鋼筋肋外形對(duì)粘結(jié)錨固性能影響的研究

王 青 向 玄 徐 港 曾 俊

(1.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443002;2.三峽大學(xué) 防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 宜昌443002)

鋼筋與混凝土的粘結(jié)是鋼筋與外圍混凝土的一種復(fù)雜的相互作用,通過(guò)它來(lái)傳遞二者之間的應(yīng)力,協(xié)調(diào)變形[1],是兩種材料組成構(gòu)件協(xié)同工作的基本前提.粘結(jié)力大小主要受混凝土強(qiáng)度、保護(hù)層厚度、鋼筋直徑及類型等因素影響.對(duì)此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已有較廣泛的研究,但值得一提的是少數(shù)研究表明[2]變形鋼筋表面的肋高增大、肋間距減小,都使得給定滑移量下的粘結(jié)應(yīng)力增大,然而不同國(guó)家或地區(qū)所生產(chǎn)變形鋼筋的肋外形差別較大,就橫肋形狀而言,中、美等國(guó)采用月牙肋[3-4],日本、韓國(guó)及我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)則多采用竹節(jié)肋[5].為此,本文通過(guò)精細(xì)化建模,對(duì)兩類帶肋鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能進(jìn)行了仿真分析,從鋼筋和混凝土兩類材料的受力特征、粘結(jié)強(qiáng)度及特征滑移量等方面探討了竹節(jié)肋與月牙肋鋼筋粘結(jié)性能的異同.

1 仿真模型建立

1.1 模型設(shè)計(jì)

參考中心拉拔試驗(yàn)試件[6]建立模型,設(shè)計(jì)尺寸為100 mm×100 mm×180 mm,中心內(nèi)置變形鋼筋,如圖1所示.考慮到混凝土強(qiáng)度和鋼筋肋形狀差異的影響[7-9],設(shè)有5類試件,見(jiàn)表1.

圖1 中心拉拔試驗(yàn)試件

表1 拉拔仿真試件

為了消除加載端的局部擠壓效應(yīng)和自由端的“拱效應(yīng)”[10],在兩端分別設(shè)置40 mm的無(wú)粘結(jié)區(qū)段.考慮到鋼筋界面區(qū)域混凝土強(qiáng)度有所下降,參考文獻(xiàn)[11-12]假定混凝土與鋼筋接合界面上存在一抗壓強(qiáng)度較為脆弱的碎裂帶,厚度為10 mm,如圖1所示,即仿真模型由鋼筋、過(guò)渡帶及外包混凝土組成.為保證分析精度并兼顧計(jì)算效率,帶肋鋼筋及過(guò)渡帶采用C3D10(十節(jié)點(diǎn)二次四面體單元),其余部分混凝土采用C3D8R(八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元).

結(jié)合中心拉拔試件加載端面混凝土受壓的受力特征,如圖2所示,將仿真模型的混凝土加載端面設(shè)為固定約束,鋼筋與混凝土之間的相互作用采用綁定關(guān)系,有限元模型如圖3所示.

圖2 單向拉拔實(shí)驗(yàn)

圖3 中心拉拔試件三維有限元模型

1.2 鋼筋建模

鋼筋模型由基圓、橫肋和縱肋三部分組成,縱、橫肋形狀及尺寸,見(jiàn)表2,分別參考中國(guó)[3]和韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)[5]建模.因韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有名義直徑20 mm的鋼筋,為了便于比較,則分別建立了名義直徑20 mm的竹節(jié)肋鋼筋和符合韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)且最接近中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)尺寸的名義直徑19.1 mm的竹節(jié)肋鋼筋模型,如圖4所示.

表2 帶肋鋼筋尺寸參數(shù) (單位:mm)

圖4 鋼筋橫肋實(shí)體模型

1.3 材料參數(shù)

混凝土標(biāo)準(zhǔn)伴隨試件(150 mm×150 mm×150 mm)的抗壓強(qiáng)度平均值取文獻(xiàn)[13]試驗(yàn)值,依據(jù)公式(3)計(jì)算得到混凝土彈性模量,其中過(guò)渡帶的抗壓強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)伴隨試件的0.85[11];泊松比取0.2.依據(jù)我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定混凝土單軸受拉受壓應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系,計(jì)算得到ABAQUS輸入的混凝土的損傷塑性本構(gòu)模型的參數(shù)[14].受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的塑性起點(diǎn)的計(jì)算參考公式(4).HRB400帶肋鋼筋的彈模、泊松比與屈服強(qiáng)度的確定方法參考文獻(xiàn)[3].

混凝土塑性損傷模型的其他參數(shù)參照文獻(xiàn)[15]進(jìn)行選取,除此之外,CDP模型中的計(jì)算參數(shù)還包括ψ、bb0/fco、Kc及μ.參考文獻(xiàn)[16-17],各參數(shù)取值見(jiàn)表3.

