼筋上預(yù)焊固定鋼片作為位移計接觸點,便于直接測得兩端鋼筋與混凝土間產(chǎn)生的相對滑移值,在梁底加載端位置處分別設(shè)置縱向位移計以測量加載時兩半梁產(chǎn)生的撓度,在兩個支座處分別設(shè)置位移計實測加載過程中支座的沉降。試件尺寸及相關(guān)位移計具體位置見圖2,其中P為峰值荷載,Ⅰ為位移計,Ⅱ為PVC套管,Ⅲ為測試鋼筋,Ⅳ為非受力鋼筋,Ⅴ為預(yù)埋鋼鉸。

圖2 梁式試件尺寸及裝置圖

梁式試件通過電液伺服作動器及反力門架進行加載,分配橫梁對稱分配,加載設(shè)備通過計算機控制,可自動繪制荷載-位移曲線,其最大量程為1 000kN,位移采集使用DH3820采集儀,該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以自動進行數(shù)據(jù)采集,為保證采集數(shù)據(jù)時力與位移數(shù)據(jù)相互對應(yīng),試驗過程中采集頻率均取為2Hz,并同時開始采集。試驗先采用力控制加載,速率為0.1kN/s,當(dāng)鋼筋自由端出現(xiàn)滑移后即改為相對滑移控制加載,速率為0.2mm/min,當(dāng)滑移達到3mm后或荷載下降至峰值荷載的50%以下時,荷載-位移曲線已接近水平,整個試驗結(jié)束。

2 試件破壞形態(tài)

2.1 拉拔試件破環(huán)形態(tài)

拉拔試件的破環(huán)形態(tài),可以分成三類:鋼筋拔出、混凝土劈裂和鋼筋拉斷。

(1)鋼筋拔出:當(dāng)錨固長度為5d和7d、鋼筋直徑為16mm時,如P16-5d、P16-7d試件為鋼筋拔出破壞(圖3(a)),在加載初期,荷載增長速度快,荷載-位移曲線呈直線上升,接近峰值荷載時,荷載增速放緩,達到峰值荷載后,荷載開始下降,起初下降速度較快,當(dāng)荷載下降至峰值荷載的50%后,荷載-位移曲線開始變緩;當(dāng)荷載下降至峰值荷載的30%左右時,荷載-位移曲線接近水平,此階段荷載不再下降,滑移量持續(xù)增大,鋼筋被緩慢拔出。加載結(jié)束后,混凝土表面仍保持完好。有部分試件拔出時鋼筋也達到屈服,但加載現(xiàn)象和最終形態(tài)和鋼筋未屈服基本相同。

圖3 拉拔試件破壞形態(tài)

(2)混凝土劈裂:當(dāng)鋼筋直徑為22、25mm時,如P22-7d和P25-7d試件發(fā)生劈裂破壞,這類試件在加載時荷載-位移曲線基本呈直線上升,在荷載達到峰值前,自由端和加載端基本未見滑移,當(dāng)達到峰值荷載時,試件混凝土突然發(fā)生破環(huán),并有較大聲響,試件破壞分為劈成三塊和劈成兩半(圖3(b)、(c)),脆性性質(zhì)明顯,取破壞后試件進行觀察發(fā)現(xiàn)劈裂面上留有鋼筋縱橫肋印記,鋼筋肋前附有混凝土粉末。

(3)鋼筋拉斷:錨固長度為10d的試件鋼筋被拉斷(圖3(d)),如P16-10d試件,試件鋼筋基本沒有滑移,當(dāng)荷載達到峰值荷載時,加載試件發(fā)生較大聲響。觀察破壞后的試件,發(fā)現(xiàn)鋼筋的斷點均位于焊接鋼片處,鋼片是為了架設(shè)測量變形的儀表而設(shè)置的輔助裝置,此處由于鋼筋外形受損導(dǎo)致應(yīng)力集中,斷裂時的鋼筋應(yīng)力小于鋼筋極限抗拉強度,是焊接對鋼筋的力學(xué)性能產(chǎn)生的不利影響,除了鋼筋被拉斷外,混凝土表面基本保持完好。

