鋼筋混凝土粘結-滑移率敏感性研究進展

張 艷 波

(同濟大學土木工程學院，上海 200092)

鋼筋混凝土粘結-滑移率敏感性研究進展

張 艷 波

(同濟大學土木工程學院，上海 200092)

總結了國內外大量有關鋼筋混凝土粘結應力-滑移性能率敏感性研究的文獻，系統(tǒng)地介紹和分析了試驗研究領域內鋼筋混凝土粘結性能率敏感性研究的成果。在此基礎上，針對鋼筋混凝土粘結應力-滑移性能率敏感性研究中的一些基本問題，提出了開展進一步研究工作的方向，以求更好的理解和掌握粘結應力-滑移性能。此外，還介紹了目前用于動力試驗研究的3種試驗裝置。

加載速率；粘結應力-滑移；粘結性能；率敏感性；試驗裝置

0 引言

粘結應力-滑移本構方程是鋼筋混凝土結構理論基本方程之一。通過粘結作用，可以實現(xiàn)鋼筋和混凝土之間的荷載傳遞和協(xié)調變形。粘結性能的退化和喪失必然導致結構力學性能的降低甚至破壞[1]。粘結應力-滑移性能對結構或構件的承載能力、鋼筋錨固或搭接、裂縫寬度和間距、節(jié)點的轉動等計算有重要影響[2]。我國《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010[3]也明確規(guī)定：某些變形較大的構件或節(jié)點進行局部精細分析時，宜考慮鋼筋和混凝土之間的粘結-滑移本構關系，并給出了鋼筋與混凝土的粘結應力-滑移本構關系的分段式方程，為結構大變形時進行更精確的分析提供了界面粘結-滑移參數(shù)。

鋼筋混凝土結構在其服役期內，除承受靜荷載外，不可避免地遭遇地震荷載、爆炸、沖擊等動力作用，特別是核電站、海岸工程、公路柵欄等結構。此時，結構往往在很短的時間內就進入非線性階段，結構或構件的應變率很大，結構的力學響應與靜荷載下有很大不同。傳統(tǒng)的線彈性設計分析方法受到嚴峻挑戰(zhàn)，這促使了結構非線性分析理論的發(fā)展。

鋼筋混凝土結構非線性分析的核心問題是本構的研究。混凝土的多軸動力本構關系及其破壞準則和動力荷載下鋼筋與混凝土之間粘結應力-滑移本構關系是結構非線性分析的兩大難點。在用有限元軟件進行精細的結構非線性分析時，也需要確定鋼筋與混凝土界面粘結-滑移參數(shù)，因為非線性分析中鋼筋混凝土單元剛度矩陣與粘結性能密切相關[4]?？梢?，動力粘結-滑移本構方程的研究是進行結構非線性分析的重要環(huán)節(jié)之一。

動力荷載下粘結性能的研究主要可以劃分為2個方面：(1)單調荷載下，加載速率對粘結性能的影響；(2)反復和重復荷載下，粘結性能的損傷退化研究。國內外學者已經對后者進行了大量的試驗研究和理論分析，并取得了豐碩的成果，但是關于粘結性能加載速率敏感性研究的文獻，相對來說還比較少[1]。由于試驗條件的不同、影響因素的多樣性、粘結機理的復雜性等原因，粘結滑移性能的率相關性研究至今仍沒有一個公認的研究成果。

隨著鋼筋混凝土結構非線性分析和結構設計軟件的發(fā)展，對結構分析的要求越來越高，特別是進行結構抗震設計時，粘結應力-滑移力學參數(shù)已經成為結構設計中的瓶頸，制約了結構分析和設計理論的發(fā)展[5]。因此，充分認識粘結應力-滑移性能的率敏感性，建立動力粘結強度和粘結-滑移本構方程，對結構分析和設計具有重要意義。

1 動力粘結-滑移試驗裝置

由于粘結機理的復雜性、影響因素的多樣性等，從理論上進行粘結-滑移性能的分析難度較大，所以粘結性能的研究主要集中在試驗研究領域，特別是粘結性能的率敏感性研究。高加載速率主要通過以下3種試驗裝置獲得[6]。