表3 混凝土塑性損傷模型其他參數(shù)

2 仿真模型校驗(yàn)

2.1 混凝土劈裂特性

仿真分析表明,鋼筋肋前混凝土受壓、肋后混凝土受拉與實(shí)際相符.如圖5(a)所示,由過(guò)渡帶混凝土主應(yīng)力云圖可以看到鋼筋肋頂處產(chǎn)生了應(yīng)力集中帶,且因橫肋與混凝土擠壓作用,肋頂產(chǎn)生斜裂紋,與試驗(yàn)及理論分析結(jié)果(如圖5(b))一致.

圖5 試件N-1過(guò)渡帶混凝土仿真結(jié)果與理論分析肋頂斜裂紋方位對(duì)比

2.2 粘結(jié)性能

仿真模型N-1基于文獻(xiàn)[13]試驗(yàn)試件建立,將仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析,如圖6所示,可見(jiàn):①粘結(jié)強(qiáng)度的仿真值為8.96 MPa,與試驗(yàn)值9.67 MPa較為接近;②在荷載峰值前的上升段,試驗(yàn)曲線和仿真曲線趨勢(shì)基本一致,但由于仿真中忽略了鋼筋肋間混凝土的局部滑移,下降段有一定的偏差.

圖6 平均粘結(jié)-滑移曲線

3 仿真結(jié)果分析

3.1 受力特性分析

根據(jù)仿真結(jié)果,試件在1mm軸向位移下混凝土表面的主應(yīng)力云圖,如圖7所示.

圖7 混凝土表面位移圖(單位:mm)

混凝土在加載端附近發(fā)生橫向膨脹,在自由端附近發(fā)生橫向收縮,這是壓應(yīng)力線在加載端與鋼筋平行,自由端與鋼筋垂直的緣故.通過(guò)ABAQUS測(cè)量工具,得出側(cè)向變形的平均值,月牙肋試件、名義直徑20 mm竹節(jié)肋試件分別為:0.251 mm,、0.281 mm,月牙肋試件的側(cè)向變形略小于名義直徑20 mm竹節(jié)肋試件.

如圖8所示,各截面深度沿拉拔方向的混凝土應(yīng)變值從加載端到自由端依次減小(圖中以壓應(yīng)變?yōu)檎?,且距離混凝土外表面越遠(yuǎn)(離界面越近),沿錨固長(zhǎng)度混凝土的應(yīng)變變化率越大,應(yīng)變的下降的速度越快.同時(shí)由于鋼筋橫肋的存在,導(dǎo)致30 mm處混凝土應(yīng)變的分布極不均勻,呈鋸齒狀分布;對(duì)比圖8兩種試件在距試件表面30 mm處的混凝土應(yīng)變,名義直徑20 mm竹節(jié)肋試件的應(yīng)變變化率更大,更易產(chǎn)生裂縫以及使混凝土被擠碎.

圖8 混凝土各截面深度在不同工況下沿拉拔方向微應(yīng)變分布

名義直徑20 mm竹節(jié)肋試件肋前混凝土受壓較為嚴(yán)重,沿拉拔力方向提取距混凝土表面48.75 mm的過(guò)渡帶混凝土應(yīng)力,如圖9所示(圖中以壓應(yīng)力為負(fù)).由于擠壓力產(chǎn)生楔作用,過(guò)渡帶肋前混凝土受壓、肋后受拉.對(duì)比兩種試件的應(yīng)力分布,二者肋后混凝土受到的拉應(yīng)力相差不大,名義直徑20 mm竹節(jié)肋試件損傷帶的肋前混凝土受壓較為嚴(yán)重.

圖9 過(guò)渡帶混凝土在不同工況下沿拉拔方向應(yīng)力分布

3.2 平均粘結(jié)-滑移關(guān)系分析

提取不同時(shí)刻加載端面的反作用力,再通過(guò)公式(1)、(2)分別求出每級(jí)荷載下的平均粘結(jié)力和平均滑移值,繪制兩者相關(guān)曲線,如圖10所示,獲取各類試件的粘結(jié)強(qiáng)度及相應(yīng)的滑移值,見(jiàn)表4.

