疲勞荷載作用下植筋錨固粘結(jié)的滑移性能

閻西康 梁琳霄 梁琛

摘 要： 為研究疲勞荷載對(duì)植筋拉拔承載力、粘結(jié)應(yīng)力的影響，設(shè)計(jì)植筋直徑為16～25 mm、錨固深度為10d～25d（d為植筋直徑）的10組拉拔試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試件經(jīng)200萬(wàn)次荷載上限為0.45Pu的疲勞加載后均未破壞，施加靜載至破壞。加載過(guò)程中測(cè)量植筋的應(yīng)變、滑移和荷載。結(jié)果表明：疲勞荷載削弱了承載能力，試件經(jīng)疲勞荷載作用后極限承載力下降，粘結(jié)應(yīng)力的減小隨循環(huán)加載次數(shù)增加呈對(duì)數(shù)發(fā)展趨勢(shì)。分析了粘結(jié)應(yīng)力與試件破壞形態(tài)的關(guān)系。對(duì)于拔出破壞的試件，達(dá)到一定植筋深度后，膠筋界面的粘結(jié)應(yīng)力是控制試件破壞與否的主要因素。增加植筋直徑和錨固深度，粘結(jié)應(yīng)力峰值逐漸降低，沿錨固長(zhǎng)度的應(yīng)力分布曲線趨于平緩，提高了植筋整體受力性能。

關(guān)鍵詞： 植筋;疲勞荷載;粘結(jié)應(yīng)力;疲勞性能

中圖分類號(hào)：TU375.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ?文章編號(hào)：2096-6717（2020）02-0149-08

Bond slip behavior of post-installed anchorage under fatigue load

Yan Xikang1， Liang Linxiao1， Liang Chen2

（1.School of Civil and Transportation Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， P.R.China;2.China State Construction Land （Tianjin）Co. Ltd， Tianjin 300450， P.R.China）

Abstract：? Through the fatigue test of 10 groups of drawing specimens with diameter of planting reinforcing bar of 16～25mm and embedment depth of 10d～25d （d is diameter of planting reinforcing bar ）， effect of fatigue load on tensile strength and bond stress of anchor bars had been studied.The specimens were not damaged after 2 million times of fatigue loading with an upper limit of 0.45Pu， then applied static load to failure.Strain， slip and load of planted bars are measured during loading.Results demonstrate that the fatigue load weakens tensile strength， and the ultimate load decreases after fatigue loading.The decrease of bond stress has a logarithmic trend with the increase of cyclic loading times.The relationship of the bond stress and the failure form of the specimen is analyzed.It is found that the bond stress at the interface between rebar and chemical adhesive is the main factor to control whether the specimen failure or not when reaching certain embedment depth.Increasing the diameter and embedment depth of anchor bar， the peak of bond stress gradually decreases; the stress distribution curve along the embedment length tends to be gentle， which improves the overall stress performance of the anchor bar.

Keywords： planting reinforcing bar; fatigue load; bonding stress; fatigue behavior

隨著承受疲勞荷載的結(jié)構(gòu)如吊車梁、橋梁等的維修、改造工程日益增多，植筋技術(shù)在這方面的應(yīng)用研究愈加廣泛[1-2]。植入鋼筋的粘結(jié)滑移性能是保證植筋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全的關(guān)鍵因素[3-5]，部分學(xué)者對(duì)靜載作用下植筋與混凝土界面、植筋與植筋膠界面的結(jié)合性能做了一定研究，主要集中在植筋直徑、混凝土材料強(qiáng)度、保護(hù)層厚度、施工質(zhì)量等因素對(duì)植筋粘結(jié)強(qiáng)度的影響[6-7]。Wang等[8-9]對(duì)直徑36～150 mm的螺桿錨固破壞形式進(jìn)行分析，給出了大直徑植筋系統(tǒng)拉拔承載力計(jì)算公式。植筋拉拔試件在高溫環(huán)境中的力學(xué)性能研究表明，溫度對(duì)植筋拉拔滑移的影響較大[10]。Mahrenholtz等[11]給出了不同錨固設(shè)計(jì)方法對(duì)植筋拉拔承載力的影響。