2.2 梁式試件破環(huán)形態(tài)

梁式試件的破環(huán)形態(tài)分為兩類:鋼筋拔出破壞、混凝土劈裂破壞。

(1)鋼筋拔出:B16-5d、B16-7d試件發(fā)生此類破環(huán),其粘結(jié)長度較短,鋼筋直徑較小,加載結(jié)束時,試件表明未出現(xiàn)明顯的可見裂縫,兩半梁之間間距變大,試件自由端有較大滑移,整體試件有較大撓度。此種破壞形式如圖4所示。

圖4 鋼筋拔出破壞

(2)混凝土劈裂破壞:B16-10d、B22-7d、B25-7d試件發(fā)生此種破壞形式,其粘結(jié)長度較長、鋼筋直徑較大。此類試件加載在到達峰值荷載前,基本無明顯現(xiàn)象,到達峰值荷載后,試件發(fā)生突然劈裂,脆性明顯,劈裂裂縫出現(xiàn)在試件頂部的受力點,先垂直向下,后沿45°斜向延伸,并逐步加大延伸至梁底形成貫通裂縫,同時,鋼鉸下端位置混凝土壓碎脫落,內(nèi)部鋼筋暴露在外,但因箍筋約束作用,試件未能劈裂成兩部分,破壞形態(tài)如圖5所示。

圖5 混凝土劈裂破壞

經(jīng)比較,除了一組拉拔試件由于裸鋼筋段焊接輔助鋼片,應(yīng)力集中導(dǎo)致鋼筋拉斷外,拉拔試驗和梁式試驗兩種方法有類似的破壞形態(tài),即鋼筋拔出和混凝土劈裂。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 極限粘結(jié)強度計算

通過試驗采集系統(tǒng),分別得到兩種試驗方法下各個試件的極限荷載,通過下式計算其粘結(jié)強度:

式中:τu為平均極限粘結(jié)強度,MPa;Fu為作用于鋼筋上的極限拉力,kN;la為錨固長度,mm。

其中對于拉拔試件,作用在鋼筋上的極限拉力Fu即為加載的峰值荷載P。對于梁式試件,需要將梁上的荷載轉(zhuǎn)換為鋼筋軸線拉力,取左半梁部分為隔離體進行受力分析,如圖6所示。F為右半梁通過鋼鉸對左半梁的作用力。對鋼鉸中心線與F交點處取矩,由力矩平衡條件可得:

圖6 左半梁受力示意圖

式中:l1為鋼鉸中心點到拉拔鋼筋中心的垂直距離;l2為鋼鉸中心點到支座中線的水平距離。

梁式試件的峰值荷載下的鋼筋拉力由式(2)計算,計算結(jié)果見表4。

表4 梁式試件鋼筋拉力轉(zhuǎn)換

3.2 不同試件粘結(jié)強度的對比

中心拉拔試驗和梁式試驗高強鋼筋與混凝土的粘結(jié)強度試驗結(jié)果分別見表5、6,兩種試驗方法所得的粘結(jié)強度對比見表7。

表5 拉拔試件鋼筋與混凝土粘結(jié)錨固試驗結(jié)果

表6 梁式試件鋼筋與混凝土粘結(jié)錨固試驗結(jié)果

表7 拉拔試件與梁式試件粘結(jié)強度對比

由表5～7可以看出,對于P16-10d和B16-10d試件,由于其破壞形態(tài)不相同,故不具有對比意義,其余構(gòu)件的試驗結(jié)果表明在相同條件下試件采用中心拉拔試驗方法測得的粘結(jié)強度要高于梁式試驗方法。拉拔試件粘結(jié)強度與梁式試件粘結(jié)強度比值平均數(shù)為1.34,變異系數(shù)為0.0804。各組試件數(shù)據(jù)離散程度較小,穩(wěn)定性好。