圖10 平均粘結(jié)-滑移曲線

表4 試件粘結(jié)強(qiáng)度

1)混凝土強(qiáng)度的影響

早期的普通強(qiáng)度混凝土的粘結(jié)試驗(yàn),及近年來(lái)有關(guān)高強(qiáng)變形鋼筋和高強(qiáng)度混凝土的粘結(jié)試驗(yàn)結(jié)果都表明,隨混凝土強(qiáng)度提高,粘結(jié)強(qiáng)度提高[2].由圖10知,混凝土強(qiáng)度由C30變?yōu)镃40,不同試件的極限粘結(jié)應(yīng)力均有所提高.但月牙肋與竹節(jié)肋試件粘結(jié)強(qiáng)度差值不隨混凝土強(qiáng)度升高有明顯變化.同時(shí)混凝土強(qiáng)度增加,兩種試件τ-s曲線的上升、下降段趨勢(shì)基本一致.所以月牙肋與竹節(jié)肋鋼筋外形對(duì)強(qiáng)度、剛度、延性的影響與混凝土強(qiáng)度差異關(guān)系不大.

2)相對(duì)肋面積、肋間距的影響

不同肋外形對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度、剛度有影響.由表4可看出月牙肋試件N-1較名義直徑20 mm竹節(jié)肋試件N-2的極限粘結(jié)應(yīng)力降低了3.5%;由圖10可以看出在相同粘結(jié)應(yīng)力下月牙肋試件滑移量比名義直徑20 mm竹節(jié)肋試件大.N-1、N-2試件擁有相同的肋高與肋間距,造成月牙肋試件粘結(jié)強(qiáng)度、剛度降低的主要原因是其外形相應(yīng)的機(jī)械咬合力較小.

若肋外形一致,則剛度與橫肋間距成反比.名義直徑20 mm竹節(jié)肋試件N-2與韓標(biāo)試件擁有相同的肋外形,但韓標(biāo)試件滑移開始較早,發(fā)展較快,在相同粘結(jié)應(yīng)力下韓標(biāo)試件滑移量比N-2試件大,剛度比N-2試件小.滑移量反映了肋間混凝土咬合齒變形、裂縫、破碎的發(fā)展情況,而肋間混凝土尺寸與肋間距息息相關(guān).筆者認(rèn)為,韓標(biāo)竹節(jié)肋鋼筋剛度較低的主要原因是它的肋間距較名義直徑20 mm竹節(jié)肋試件更大.

以上分析從肋外形或肋間距上分析了其對(duì)粘結(jié)錨固性能的影響,但中國(guó)鋼筋與韓國(guó)鋼筋的粘結(jié)錨固性能差異是肋外形及肋間距綜合作用的結(jié)果.對(duì)先前研究的回顧[18-20]表明相對(duì)肋面積是影響粘合強(qiáng)度和剛度的綜合參數(shù).Giovanni Metelli[21]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)歐洲規(guī)范所要求的相對(duì)肋面積最小值的偏安全,可適當(dāng)降低.所以相對(duì)肋面積能綜合評(píng)價(jià)中國(guó)、韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)下的鋼筋粘結(jié)性能,不同鋼筋相對(duì)肋面積的參數(shù)見(jiàn)表4.相對(duì)肋面積越大,粘結(jié)強(qiáng)度越高,但剛度主要受肋間距控制.由表4知,月牙肋試件的極限粘結(jié)應(yīng)力比韓標(biāo)竹節(jié)肋試件減少1.6%,擁有較大相對(duì)肋面積的韓標(biāo)竹節(jié)肋鋼筋在強(qiáng)度表現(xiàn)上更優(yōu)越.這是由于韓標(biāo)試件的相對(duì)肋面積大于月牙肋試件,導(dǎo)致其劈裂抗力、機(jī)械咬合力較大.但擁有較大相對(duì)肋面積的韓標(biāo)竹節(jié)肋試件在相同粘結(jié)應(yīng)力下滑移量比月牙肋大,剛度比月牙肋試件小,且韓標(biāo)試件的τ-s曲線下降段較陡,延性較差.可見(jiàn),肋間距(韓標(biāo)比國(guó)標(biāo)大25%)是影響試件剛度、延性的主要原因,肋間距越大,剛度和延性越低.

4 結(jié) 論

1)名義直徑20 mm竹節(jié)肋試件較月牙肋試件越靠近鋼筋處混凝土應(yīng)變變化率越大;其肋前混凝土受壓也更嚴(yán)重.

2)月牙肋與竹節(jié)肋鋼筋對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度、剛度的影響與混凝土強(qiáng)度差異關(guān)系不大.

3)在肋間距一致情況下,名義直徑20 mm竹節(jié)肋鋼筋較月牙肋鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度更高、剛度更大.鋼筋肋外形一致時(shí),剛度與橫肋間距成反比,擁有較小肋間距的名義直徑20 mm竹節(jié)肋鋼筋比韓標(biāo)鋼筋剛度更大.

4)韓標(biāo)竹節(jié)肋鋼筋擁有較大的相對(duì)肋面積,其強(qiáng)度也較高.但剛度主要受肋間距控制,韓標(biāo)試件的肋間距較月牙肋試件高25%,其剛度劣于月牙肋試件.