1.1MTS萬能試驗機

MTS萬能試驗機一般用于巖石和混凝土的材性試驗，見圖1。通過合理設計，同樣可以用于動力粘結試驗。萬能試驗機雖然測量精度比較高，但能夠獲得的加載速率一般比較小，以同濟大學的MTS815萬能試驗機為例，能夠獲得的加載速率最高為30 mm/s，基本可以實現(xiàn)地震荷載對應的材料應變速率。

圖1 萬能試驗機裝置

1.2落錘試驗

試驗時通過安裝在錘頭的力傳感器測量打擊力，位移則通過安裝在錘頭的加速度傳感器和安裝在底座上的位移傳感器測量，見圖2。應當指出，落錘試驗雖然是一種高速加載試驗方法，但是錘頭打擊試件時，由于應力波傳播彌散效應，試件中的應變分布不均勻，試驗中位移或應變的測量也會有較大的誤差。這種試驗方法可以定性地比較動靜荷載下的粘結應力-滑移性能，系統(tǒng)地研究加載速率對粘結滑移性能的影響時，不容易控制和測量加載速率。

圖2 落錘試驗裝置

1.3分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗

分離式霍普金森壓桿是一種在動力試驗中廣泛應用的試驗裝置，見圖3。這種裝置利用應力波使試件在高應變率條件下受力，并采用一維波動理論分析混凝土試件的受力狀態(tài)。很多學者已經將這種試驗裝置應用于動力粘結性能的研究。利用這種裝置可以獲得高速加載下拉拔力-滑移關系全曲線，可以有效地消除應力波的彌散效應，但是受試驗設備的限制，試件的尺寸一般比較小。

圖3 分離式霍普金森壓桿試驗裝置

2 試驗研究成果

1962年美國學者Robert J Hansen[7]等對動荷載下鋼筋與混凝土的粘結性能進行了拉拔試驗研究。試驗采用圓柱體短錨拉拔試件，螺紋變形鋼筋直徑為12.5 mm，鋼筋位于試件中心，粘結長度為50 mm。此外混凝土圓柱體中綁扎了螺旋鋼筋，這其實對混凝土提供了附加的橫向約束，使得粘結錨固性能比真實情況提高了。試驗結果表明：光圓鋼筋與混凝土之間的粘結性能對加載速率不敏感，且試件多為鋼筋刮出式破壞；變形鋼筋與混凝土之間的粘結強度在動力荷載下則有明顯提高，并且混凝土的強度越低、鋼筋直徑越小，粘結強度在動力荷載下提高的幅度越大。

雖然Robert J Hansen得到了變形鋼筋與混凝土之間粘結強度隨加載速率提高而提高的定性結論，但是對于提高的程度并沒有給出量化的分析，難以在實際結構分析和設計中應用。

1982年E Vos和Reinhardt[2,8]通過采用分離式霍普金森壓桿技術，試驗研究了加載速率對鋼筋、預應力絞線與混凝土之間粘結性能的影響。試驗采用短錨拉拔試件，分別取加載速率、混凝土強度和鋼筋類型為研究變量。作者采用了多種加載速率：0.3 MPa/s、80 MPa/s、(2～4)×104MPa/s、(1～1.6)×105MPa/s。這里的加載速率指平均粘結應力的加載速率，由試驗數(shù)據(jù)反算得到。試驗得到了與Hansen類似的結論：光圓鋼筋、預應力絞線與混凝土之間的粘結強度對加載速率不敏感；隨著加載速率的提高，變形鋼筋與混凝土之間的粘結強度明顯提高，且混凝土強度越低，粘結強度隨加載速率提高的幅度越大。

通過對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，E Vos給出了考慮加載速率影響的粘結強度表達式：

(1)

(2)

1992、1994年Cheng Yan[9,10]等通過落錘試驗研究了沖擊荷載下鋼筋與混凝土之間的粘結性能。試件尺寸為152.4 mm×152.4 mm×63.5 mm，直徑為11.3 mm的鋼筋位于試件中心，粘結長度為63.5 mm。為了防止發(fā)生劈裂破壞，粘結區(qū)段內設置了2個螺旋箍筋，直徑分別為63.5 mm和127 mm。為了更加精確的分析鋼筋受力與粘結應力，在粘結區(qū)段的鋼筋上開槽貼應變片。在給定的3種加載速率下，粘結強度隨著加載速率的提高而提高，提高的幅度為30%～50%；加載速率提高時，粘結區(qū)段的粘結應力分布變得越不均勻。

