鋼筋混凝土粘結(jié)滑移研究現(xiàn)狀★

李國(guó)一 李 敏* 牛海英 張壯壯

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116000)

鋼筋混凝土粘結(jié)滑移研究現(xiàn)狀★

李國(guó)一 李 敏* 牛海英 張壯壯

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116000)

鋼筋混凝土之間的粘結(jié)性能是兩種材料組合在一起共同工作的基礎(chǔ),總結(jié)了國(guó)內(nèi)外大量有關(guān)鋼筋混凝土粘結(jié)滑移性能研究的文獻(xiàn)，介紹了鋼筋與混凝土粘結(jié)滑移性能研究中影響因素和滑移本構(gòu)等問(wèn)題，同時(shí)對(duì)粘結(jié)滑移性能的研究成果進(jìn)行了分析。

鋼筋混凝土,本構(gòu)關(guān)系,粘結(jié)性能,粘結(jié)單元

0 引言

鋼筋與混凝土是性質(zhì)不同的兩種材料，但兩者能組合在一起工作，除了線膨脹系數(shù)相同以外，共同工作的基礎(chǔ)是鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能。化學(xué)膠著力、摩擦力和機(jī)械咬合力是粘結(jié)應(yīng)力的三大組成部分。有關(guān)粘結(jié)滑移性能的試驗(yàn)探究很多，但是由于不同學(xué)者采用的試驗(yàn)儀器、試驗(yàn)方法、試件制備以及試驗(yàn)人員等因素的不同，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果存在不一致，甚至?xí)霈F(xiàn)相反的結(jié)論。本文主要從影響因素和本構(gòu)關(guān)系等方面對(duì)鋼筋混凝土粘結(jié)滑移性能進(jìn)行了探討。

1 粘結(jié)滑移的主要影響因素

1.1 混凝土強(qiáng)度及組成[1]

鋼筋與混凝土之間的機(jī)械咬合力和化學(xué)膠著力會(huì)隨著混凝土強(qiáng)度的提高而增大，即粘結(jié)強(qiáng)度增大。有些試驗(yàn)還表明，粘結(jié)強(qiáng)度還會(huì)受到混凝土中水灰比、水泥用量等因素的影響。

1.2 鋼筋位置、受力方向和混凝土澆筑方向[2]

對(duì)于平位澆筑，鋼筋下方混凝土有下沉和泌水現(xiàn)象，與鋼筋接觸不緊密，故粘結(jié)強(qiáng)度降低。對(duì)變形鋼筋，當(dāng)混凝土硬結(jié)方向與鋼筋受力方向相同，則相對(duì)滑動(dòng)增大，粘結(jié)應(yīng)力降低。

1.3 鋼筋周圍約束條件

混凝土保護(hù)層厚度、縱筋間距、橫向配筋以及配筋率等都屬于鋼筋周圍約束條件。鋼筋周圍約束條件直接影響鋼筋混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度，例如保護(hù)層厚度主要是通過(guò)相對(duì)保護(hù)層c/d來(lái)起作用的，隨著c/d的增大，可以提高混凝土抗劈裂的能力，從而提高粘結(jié)強(qiáng)度；研究表明，配筋率較小的構(gòu)件，粘結(jié)作用可忽略，配筋率較大的構(gòu)件，應(yīng)考慮粘結(jié)作用對(duì)構(gòu)件受力性能的影響。

1.4 應(yīng)變率的影響

1962年美國(guó)學(xué)者Robert J Hansen[3]對(duì)鋼筋混凝土粘結(jié)性能進(jìn)行了動(dòng)載下拉拔試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)得到了混凝土和變形鋼筋之間粘結(jié)強(qiáng)度隨應(yīng)變率提高而增大的結(jié)論，因?yàn)闆](méi)有定量的分析，在實(shí)際分析和應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)。

2001年洪小健[4]試驗(yàn)研究了加載率對(duì)鋼筋混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，粘結(jié)強(qiáng)度隨應(yīng)變率的提高而增大，洪小健給出了兩點(diǎn)原因：1)應(yīng)變滯后效應(yīng)；2)混凝土材料的動(dòng)力特性。

