加載速率對側(cè)壓力下光圓鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的影響*

李鑫鑫 吳智敏

(大連理工大學(xué)海岸及近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 大連 116024)

加載速率對側(cè)壓力下光圓鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的影響*

李鑫鑫 吳智敏

(大連理工大學(xué)海岸及近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 大連 116024)

為了研究加載速率對在不同側(cè)向壓力作用下光圓鋼筋與混凝土間粘結(jié)性能的影響，采用30個(gè)拉拔試件研究了加載速率對粘結(jié)滑移曲線及粘結(jié)參數(shù)的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明，加載速率對粘結(jié)性能的影響，取決于側(cè)向壓力的大小.當(dāng)無側(cè)向壓力時(shí)，粘結(jié)性能與加載速率的大小無關(guān).當(dāng)側(cè)壓一定時(shí)，隨著加載速率增加，粘結(jié)強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度上升，但極限粘結(jié)應(yīng)力對應(yīng)的滑移量下降.

粘結(jié)滑移；光圓鋼筋；加載速率；側(cè)壓

0 引 言

在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能是影響結(jié)構(gòu)整體性能的重要因素.光圓鋼筋作為最早應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的材料，其與混凝土間的粘結(jié)性能進(jìn)行了廣泛的研究[1].結(jié)果表明，光圓鋼筋與混凝土間的粘結(jié)力主要由化學(xué)粘結(jié)力和摩擦力組成，當(dāng)鋼筋與混凝土發(fā)生相對滑移后，化學(xué)粘結(jié)力迅速退化，此時(shí)粘結(jié)強(qiáng)度主要由鋼筋表面和混凝土間的動(dòng)摩擦力構(gòu)成[2].在連續(xù)梁與柱的節(jié)點(diǎn)處或簡支梁的支座處，柱或支座的反力會(huì)在梁中上下主筋附近引起側(cè)向壓力，側(cè)向壓力的存在會(huì)對鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能產(chǎn)生較大影響.Robins和Standish[3-4]采用立方體和半梁式拉拔試件對光圓鋼筋與輕骨料混凝土在側(cè)向壓力作用下的粘結(jié)性能進(jìn)行了研究.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，側(cè)向壓力越大，粘結(jié)強(qiáng)度的增加越明顯.Xu等[5]對不同側(cè)向壓力作用下光圓鋼筋的粘結(jié)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究.研究表明，隨著側(cè)壓的增加，粘結(jié)強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度以及粘結(jié)剛度隨之增加，但最大粘結(jié)應(yīng)力對應(yīng)的滑移首先急劇降低，然后隨著側(cè)壓的增加而逐漸上升.

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在服役期間，不可避免地受到加載速率的影響.由于混凝土材料是一種率敏感材料，其力學(xué)性能隨著加載速率的變化而發(fā)生改變，而鋼筋與混凝土間的粘結(jié)性能又與混凝土的強(qiáng)度密切相關(guān).因此，有必要對加載速率對鋼筋與混凝土間的粘結(jié)性能的影響進(jìn)行研究.對于變形鋼筋，加載速率越大，粘結(jié)強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度也越大.Hjorth[6]發(fā)現(xiàn)，光圓鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度和加載速率無關(guān).Vos[7]利用霍普金森桿研究了沖擊荷載下光圓鋼筋的粘結(jié)性能，得到了相同的結(jié)論.Mo等[8]發(fā)現(xiàn)雖然光圓鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度不隨加載速率變化，但是峰值粘結(jié)應(yīng)力對應(yīng)的滑移量隨著加載速率的增加而增大.

在梁的支座或梁柱節(jié)點(diǎn)處，與光圓鋼筋相粘結(jié)的混凝土內(nèi)部受到側(cè)向壓力的影響.現(xiàn)有研究有關(guān)側(cè)向壓力對光圓鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的影響集中在準(zhǔn)靜態(tài)加載情況下，對在側(cè)向壓力作用下動(dòng)荷載對鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的影響還未見報(bào)道.因此，本文采用試驗(yàn)手段，研究了加載速率對不同單側(cè)壓作用下光圓鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能的影響，分析了加載速率和側(cè)向應(yīng)力對粘結(jié)參數(shù)的影響，從而為動(dòng)荷載作用下鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固提供試驗(yàn)和理論參考.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制備

試件見圖1，鋼筋置埋于試件的中心，粘結(jié)長度為5倍鋼筋直徑.鋼筋兩端的非粘結(jié)段用PVC管包裹，以隔離鋼筋與混凝土，保證粘結(jié)段的長度.所有拉拔試件都采用特制鋼模澆筑成型.在澆筑前，鋼筋水平放置并利用夾具將其固定在模的中心位置，檢查夾具無松動(dòng)后開始澆筑混凝土.待混凝土澆筑完畢，振搗密實(shí)后，在試件表面覆蓋一層聚氯乙烯薄膜以防止水分蒸發(fā).試件靜置于成型室24 h后脫模，隨后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d后置于實(shí)驗(yàn)室中直至進(jìn)行試驗(yàn).