與以往很多研究者得到的結論不同，本試驗結果表明，較普通混凝土而言，高強混凝土對粘結性能的率敏感性影響更大。

2001年洪小健[11,12]等進行了加載速率對銹蝕鋼筋與混凝土粘結強度影響的試驗研究。試驗采用半梁式構件，構件長320 mm，截面寬度150 mm、截面高度250 mm，內部實際粘結錨固區(qū)長度為120 mm，鋼筋內部貼片處理。采用3種不同加載速率：10 kN/min、50 kN/s、500 kN/s。動荷載作用下，粘結破壞具有瞬時性，一般在0.1-1 s，破壞形態(tài)的一個顯著特點是構件表面裂縫寬度較靜載細窄，且加載速率越大裂縫越窄。試驗結果表明，粘結強度隨加載速率提高而提高，洪小健將這一現(xiàn)象歸因于以下兩點：(1)混凝土材料的動力特性；(2)應變滯后效應。

洪小健在對試驗數(shù)據(jù)回歸分析的基礎上，給出了考慮銹蝕率、加載速率影響的極限粘結強度表達式：

(3)

2003年Weathersby[13]試驗研究了加載速率、橫向約束、鋼筋直徑和外形對鋼筋混凝土粘結性能的影響。試驗采用圓柱體拉拔試件，粘結長度為254 mm，保護層厚度為127 mm和254 mm。鋼筋直徑為16 mm和20 mm。試驗表明，對于所有的試件，破壞荷載均隨加載速率的提高而提高，鋼筋直徑、外形及保護層等條件的不同，動峰值荷載較靜力荷載提高的幅度也不同，從70%到100%不等。

2010年George[14]等采用分離式霍普金森壓桿技術，進行了加載速率對鋼筋與混凝土粘結性能的試驗研究。試件的尺寸符合RILEM規(guī)范，圓柱體試件的直徑為D=100 mm，鋼筋直徑為d=20 mm，屈服強度和極限強度分別為885 MPa和1 080 MPa?；炷翉姸鹊燃墳镃30/50。粘結長度分別為100 mm和200 mm。為了消除端部效應，兩端各用50 mm長的PVC套管將鋼筋和混凝土隔離開來，形成無粘結區(qū)。加載速率估計在100～250 MN/s。

試驗得到了靜力及動力荷載下拉拔力-滑移關系全曲線。試件主要有2種破壞形態(tài)：混凝土劈裂破壞和鋼筋拔出破壞。由全曲線可以看出：動力拉拔荷載-位移曲線均位于對應的靜力曲線之上，這說明粘結性能隨著加載速率的提高而有所提高，在給定試驗條件下，對于無約束試件，動力粘結強度可以提高90%以上，且混凝土強度越低，粘結強度提高的幅度越大。

河海大學的鄭曉燕[15～17]等通過不同頻率的三角波加載，試驗研究了加載速率、銹蝕程度、錨固長度等對鋼筋與混凝土之間動態(tài)粘結滑移性能的影響，初步探究了動荷載下銹蝕鋼筋與混凝土的粘結機理，同樣得到粘結應力隨加載速率提高而提高的結論，另外還指出粘結剛度也有所提高，粘結應力分布變得更不均勻。

2012年Dongming Yan[18]等通過拉拔試驗專門研究了加載速率對鋼筋與普通混凝土之間粘結性能的影響。試件采用32.5R級波特蘭水泥，混凝土抗壓強度為35.9 MPa，標準差為1.52 MPa。采用圓柱體短錨試件，直徑為203 mm，高165 mm，真正的粘結長度為63.5 mm。鋼筋直徑為15.9 mm。受試驗機加載能力的限制，試驗采用了4種位移加載速率：0.254 mm/min、2.54 mm/min、25.4mm/min和99.1 mm/min。數(shù)據(jù)采集頻率為250 Hz。

試驗得到了不同加載速率下粘結應力-滑移關系全曲線和峰值荷載-加載速率曲線，如圖4、圖5所示。

圖4 不同加載速率下粘結-滑移曲線

圖5 峰值荷載-位移對數(shù)關系曲線

由全曲線可以看出，不同加載速率下曲線的上升段非常接近；峰值拉拔荷載隨著加載速率的提高而有所增大；峰值荷載所對應的位移隨加載速率的增大而減小；粘結能，即力-荷載曲線與橫軸所圍面積，也隨著加載速率的提高而提高，這說明結構或構件的耗能性能有所改善。