疲勞荷載作用下植筋構(gòu)件的力學(xué)性能與靜載作用下區(qū)別很大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行疲勞計(jì)算[12]，其結(jié)果是否可靠，部分取決于材料動(dòng)力本構(gòu)模型的建立。文獻(xiàn)[13]進(jìn)行了植筋深度在10d～15d（d為植筋直徑）的植筋擬動(dòng)力拉拔試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)動(dòng)力加載后試件延性損失較多。但承受疲勞荷載的構(gòu)件植入深度一般在20d以上，相較于實(shí)際應(yīng)用，植筋結(jié)構(gòu)在疲勞荷載作用下的錨固機(jī)理研究略顯滯后，植筋與植筋膠、植筋膠與混凝土的動(dòng)力粘結(jié)性能尚有待深入研究。

筆者對(duì)疲勞荷載作用下植筋構(gòu)件的膠筋界面粘結(jié)性能進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了10組拉拔試驗(yàn)，研究受拉植筋錨固問(wèn)題，獲得了疲勞荷載作用下植筋試件的荷載 滑移關(guān)系和植入鋼筋與植筋膠間的粘結(jié)力變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)設(shè)計(jì)2個(gè)C30強(qiáng)度、尺寸為1 800 mm×1 000 mm×700 mm的混凝土塊體試件。在每個(gè)混凝土試件頂面，按照《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50367—2013）[14]中植筋鉆孔和間距的要求， 植入10根不同直徑、不同植筋深度的HRB400 級(jí)鋼筋， 一個(gè)試件上的10根植筋用于靜力拉拔試驗(yàn)，另一個(gè)試件上的植筋用于疲勞加載試驗(yàn)。加載方式如圖1所示。

混凝土澆筑時(shí)預(yù)留3塊150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，以測(cè)定立方體抗壓強(qiáng)度。表1、表2給出了試驗(yàn)所用的混凝土和鋼筋的基本參數(shù)。植筋表面均勻布置5個(gè)應(yīng)變片，測(cè)量植筋應(yīng)變，圖2為不同錨固深度的植筋應(yīng)變片布置。為保證應(yīng)變片粘貼牢固，在鋼筋表面預(yù)定位置打磨出面積稍大于應(yīng)變片的平面后，用丙酮清潔鋼筋表面。使用502粘貼劑將應(yīng)變片貼在鋼筋表面后，用紗布蘸取環(huán)氧樹(shù)脂包裹應(yīng)變片，養(yǎng)護(hù)至環(huán)氧樹(shù)脂完全硬化，防止其在植筋施工和后期加載過(guò)程中損壞。混凝土試件澆筑并養(yǎng)護(hù)28 d后，按照文獻(xiàn)[14]要求的鉆孔直徑，在混凝土試件頂面利用水鉆垂直鉆孔，然后，將試件傾斜，向孔內(nèi)泵送壓縮空氣進(jìn)行除塵干燥處理，保證清孔徹底。植筋膠采用德國(guó)慧魚FISEM390S，孔內(nèi)灌注FISEM390S后將鋼筋緩慢旋轉(zhuǎn)植入，鋼筋完全達(dá)到預(yù)定錨固深度時(shí)，孔口有少量植筋膠溢出，確保灌漿飽滿。植入鋼筋后，養(yǎng)護(hù)24 h，利用電液伺服動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行拉拔。在植筋接近混凝土試件上表面的位置固定夾片來(lái)測(cè)量植筋滑移（見(jiàn)圖3）。通過(guò)DH5922N通用型動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)以每秒50個(gè)數(shù)據(jù)的頻率采集應(yīng)變、植筋滑移數(shù)據(jù)，采集設(shè)備如圖4所示。