圖1 光圓鋼筋拉拔試件

為了了解側(cè)向壓力對更高強(qiáng)度混凝土與鋼筋粘結(jié)性能的影響，本文采用設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C50的混凝土，其配合比(質(zhì)量比)水泥∶水∶砂∶粗骨料=1∶0.38∶0.99∶2.31.鋼筋采用直徑為16 mm的普通光圓鋼筋，鋼筋的屈服強(qiáng)度為310 MPa，彈性模量為210 GPa.

1.2 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)在改裝后的靜動(dòng)力電液伺服三軸試驗(yàn)機(jī)上完成.該試驗(yàn)機(jī)包含一個(gè)豎向和兩個(gè)水平方向三個(gè)獨(dú)立的軸，每個(gè)軸均能提供2 500 kN的最大壓力，1 000 kN的最大拉力.采用與豎軸相連最大量程為50 kN的荷載傳感器來記錄拉拔力，在試件的加載端和自由端分別布置兩支精度為0.001 mm，量程為20 mm的LVDT來測量鋼筋與混凝土的相對滑移.數(shù)據(jù)通過imc采集系統(tǒng)進(jìn)行采集，采集頻率隨著加載速率的增加而提升.試驗(yàn)中，水平軸施加側(cè)向壓力，豎軸施加豎向拉拔力.當(dāng)試件在反力架內(nèi)安裝好后，水平軸施加側(cè)向壓力.待側(cè)壓達(dá)到需要的應(yīng)力水平并保持穩(wěn)定后，開始進(jìn)行拉拔試驗(yàn).拉拔力采用位移控制的方式進(jìn)行施加，由于試驗(yàn)機(jī)的限制，本試驗(yàn)主要考慮了0.01,0.1,1，5 mm/s 4種加載速率，取0.01 mm/s為準(zhǔn)靜態(tài)加載速率v0.在施加側(cè)向壓力前，試件和加載板間放入由兩層聚氯乙烯薄膜和一層黃油組成的減摩片以消除加載板對試件的約束作用，側(cè)向壓力主要考慮了0.0fcu，0.2fcu和0.4fcu3種，并且只有0.4fcu考慮了加載速率5 mm/s的影響，其中fcu為邊長為150 mm×150 mm×150 mm立方體的單軸抗壓強(qiáng)度，以上每個(gè)受力組合均含有3個(gè)試件，共計(jì)30個(gè)試件，具體的試驗(yàn)組合見表1，表中所列粘結(jié)參數(shù)均為3個(gè)試件的平均值.

表1 拉拔試件試驗(yàn)結(jié)果匯總

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 粘結(jié)滑移曲線

在不同的側(cè)向壓力和加載速率下，所有的試件均為拔出破壞，混凝土內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)裂縫.為了分析粘結(jié)滑移曲線隨側(cè)壓和加載速率的變化，本文取加載端和自由端的平均滑移量作為滑移量，粘結(jié)段上的平均應(yīng)力作為粘結(jié)力，即：

(1)

(2)

式中：s為平均滑移量；sl為加載端的平均滑移量；sf為自由端的平均滑移量；τ為粘結(jié)應(yīng)力；F為拉拔力；d為鋼筋直徑；l為粘結(jié)長度.對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行如上處理后，即得到粘結(jié)滑移曲線，見圖2.

圖2 無側(cè)向應(yīng)力下的粘結(jié)滑移曲線

由圖2可見，當(dāng)無側(cè)向壓力并且其他條件一定時(shí)，光圓鋼筋與混凝土在不同加載速率下的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系可以用一個(gè)公式進(jìn)行表征.

圖3所示為在不同加載速率和側(cè)向壓力下試件的粘結(jié)滑移曲線.由圖3可見，當(dāng)有側(cè)向壓力作用時(shí)，粘結(jié)應(yīng)力隨滑移量線性增長，直至達(dá)到最大粘結(jié)應(yīng)力，隨后迅速下降至殘余強(qiáng)度.側(cè)壓越大，加載速率越高，曲線所覆蓋的面積也越大，試件的耗能能力也越大.由此表明側(cè)壓對光圓鋼筋與混凝土間的粘結(jié)性能和破壞機(jī)理有很大影響.當(dāng)側(cè)向壓力一定時(shí)，隨著加載速率的增加，tu，s0，tr以及粘結(jié)剛度均發(fā)生很大的改變.因此有必要對各粘結(jié)參數(shù)進(jìn)行討論.

圖3 在不同加載速率和側(cè)向壓力下試件的粘結(jié)滑移曲線

2.2 粘結(jié)強(qiáng)度

圖4 加載速率與粘結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系

2.3 粘結(jié)強(qiáng)度對應(yīng)滑移量及粘結(jié)剛度

由表1可知，當(dāng)無側(cè)向壓力時(shí)，隨著加載速率的增加，s0保持不變.可見峰值應(yīng)力對應(yīng)滑移量與加載速率無關(guān).當(dāng)側(cè)向壓力施加以后，見圖5，s0迅速下降，隨后又隨著側(cè)壓的增加而緩慢上升.隨著加載速率的增大，s0逐漸下降，加載速率越大，下降幅度越顯著.