河海大學(xué)鄭曉燕等[5,6]試驗(yàn)研究了應(yīng)變率、鋼筋錨固程度及銹蝕程度對(duì)粘結(jié)滑移性能的影響，得到粘結(jié)力隨應(yīng)變速率提高而增大的結(jié)論。

2016年李敏等[7]基于ABAQUS非線性有限元軟件，采用非線性彈簧單元Spring2，對(duì)比分析了應(yīng)變速率對(duì)鋼筋混凝土粘結(jié)滑移性能的影響。通過(guò)數(shù)值計(jì)算結(jié)論如下：隨應(yīng)變率提高最大粘結(jié)力增大，鋼筋末端滑移量增大。

2 粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系

鋼筋混凝土之間的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系是鋼筋混凝土非線性數(shù)值分析的核心問(wèn)題，因此國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者采用多種試驗(yàn)方法和量測(cè)手段進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，得到了很多的成果，但由于影響鋼筋混凝土粘結(jié)作用的因素諸多，同時(shí)由于試驗(yàn)手段、儀器和試件等存在不同，試驗(yàn)結(jié)果差異也較大。目前鋼筋混凝土粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系常用的主要有以下幾種：

1)Nilson[8]加入了混凝土、鋼筋以及鋼筋與混凝土粘結(jié)滑移等非線性本構(gòu)關(guān)系對(duì)鋼筋混凝土梁試件進(jìn)行數(shù)值分析，還對(duì)裂縫進(jìn)行了模擬。

Nilson擬合公式如下：

τ=9.8×102s-5.74×104s2+0.836×106s3。

其中，τ為粘結(jié)應(yīng)力，MPa;s為滑移量，mm。

2)Houde和Mirza[9]考慮粘結(jié)應(yīng)力與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合得到公式：

其中，τ為粘結(jié)應(yīng)力,MPa；s為滑移量,mm。

3)東南大學(xué)狄生林[10]根據(jù)梁式試件剪跨內(nèi)測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合公式為：

τ=6.59×102s-2.13×104s2+0.22×106s3。

其中，τ為粘結(jié)應(yīng)力,MPa；s為滑移量,mm。

4)徐有鄰[11]考慮了保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度、鋼筋直徑、配筋率以及錨固長(zhǎng)度等諸多因素對(duì)粘結(jié)性能的影響，采用五段式來(lái)描述粘結(jié)滑移曲線，同時(shí)考慮用一個(gè)位置函數(shù)表示不同錨固深度處的變化，建立相應(yīng)的粘結(jié)滑移曲線：

。

其中，φ(x)是用來(lái)描述不同錨固深度處的粘結(jié)滑移關(guān)系；φ(s)為粘結(jié)滑移表達(dá)式；la為粘結(jié)錨固長(zhǎng)度。

5)GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范給出了混凝土與熱軋帶肋鋼筋之間的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系曲線：

線性段:τ=k1s,0≤s≤scr；

劈裂段:τ=τcr+k2(s-scr),scr

下降段:τ=τa+k3(s-su),sa

殘余段:τ=ft,r,s>sr；

卸載段:τ=τan+k1(s-sun)。

其中，τ為粘結(jié)應(yīng)力，MPa；s為滑移，mm；k1為線性段斜率，k1=τcr/scr；k2為劈裂段斜率，k2=(lu-τcr)/(su-scr)；k3為下降段斜率，k3=(τr-τu)/(sr-su)；τan為卸載點(diǎn)的粘結(jié)應(yīng)力，MPa；sun為卸載點(diǎn)的相對(duì)滑移，mm。

比較上述粘結(jié)滑移經(jīng)驗(yàn)公式，1)～3)中的公式形式非常簡(jiǎn)潔，應(yīng)用也比較方便，缺點(diǎn)是不能反映諸多粘結(jié)滑移的影響因素，只能適應(yīng)于特定結(jié)構(gòu)在特定錨固下的情形。4),5)中的公式形式復(fù)雜，適用比較困難，但全面反映了各種因素對(duì)于粘結(jié)滑移性能的影響。