試件編號(hào)J1～J10施加靜力拉拔荷載。編號(hào)P1～P10施加頻率為6 Hz、加載上限為0.45Pu、加載下限為0.2Pu（Pu為靜載試驗(yàn)測(cè)出的極限荷載）的疲勞拉拔荷載，在循環(huán)次數(shù)達(dá)到1、10、50、100、150萬(wàn)次時(shí)暫停，進(jìn)行一次靜力分級(jí)加載，加載至疲勞上限再卸載，每級(jí)荷載為10 kN。經(jīng)過(guò)200萬(wàn)次疲勞加載后，試件未破壞，采用靜力加載至破壞。疲勞加載使用結(jié)構(gòu)抗震擬動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)jaw-1000/4實(shí)現(xiàn)并自動(dòng)記錄荷載時(shí)程變化。各試件參數(shù)詳見(jiàn)表3。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)

20個(gè)試件的破壞形態(tài)：J4、J7、J10、P4、P7和P10共6個(gè)試件均被拔出，其余試件鋼筋在混凝土表面附近拉斷。

J4、P4植筋被拔出后，植筋膠體較完整地附著在植筋表面，距加載端一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)混凝土呈錐 體破壞，剩余部分膠體表面光滑，符合錐體 粘結(jié)混

破壞特征，如圖5所示（錐體未能完整保留，試驗(yàn)過(guò)程中錐體如圖6所示）。J4混凝土錐體長(zhǎng)度為113 mm，P4混凝土錐體長(zhǎng)度為91 mm。J7、J10、P7、P10為膠筋粘結(jié)破壞，見(jiàn)圖7。J7、P7靠近植筋自由端152、177 mm范圍內(nèi)的膠體破壞，J10、P10靠近植筋自由端124、139 mm范圍內(nèi)的膠體破壞。疲勞試件膠體破壞范圍大于靜力破壞試件。從圖7可看到，鋼筋橫肋間殘留膠體，豎肋兩邊鋼筋表面沒(méi)有膠體粘附，最終破壞形式為膠筋間粘結(jié)破壞。被拉斷的試件最終破壞見(jiàn)圖8。試件的破壞荷載見(jiàn)表3。

2.2 荷載 滑移關(guān)系

試驗(yàn)得到不同試件的荷載 位移關(guān)系，對(duì)比了經(jīng)歷疲勞作用后靜載破壞的試件與未經(jīng)過(guò)疲勞加載的試件破壞過(guò)程的區(qū)別。圖9中疲勞試件的荷載 位移曲線為200萬(wàn)次循環(huán)加載后靜力破壞時(shí)的數(shù)據(jù)。從圖9可見(jiàn)，經(jīng)疲勞荷載作用后，與靜載時(shí)相比，試件的極限荷載分別下降17.58%、18.98%、22.59%、20.10%、12.58%、18.56%、15.32%、5.79%、14.41%、17.39%。試件的荷載滑移圖像首次出現(xiàn)突變時(shí)即植筋出現(xiàn)初滑移，經(jīng)疲勞加載的植筋試件初滑移荷載下降13.73%、19.51%、21.11%、17.49%、20.69%、11.11%、14.63%、8.89%、7.14%、17.65%。對(duì)于拉斷破壞的試件，極限荷載取決于植入鋼筋的極限強(qiáng)度[11]，植筋直徑相同時(shí)，植筋深度增加，極限荷載基本不變，但經(jīng)疲勞加載后極限荷載下降5.79%～22.59%。對(duì)于植筋拔出破壞的試件，錐體粘結(jié)混合破壞和膠筋粘結(jié)破壞的極限荷載遠(yuǎn)低于拉斷破壞的試件：靜載破壞試件，植筋拔出與植筋拉斷的極限荷載相差23.72% ～25.78%;疲勞加載后破壞的試件兩者相差24.46%～ 33.33%。

