懸臂梁-柱植筋節(jié)點(diǎn)的疲勞性能試驗(yàn)研究*

龔永智 徐興偉 吳雨源 丁發(fā)興

(中南大學(xué)土木建筑學(xué)院 長(zhǎng)沙 410075)

懸臂梁-柱植筋節(jié)點(diǎn)的疲勞性能試驗(yàn)研究*

龔永智 徐興偉 吳雨源 丁發(fā)興

(中南大學(xué)土木建筑學(xué)院 長(zhǎng)沙 410075)

針對(duì)目前實(shí)際工程中沒(méi)有較好的方法來(lái)評(píng)價(jià)化學(xué)植筋的疲勞性能，文中通過(guò)對(duì)3個(gè)植筋懸臂梁-柱試件以及1個(gè)現(xiàn)澆懸臂梁-柱試件的疲勞加載對(duì)比試驗(yàn)，研究在疲勞荷載作用下不同的植筋深度、不同的應(yīng)力幅對(duì)植筋試件疲勞壽命、破壞模式，以及剛度的影響.研究表明，植筋試件的疲勞壽命低于現(xiàn)澆試件的疲勞壽命，同時(shí)植筋深度、鋼筋應(yīng)力幅對(duì)植筋試件的疲勞壽命有一定影響；疲勞加載后的植筋試件的極限承載力為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的67%～78%，破壞時(shí)受拉區(qū)植筋未屈服，出現(xiàn)了復(fù)合型破壞形式.

化學(xué)植筋；懸臂梁-柱節(jié)點(diǎn)；疲勞荷載；拉-剪應(yīng)力；破壞模式

0 引 言

歐美國(guó)家，對(duì)于化學(xué)植筋的研究起步較早，已經(jīng)形成一套相對(duì)成熟的植筋錨固理論，以及一系列成熟的設(shè)計(jì)與施工規(guī)范.我國(guó)對(duì)于化學(xué)植筋的理論及應(yīng)用研究起步相對(duì)較晚，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者對(duì)于化學(xué)植筋單向拉拔受力狀態(tài)下的力學(xué)性能進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究[1-5]，總結(jié)出了植筋破壞形態(tài)以及承載力理論計(jì)算公式.但是這些理論研究大多基于將鋼筋或螺桿植入混凝土塊體中，對(duì)其施加單向靜力極限荷載，以研究極限拉拔承載力及其受力機(jī)理.對(duì)于梁-柱植筋節(jié)點(diǎn)疲勞性能研究則相對(duì)較少[6-8].

近年來(lái)，在這些承受動(dòng)荷載作用的結(jié)構(gòu)中，許多部位的化學(xué)植筋受力復(fù)雜，且處于高應(yīng)力狀態(tài)下工作，這使得化學(xué)植筋錨固的疲勞性能成為不可忽視的問(wèn)題.我國(guó)2013年頒布的《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》(JCJ145—2013)(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》)也指出“對(duì)于承受疲勞荷載和沖擊荷載的后錨固連接設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證”.目前，實(shí)際工程中還沒(méi)有較好的方法來(lái)考慮疲勞荷載對(duì)化學(xué)植筋錨固受力性能的影響，存在一定的安全隱患.針對(duì)此種情況，本文設(shè)計(jì)了一種試驗(yàn)方法對(duì)植筋結(jié)構(gòu)的疲勞性能進(jìn)行探索性研究.通過(guò)對(duì)3個(gè)植筋懸臂梁-柱植筋節(jié)點(diǎn)試件以及現(xiàn)澆懸臂梁-柱植筋節(jié)點(diǎn)試件施加疲勞荷載，研究在疲勞荷載作用下不同的植筋深度、不同的應(yīng)力幅對(duì)植筋試件疲勞壽命、破壞模式，以及剛度的影響，并與現(xiàn)澆懸臂梁-柱植筋節(jié)點(diǎn)試件疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試件制作.本次試驗(yàn)共制作了4個(gè)試件，作為相互對(duì)比試件，3個(gè)植筋試件，1個(gè)現(xiàn)澆試件.植筋試件由懸臂梁與柱體組成，植筋試件制作分3步進(jìn)行：柱體制作及養(yǎng)護(hù)、植筋及軋制懸臂梁鋼筋骨架、懸臂梁澆筑及養(yǎng)護(hù)，具體試件尺寸見圖1.依據(jù)《規(guī)程》，植筋試件的梁體上部受拉區(qū)設(shè)置2個(gè)植筋深度：實(shí)際工程中采用植筋深度15d=210 mm(d=14 mm)；根據(jù)《規(guī)程》進(jìn)行破壞形態(tài)驗(yàn)算為植筋鋼材破壞時(shí)的植筋深度347 mm；梁底受壓區(qū)植筋深度均為規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)深度15d=180 mm(d=12 mm).四組試驗(yàn)試件編號(hào)見表1.