通過對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，提出了一個峰值荷載-位移對數(shù)的關系式:

fbond=0.86ln(ε)+21.0

(4)

2013年Wei Yao[19]等采用改進的分離式霍普金森壓桿技術，通過推出試驗研究了加載速率和有效粘結長度對鋼筋與混凝土之間粘結滑移性能的影響，試驗結果如圖6所示。

圖6 粘結應力-滑移關系曲線

顯而易見，隨著加載速率的提高，峰值推出力和粘結強度均有所提高；峰值荷載所對應的滑移也隨加載速率的提高而增大。

2004年M Alavi-Fard[20]等通過一些系列拉拔試驗研究了加載速率對鋼筋與高強混凝土間粘結性能的影響。鋼筋直徑為35 mm，保護層厚度為105 mm，粘結長度為100 mm。采用的加載速率分別為0.015 1 mm/min、1.51 mm/min、75 mm/min。試驗所得的拉力-滑移荷載全曲線如圖7所示。

圖7 不同加載速率下的粘結應力-滑移曲線

可以看出，不同加載速率下峰值粘結強度和粘結應力-滑移關系曲線形狀基本相同；不同加載速率下鋼筋與高強混凝土之間的粘結強度基本不變，這與大部分的研究成果相左。筆者認為，本試驗所用混凝土為高強混凝土，而高強混凝土強度和剛度的率敏感性不如普通混凝土，高強混凝土對粘結性能影響的率敏感性也不如普通混凝土，所以可能導致在加載速率也不是很大的情況下，粘結強度提高的幅度不明顯。

此外，一些學者研究了加載速率對各種纖維與混凝土基體之間粘結性能的影響。比如，1995年Pacios[21]通過拉拔試驗研究了加載速率對纖維和混凝土界面粘結性能的影響，位移控制加載速率為0.000 13～1 360 mm/s。試驗得到了拉拔荷載-滑移關系全曲線。容易看出，動力荷載下力-滑移曲線均位于靜力曲線之上，峰值拉拔荷載及對應的滑移隨加載速率的提高而提高。Dong[22]等、Bindiganavile[23]和Taher[24]等分別通過試驗研究了鋼纖維與混凝土之間粘結性能的率相關性。三者均采用萬能試驗機位移控制加載，雖然在鋼纖維類型、混凝土強度以及加載速率上不盡相同，但三者均得到了類似的結論：鋼纖維與混凝土之間的粘結性能具有明顯的率敏感性，特別是帶肋和扭曲形鋼纖維。Dong還引入了拉拔能的概念來描述加載速率對鋼纖維和混凝土粘結性能的影響。Bindiganavile特別指出加載速率提高時，峰值荷載對應的裂縫寬度有所減小，即粘結剛度強化。

2006年George[25]等采用霍普金森壓桿技術，試驗研究了動力荷載下植筋與混凝土之間的粘結性能。結果表明，動力荷載下鋼筋的錨固力隨著加載速率的提高而提高，在該試驗條件下提高約67%。作者將這一現(xiàn)象歸因于鋼筋與混凝土材料的動力特性。另外，國內的李艷茹[26～28]等分別通過動力粘結試驗和有限元分析，也同樣得到動力荷載下鋼筋錨固力提高的結論。

纖維、植筋與混凝土之間動力粘結性能的研究對于鋼筋混凝土粘結性能的率敏感性研究具有一定的借鑒意義。

3 粘結-滑移性能率敏感性研究基本

問題

3.1粘結強度

粘結強度是粘結滑移理論的一個重要概念。粘結強度直接影響著結構或構件能夠傳遞的最大荷載。上述文獻基本都集中在粘結強度的研究。由于試驗條件的不同，粘結強度率敏感性程度的離散性很大，但研究者普遍認為：對于變形鋼筋，粘結強度隨著加載速率的提高而提高；混凝土的強度越低，粘結強度的率敏感性越明顯。個別研究者卻得到了相反的結論，如M Alavi- Fard[20]等在研究高強混凝土與鋼筋粘結性能的率敏感性時，就得到加載速率對鋼筋與高強混凝土間粘結強度影響不大的結論，Cheng Yan[9,10]等通過試驗得到了高強混凝土越高，粘結性能率敏感性越明顯的結論等。對此矛盾，需要開展進一步深入的研究。