圖5 加載速率與粘結(jié)強(qiáng)度對應(yīng)滑移量的關(guān)系

若上升段曲線的粘結(jié)剛度記為k=tu/s0，由表1可知，盡管有很大的離散性，但當(dāng)v=0.01 mm/s時(shí)，平均粘結(jié)剛度不隨側(cè)壓應(yīng)力的增長而發(fā)生變化.然而在側(cè)向壓力一定時(shí)，粘結(jié)剛度隨著加載速率的提高逐漸上升.側(cè)向壓力越大，加載速率越高粘結(jié)剛度上升的比例也就越大.

2.4 殘余強(qiáng)度

隨著滑移量的不斷增加，粘結(jié)強(qiáng)度逐漸下降至一個(gè)定值，即為殘余強(qiáng)度tr.為了便于研究，本文采用殘余強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度的比值，即kr=tr/tu來研究殘余強(qiáng)度的變化趨勢.由表1可知，當(dāng)無側(cè)向壓力時(shí)，kr與加載速率無關(guān)，在0.79左右.當(dāng)側(cè)向壓力施加后，見圖6，kr基本與側(cè)向應(yīng)力的水平和加載速率無關(guān)，也即側(cè)向壓力和加載速率對kr無影響.經(jīng)統(tǒng)計(jì)，kr的平均值約為0.57.所以，可以認(rèn)為，殘余強(qiáng)度與極限粘結(jié)強(qiáng)度在不同側(cè)壓和加載速率下變化趨勢一致，均是由于摩擦阻力受到了加載速率和側(cè)壓的影響.

圖6 加載速率與殘余強(qiáng)度的關(guān)系

3 結(jié) 論

1) 側(cè)向壓力直接關(guān)系到加載速率對光圓鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的影響.當(dāng)無側(cè)向壓力時(shí)，粘結(jié)性能與加載速率無關(guān).當(dāng)有側(cè)向壓力作用時(shí)，側(cè)壓越大，加載速率對粘結(jié)參數(shù)的影響越顯著.

2) 當(dāng)側(cè)向壓力一定時(shí)，隨著加載速率的增大，粘結(jié)強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度以及粘結(jié)剛度也隨之增加，并且粘結(jié)強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度增加的程度相同.

3) 當(dāng)加載速率一定時(shí)，側(cè)向壓力越大，粘結(jié)強(qiáng)度對應(yīng)的滑移量也越大.當(dāng)側(cè)壓一定時(shí)，加載速率越大，粘結(jié)強(qiáng)度對應(yīng)的滑移量越小.

[1]BALDWIN M I，CLARK L A.The assessment of reinforcing bars with inadequate anchorage[J].Magazine of Concrete Research,1995,47(171):95-102.

[2]FELDMAN L R，BARTLETT F M.Bond stresses along plain steel reinforcing bars in pullout specimens[J].ACI Structural Journal,2007,104(6):685-692.

[3]ROBINS P J，STANDISH I G.The effect of lateral pressure on the bond of round reinforcing bars in concrete[J].International Journal of Adhesion and Adhesives,1982,2(2):129-133.

[4]ROBINS P J，STANDISH I G.The influence of lateral pressure upon anchorage bond [J]. Magazine of Concrete Research,1984,36(129):195-202.

[5]XU F, WU Z M,ZHENG J J，et al.Bond behavior of plain round bars in concrete under complex lateral pressures[J].ACI Structural Journal,2014,111(1): 15-25.

[6]HJORTH O.A contribution to the bond problem of steel and concrete under high strain rates[D].Braunschweig: Technical University of Braunschweig, Germany,1976.

[7]VOS E.Influence of loading rate and radial pressure on bond in reinforced concrete[D].Delft:Delft University of Technology, Netherlands,1983.

[8]MO Y L，CHAN J.Bond and slip of plain rebars in concrete[J].Journal of Materials in Civil Engineering,1996,8(4):208-211.

Effect of Loading Rate on the Bond Behavior Between Plain Round Bars and Concrete Under Lateral Pressure

LI Xinxin WU Zhimin

(StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineeringDalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

In order to study the influence of loading rate on the bond behavior between plain round bars and concrete under lateral pressure,a total of 30 pull-out specimens were tested to investigate the effect of the loading rate on the bond slip curves and bond parameters.The experimental results showed that the influence of loading rate on bond behavior depending upon the value of lateral pressure.When no lateral pressure is applied,the bond behavior is insensitive to the loading rate.However,for a given lateral pressure,the ultimate and residual bond strengths increase but the slip at the peak bond stress decreases with the increase of the loading rate.

bond slip;plain round bar;loading rate;lateral pressure

2015-02-07

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(批準(zhǔn)號：51278082)

TU375

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.03.021

李鑫鑫(1985- )：男，博士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)殇摻罨炷恋恼辰Y(jié)性能