試件材料：后澆懸臂梁采用C35混凝土，實(shí)測(cè)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度40.84 MPa；柱體采用低于懸臂梁強(qiáng)度的C30自密實(shí)混凝土.懸臂梁上部受拉區(qū)鋼筋為直徑14 mm的HRB335熱軋鋼筋，實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度366.25 MPa，實(shí)測(cè)極限抗拉強(qiáng)度540 MPa；梁底受壓區(qū)采用直徑12的HRB335熱軋鋼筋.試件構(gòu)造上為防止懸臂梁混凝土發(fā)生劈裂破壞，在懸臂梁范圍內(nèi)布置箍筋Φ8@100.

表1 試件編號(hào)

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用的加載方式參照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50152—2012中加固梁采用疲勞加載方式.本試驗(yàn)在試件懸臂梁懸挑末端垂直施加等幅正弦波疲勞荷載，加載頻率為試驗(yàn)機(jī)正常使用頻率5 Hz，本試驗(yàn)在中南大學(xué)先進(jìn)材料與耐久性試驗(yàn)室進(jìn)行，采用PMS-500數(shù)顯式液壓脈動(dòng)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞加載.防止局壓破壞，加載端預(yù)埋50 mm×50 mm鋼板.

本試驗(yàn)取應(yīng)力比為0.2，應(yīng)力幅的限值為150 MPa,同時(shí)設(shè)置一組試件施加荷載應(yīng)力幅為超過(guò)普通鋼筋疲勞應(yīng)力幅30 MPa，從而確定疲勞荷載上下限，荷載取值見表2.本試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際情況并參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)以及我國(guó)的《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50152—2012)規(guī)范要求：加載N=1次、1萬(wàn)次、10萬(wàn)次、50萬(wàn)次、100萬(wàn)次、200萬(wàn)次停機(jī)加靜載，并適當(dāng)在試件趨于破壞時(shí)，加密靜載次數(shù).疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，如果循環(huán)加載達(dá)到預(yù)定次數(shù)時(shí)，暫停終止試驗(yàn)并逐級(jí)加載靜載，量測(cè)懸臂梁的撓度以及裂縫發(fā)展情況等，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示.

表2 試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)加載方案

圖1 試驗(yàn)用懸臂梁-柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造(單位：mm)

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖(單位：mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試件結(jié)果描述

植筋試件疲勞破壞呈脆性破壞，破壞之前沒(méi)有明顯征兆.試驗(yàn)中，植筋試件疲勞破壞時(shí)植筋均出現(xiàn)了較大滑移，導(dǎo)致新舊混凝土界面出現(xiàn)較大開裂.三個(gè)植筋試件的最終極限靜力加載破壞形式均趨向于一致，即懸臂梁受拉區(qū)鋼筋均出現(xiàn)復(fù)合型破壞，表現(xiàn)為試件破壞時(shí)端部有明顯的淺錐體混凝土，鋼筋未出現(xiàn)屈服，膠-鋼筋粘合性較好，未發(fā)生膠-混界面發(fā)生破壞，破壞時(shí)強(qiáng)度為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的67%～78%，低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度.試件B4在100萬(wàn)次的加載過(guò)程中，試件基本處于彈性階段，最終靜載破壞，破壞形式為適筋梁破壞.具體的破壞情況見表3，最終破壞形式如圖3所示.

2.2 撓度結(jié)果及分析

圖4所示為4個(gè)試件在不同的荷載循環(huán)次數(shù)

表3 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖3 疲勞試驗(yàn)梁疲勞破壞形式

下?lián)隙茸兓闆r.通過(guò)圖中的撓度曲線可以發(fā)現(xiàn)，在植筋試件第一次加載時(shí)的荷載-撓度曲線相比完成多次荷載循環(huán)后的荷載-撓度曲線明顯要陡，表明疲勞循環(huán)加載對(duì)植筋試件的剛度有較大的影響.隨著疲勞加載的進(jìn)行，梁的荷載-撓度曲線斜率基本保持一致，說(shuō)明在梁體開裂后，剛度受到削弱，在鋼筋未發(fā)生粘結(jié)滑移之前，疲勞加載對(duì)于懸臂梁剛度影響不明顯；但在試驗(yàn)后期，鋼筋發(fā)生粘結(jié)滑移后，梁的剛度急劇下降.在疲勞荷載作用初期，植筋試件靜力加載時(shí)殘余變形較小，隨著疲勞加載進(jìn)行，植筋試件的靜力加載時(shí)殘余變形有增大趨勢(shì).特別是通過(guò)觀察試件B2與試件B3的荷載-位移曲線發(fā)現(xiàn)，殘余變形隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大趨勢(shì)，鋼筋發(fā)生了粘結(jié)滑移，在極限靜載時(shí)最終曲線趨于水平.試件B1和B3的剛度退化明顯大于試件B2，說(shuō)明植筋深度和應(yīng)力幅對(duì)植筋粘結(jié)構(gòu)件的疲勞性能有較大的影響.

現(xiàn)澆混凝土與植筋試件相比，經(jīng)過(guò)100萬(wàn)次疲勞荷載循環(huán)之后，殘余變形明顯小于植筋試件，說(shuō)明在同等應(yīng)力條件下，隨著疲勞荷載的進(jìn)行，現(xiàn)澆試件的剛度退化情況要明顯優(yōu)于植筋試件.