3.2粘結-滑移本構關系

粘結滑移本構關系是粘結滑移理論核心問題。在進行結構非線性分析、大變形計算以及有限元分析時，都需要知道鋼筋與混凝土界面動力粘結-滑移參數(shù)。

靜力粘結-滑移本構方程的研究，在試驗研究和理論分析方面都取得了很大進展。比較典型的如Nilson[29]、Mirza和Houde[30]、Eligehausen[31]等、徐有鄰[32]等在試驗研究的基礎上，提出了局部粘結-滑移本構方程；Tepfers[33]、高向玲[34]等、Huanzi Wang[35]等從理論分析的角度給出了局部粘結-滑移本構方程。但是對于粘結應力-滑移率本構方程的研究至今仍然空白。雖然很多研究者都通過動力粘結試驗得到了粘結應力-滑移關系全曲線，但很少看到研究者對粘結-滑移率本構方程進行研究。

混凝土強度是影響粘結性能的主要因素，進行粘結-滑移率敏感性研究必須考慮混凝土的動力特性。另外，混凝土的率本構研究方法對粘結-滑移率本構的研究有一定的借鑒意義。

3.3拉拔能

拉拔能，也稱粘結能，是描述粘結性能好壞的一個重要指標。拉拔能指拉拔荷載-滑移全曲線與橫軸所圍的面積。Dongming Yan[18]、Dong Joo Kim[22]等都提到了拉拔能的概念。粘結能的大小，標志著結構或構件粘結耗能的大小，粘結能越大，說明結構或構件可以傳遞更大的荷載，或可以發(fā)生較大的變形，提高了結構或構件的延性。一般認為，加載速率提高時，粘結剛度增大，粘結-滑移曲線位于對應靜力曲線之上，粘結能增大，而且幅度遠大于粘結強度的提高幅度。

影響拉拔能大小的特征值是粘結強度、粘結強度對應的峰值位移以及粘結破壞時的滑移值等。大多數(shù)研究者認為峰值粘結應力對應的滑移隨加載速率的提高而減小，個別研究者卻持相反的觀點[19]，對此也應開展進一步深入研究。

4 結論

本文總結和討論了加載速率對鋼筋與混凝土粘結性能影響的研究成果，主要得到以下結論。

(1)目前用于動力粘結應力-滑移性能研究的試驗裝置有：伺服萬能試驗機(MTS)、落錘試驗機(Drop Weight Test)以及分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗裝置。

(2)鋼筋混凝土粘結應力-滑移性能具有明顯的率敏感性：粘結強度隨加載速率提高而提高，混凝土強度越低，粘結性能的率敏感性越強。

(3)為了更好的研究粘結-滑移率敏感性，建議考慮鋼筋和混凝土材料的率本構關系，并開展進一步的試驗研究和理論分析。

(4)可以嘗試從損傷力學、斷裂力學等力學知識和粘結能等能量觀點從理論上研究粘結機理和粘結-滑移率敏感性本構關系。

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OverviewofLoadingRateSensitivityoftheBondStress-slipbetweenReinforcingSteelBarsandConcrete

ZHANG Yan-bo

(College of Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092 PRC)

This article provides a brief summary of a large number of research literature of domestic and foreign about the loading rate sensitivity of bond behavior,systematically introduces and analyzes the research achievements in the field of experimental investigations about dynamic bond behavior.On this basis,with respect to some essential problems in the field of the research of the rate sensitivity of bond behavior,the author puts forward some suggestions on further research and some critical problems that should be paid much more attention to in order to get a better understanding of the effect of loading rate on the bond stress-slip behavior.In addition,this article also introduces three test devices which are widely used in dynamic test to get relatively higher loading rates.

Loading rate,Bond stress-slip,Bond behavior (performance),Rate sensitivity,Test device

2014-02-24;

2014-03-21

張艷波(1987-)，男，河北邯鄲人，碩士研究生，研究方向：鋼筋混凝土粘結-滑移率敏感性試驗研究。

國家自然科學基金項目，國家十二五科技支撐計劃項目(2011BAJ09B03-02)。

1001-3679(2014)02-0215-07

TU313

A