經(jīng)分析,這一現(xiàn)象可以通過試驗鋼筋周圍的應(yīng)力狀態(tài)來解釋。梁式試驗試件鋼筋周圍混凝土基體的徑向拉伸應(yīng)力狀態(tài)會降低混凝土與鋼筋間的粘結(jié)強度。而拉拔試件中鋼筋外圍混凝土沒有荷載作用下的拉應(yīng)力,有利于鋼筋與混凝土的粘結(jié),相關(guān)文獻[16-17]也有類似的試驗結(jié)果。

3.3 影響粘結(jié)性能的因素分析

國內(nèi)外眾多試驗[4-5,9]研究顯示,鋼筋直徑、鋼筋外形、鋼筋錨固長度、鋼筋保護層厚度、配置箍筋情況、混凝土強度等是鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的主要影響因素。因為試驗試件數(shù)量有限,所以本試驗主要以鋼筋直徑以及錨固長度這兩種因素對兩種試驗得到的粘結(jié)性能進行了對比。

本次試驗結(jié)果顯示,對于630MPa級鋼筋,兩種試驗方法得到的粘結(jié)強度隨錨固長度和鋼筋直徑的增加而減小,這與普通鋼筋與混凝土的經(jīng)典粘結(jié)錨固理論吻合,此文不再贅述。

3.4 粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線對比

拉拔試件中混凝土劈裂破壞和鋼筋拉斷破壞試件的完整粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線無法測得,本次試驗在相同參數(shù)及類似破壞形態(tài)試件中進行對比研究,見圖7,對錨固長度5d,直徑16mm的拉拔試件和梁式試件的鋼筋與混凝土的粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線進行對比。

圖7 梁式試件與拉拔試件粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線對比

兩類試件曲線趨勢基本相同,試件均有明顯的上升和下降段,曲線上升段在梁式試件曲線轉(zhuǎn)折之前,基本無異,下降段的趨勢也基本一致。拉拔試件未配箍筋,隨著拉拔力增加,鋼筋表面粘結(jié)應(yīng)力迅速增大,化學(xué)膠結(jié)力瞬間失效,鋼筋與混凝土隨即發(fā)生相對滑移;而梁式試件為配箍試件,初期化學(xué)膠結(jié)力持續(xù)效應(yīng)較拉拔試件長,故曲線上升段剛度略大,下降段略平緩,達到峰值荷載時,滑移略小,表明梁式試件的粘結(jié)延性略強。

4 結(jié)論

(1)梁式試件和拉拔試件在同等條件下有類似的破壞形態(tài),絕大多數(shù)試件發(fā)生鋼筋拔出破壞和混凝土劈裂破壞。

(2)在相同的條件下試件采用中心拉拔試驗方法測得的粘結(jié)強度要高于梁式試驗方法測得的粘結(jié)強度,拉拔試件粘結(jié)強度與梁式試件粘結(jié)強度比值平均為1.34,可為兩種試驗測得的粘結(jié)強度數(shù)據(jù)換算提供參考。

(3)梁式試件和拉拔試件鋼筋與混凝土的平均粘結(jié)強度均隨鋼筋錨固長度和鋼筋直徑的增大而減小,兩種試驗方法所得結(jié)果均符合普通鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固性能規(guī)律。

(4)拉拔試件與梁式試件的粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線變化規(guī)律相近,梁式試件比拉拔試件在達到峰值荷載時的滑移量略小,梁式試件的粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線下降段較拉拔試件略平緩,表明梁式試件的粘結(jié)延性略強。

(5)梁式試驗試件制作和裝置較為復(fù)雜,但其符合實際受力情況,試驗數(shù)據(jù)精度較高。拉拔試驗方法和裝置較為簡單經(jīng)濟,且在相同條件下可以取得不低于梁式試驗精度的數(shù)據(jù)。本文對比了梁式試驗和拉拔試驗,可為采用不同試驗方法研究鋼筋與混凝土粘結(jié)錨固性能提供參考。