2.3 裂縫情況分析

圖5為試驗(yàn)梁表面裂縫展開圖，B1，B2，B3的裂縫分布情況基本相同，均由一條新舊混凝土界

圖4 疲勞荷載-撓度曲線

面位置處的主裂縫以及2～3條梁體裂縫組成.植筋試件在第一次進(jìn)行靜力加載時(shí)新舊混凝土界面開裂，同時(shí)梁體上裂縫基本出齊；隨著循環(huán)荷載施加，梁體裂縫發(fā)展不大；現(xiàn)澆試件主裂縫出現(xiàn)在離植筋根部50 mm左右位置.

B1試件進(jìn)行到大約5 000與18 000次疲勞加載時(shí)，新舊混凝土界面突然出現(xiàn)了兩次較大發(fā)展.B2試件分別在10 000次與440 000次時(shí)主裂縫出現(xiàn)了突然發(fā)展情況.B3植筋試件在兩次主裂縫大發(fā)展次數(shù)分別在大約25 000次與47 000次時(shí).除此之外，在疲勞加載過(guò)程中，主裂縫有所發(fā)展，但發(fā)展不明顯.

從第一次加載至疲勞極限梁體上裂縫有一定發(fā)展，但是發(fā)展量不大.當(dāng)達(dá)到疲勞極限時(shí)，此時(shí)停機(jī)進(jìn)行靜載試驗(yàn)，當(dāng)靜載荷載增大到疲勞荷載上限左右時(shí)，植筋粘結(jié)滑移量不斷增大，新舊混凝土界面處裂縫不斷發(fā)展，最后豎向裂縫發(fā)展接近梁底.現(xiàn)澆試件裂縫在加載過(guò)程中出現(xiàn)的位置在距離植筋根部5 cm左右處出現(xiàn)，最終裂縫集中出現(xiàn)在根部50～600 mm范圍內(nèi)，均為拉-剪應(yīng)力作用產(chǎn)生的斜裂縫，裂縫形態(tài)與植筋梁裂縫情況有所不同.

圖5 疲勞試驗(yàn)梁表面裂縫展開圖

3 結(jié) 論

1) 3個(gè)植筋懸臂梁均在較低的疲勞次數(shù)時(shí)就出現(xiàn)了疲勞破壞，并表現(xiàn)為脆性破壞特征，且疲勞壽命遠(yuǎn)低于現(xiàn)澆懸臂梁，同時(shí)試件B1以及B3試件的疲勞壽命遠(yuǎn)低于B2的疲勞壽命，試件B3比試件B1的疲勞壽命略有增加.由此可見，植筋試件的疲勞壽命遠(yuǎn)低于現(xiàn)澆試件的疲勞壽命，同時(shí)植筋深度以及疲勞應(yīng)力幅對(duì)減植筋粘結(jié)構(gòu)件的疲勞性能有較大的影響，其中植筋深度對(duì)疲勞性能的影響更明顯.

2) 植筋粘結(jié)試件的破壞時(shí)強(qiáng)度僅為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的67%～78%，表明疲勞荷載對(duì)植筋粘結(jié)性能有較大的影響.在疲勞荷載作用下，目前規(guī)范規(guī)定的靜載作用下植筋深度不能保證被植鋼筋強(qiáng)度的充分發(fā)揮，即承受疲勞荷載的植筋連接構(gòu)件其植筋深度應(yīng)大大增加.

3) 植筋試件新舊混凝土界面為構(gòu)件受力薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)該采取有效措施提高界面的粘結(jié)性能，來(lái)保證新增植筋節(jié)點(diǎn)的安全性.

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Experimental Research on Fatigue Behavior for Chemically Planted-bar Cantilever Beam-column

GONG Yongzhi XU Xingwei WU Yuyuan DING Faxing

(SchoolofCivilEngineering，CentralSouthUniversity,Chang’sha410075，China)

Aiming at actual engineering without good test methods to evaluate the fatigue performance of chemical adhesive steel bar, this experiment designs a method to conduct the exploratory research on the fatigue performance of the cantilever beam-column. Through adding to fatigue loading on the three cantilever beam specimens and cast-in-place cantilever beam specimens, the experiment researches on the influence on fatigue life, breakage form and stiffness of steel bar specimens from different steel bar depth and different stress amplitude in tension-shear fatigue loads, and has a comparative analysis on the fatigue test results of cast-in-place cantilever beam specimens. Research indicated that fatigue life of steel bar specimen is below the fatigue life of cast-in-place specimen , and steel bar stress amplitude and steel bar depth have effects on the fatigue life of the steel bar specimens; The ultimate bearing capacity of steel bar specimens through fatigue loading is sixty-seven percent to seventy-eight percent of the design strength. It is below the design strength, and the destroyed bar of the tension zone is not to yield, and the composite failure modes are appeared.

chemical adhesive steel bar; cantilever beam-column joints; fatigue load; tension-shear stress; breakage form

2014-12-10

*高等學(xué)校博士點(diǎn)學(xué)科專向基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：20090162120034)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：51308550)資助

TU398

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.04.008

龔永智(1978- )：男，博士，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)及橋梁結(jié)構(gòu)