總之，粘結(jié)滑移性能受到諸多因素的影響，很難得到統(tǒng)一實(shí)用而又表達(dá)簡(jiǎn)潔的公式。因此，在進(jìn)行有限元數(shù)值模擬時(shí)，應(yīng)盡量選擇符合模擬情況的本構(gòu)關(guān)系，對(duì)于一些特殊的粘結(jié)問(wèn)題，還應(yīng)進(jìn)行單獨(dú)的試驗(yàn)研究，作為數(shù)值模擬的參考標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語(yǔ)

1)關(guān)于鋼筋混凝土粘結(jié)滑移性能的試驗(yàn)有很多，大多為靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)條件下的試驗(yàn)研究，對(duì)于一些有抗震要求的結(jié)構(gòu)還需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)條件下的研究。但粘結(jié)滑移的影響因素眾多，想要得到一個(gè)簡(jiǎn)單通用的公式十分困難，因此，對(duì)于一些特殊的粘結(jié)滑移問(wèn)題需要進(jìn)行單獨(dú)的試驗(yàn)研究。

2)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，應(yīng)用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行鋼筋混凝土粘結(jié)滑移性能研究變得越來(lái)越重要。采用有限元數(shù)值模擬，主要存在兩方面的問(wèn)題，一是粘結(jié)滑移本構(gòu)的選取。由于影響粘結(jié)滑移性能的因素比較多，至今未見(jiàn)通用的粘結(jié)滑移表達(dá)式，但對(duì)于特殊問(wèn)題可以進(jìn)行試驗(yàn)，擬合相關(guān)的本構(gòu)關(guān)系式。二是粘結(jié)單元的選取，目前通用的幾種粘結(jié)單元基本可以滿足數(shù)值模擬要求。

[1] 陳璽文.鋼筋混凝土粘結(jié)性能有限元分析[D].天津：天津大學(xué)，2010.

[2] 趙 明，蘇三慶.鋼筋混凝土粘結(jié)滑移相關(guān)問(wèn)題[J].施工技術(shù)，2009(38)：52-54.

[3] Shah，indravadan K.Behavior of bond under dynamic loading[J].ACI Journal Proceedings,1962,19(4):563-584.

[4] 洪小健.不同加載速度下的銹蝕鋼筋與混凝土粘結(jié)滑移試驗(yàn)研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2001.

[5] 鄭曉燕,吳勝興,劉龍強(qiáng).動(dòng)荷載作用下鋼筋與混凝土粘結(jié)錨固試驗(yàn)研究[J].混凝土與水泥制品,2002(6):27-30.

[6] 鄭曉燕，吳興盛.動(dòng)荷載下銹蝕鋼筋混凝土粘結(jié)滑移特性的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2006,39(6)：42-46,65.

[7] 李 敏,蔡 杰,陳鳳山.鋼筋混凝土動(dòng)態(tài)粘結(jié)性能數(shù)值模擬[J].山西建筑,2016，42(7):20-22.

[8] Nilson AN.Internal measurement of bond-slip[J].ACI，1972,69(7)：439-441.

[9] Mirza S M,Honde J.Study of bond stress-slip relationships in reinforced concrete[J].ACI,1979,76(1):19-46.

[10] 狄生林.鋼筋混凝土梁的非線性有限元分析[J].南京工學(xué)院學(xué)報(bào),1984(2):87-96.

[11] 徐有鄰.變形鋼筋粘結(jié)錨固性能的試驗(yàn)研究[D].北京：清華大學(xué)，1990.

Abstract: The paper indicates the bond performance of reinforced concrete is the basement for the joint of the two kinds of materials, sums up the literature for the bond slip performance of the reinforced concrete at home and abroad, introduces the influential factors and slip in the research on the reinforced and concrete bond concrete, and analyzes the research result of the bond slip performance.

Keywords: reinforce concrete, constitutive relation, bond performance, bond unit

Researchonbondslipofreinforcedconcrete★

LiGuoyiLiMin*NiuHaiyingZhangZhuangzhuang

(CollegeofMarineandCivilEngineering,DalianOceanUniversity,Dalian116000,China)

1009-6825(2017)25-0034-03

TU502

A

2017-06-26★:本文系國(guó)家自然科學(xué)基金(51308085)資助

李國(guó)一(1992- ),男，在讀碩士； 牛海英(1979- )，女，副教授

李 敏(1981- ),女，博士，講師