20個(gè)試件的荷載 滑移關(guān)系可分為兩組：植筋被拉斷的J1、J2、J3、J5、J6、J8、J9和P1、P2、P3、P5、P6、P8、P9的荷載 滑移曲線與普通鋼筋受拉破壞試驗(yàn)的情況類似，可看成線性增長(zhǎng)段、屈服段及下降段。植筋拔出的J4、J7、J10和P4、P7、P10試件曲線分為上升和下降兩個(gè)階段。加載開(kāi)始，滑移和荷載呈線性關(guān)系，為彈性階段，植筋粘結(jié)彈性極限通常為0.75Pu;在彈性比例極限后，曲線進(jìn)入非線性階段，荷載增長(zhǎng)緩慢，滑移增長(zhǎng)加快，植筋拉斷的試件此階段持續(xù)較長(zhǎng)，鋼筋屈服，植筋拔出的試件此階段不明顯，植筋深度較小的試件在曲線上升后直接進(jìn)入下降段;荷載到達(dá)極限后，曲線進(jìn)入下降段，直至鋼筋拉斷或拔出，植筋拔出的試件下降段明顯較長(zhǎng)，在界面破壞后，摩擦力起主要作用，維持較小荷載下試件被緩慢拔出。

J10試件植筋深度和鋼筋直徑最小，由于應(yīng)變片布置較密，導(dǎo)致植筋表面積損失約12.4%，與已有文獻(xiàn)[15]中單調(diào)受拉試驗(yàn)結(jié)果破壞特征一致，但極限荷載下降9.61%。J7、J4試件植筋表面積損失約7.9%和6.3%，極限荷載也有所降低。相應(yīng)地，P10、P7、P4的荷載結(jié)果也應(yīng)考慮約10%～5%的折減。其他試件的植筋表面積損失比例很低，可忽略這種不利影響。

hf= fyD 4τu? （10）

式中：fy為植筋的屈服強(qiáng)度，MPa。

則Su=0.054hf-9.580 （11）

初滑移值S0為

S0=0.202Su-0.086 （12）

殘余滑移值Sr為

Sr=1.404Su+23.337 （13）

根據(jù)上述確定的特征值，利用文獻(xiàn)[17]給出的方法，得到疲勞荷載作用下膠筋界面粘結(jié)滑移關(guān)系式，見(jiàn)式（14）。

τ= α S Su τu? ? ? ? ? ? ? ? （0

τu （0.82-0.05） S Su +0.19+0.05α? （S0

τu 0.87S+0.17Su-β Su-β? （Su

式中：Su為極限荷載Pu對(duì)應(yīng)的滑移;α、β為回歸系數(shù)，與植筋直徑、植筋深度、疲勞加載幅度相關(guān)。

表5給出了幾個(gè)特征點(diǎn)試驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比，兩者之差控制在8.26%以下，式（14）結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較好。

3 結(jié)論

1）植筋深度為10d～25d的植筋拉拔試件在經(jīng)歷200萬(wàn)次荷載幅度為0.2Pu～0.45Pu的疲勞荷載后，破壞形態(tài)不發(fā)生改變，但極限荷載和初滑移荷載明顯下降。植筋錨固長(zhǎng)度大于10d的試件為鋼筋拉斷，其形態(tài)與普通鋼筋拉拔破壞類似，具有3階段特征。植筋深度為10d的試件拉拔至破壞圖像只有上升、下降兩階段，鋼筋遠(yuǎn)未達(dá)到屈服。

2）疲勞拉拔試件粘結(jié)應(yīng)力降低隨循環(huán)加載次數(shù)增加呈對(duì)數(shù)趨勢(shì)，破壞特征不同對(duì)粘結(jié)應(yīng)力下降趨勢(shì)基本沒(méi)有影響。

3）鋼筋與植筋膠間的粘結(jié)應(yīng)力沿植筋深度變化并不勻稱，粘結(jié)應(yīng)力峰值隨荷載增加逐漸向植筋末端轉(zhuǎn)移，應(yīng)力大小分布也逐漸均勻。增加植筋直徑和植筋深度可提高試件整體受力性能。被拔出的試件最終因膠筋界面粘結(jié)應(yīng)力達(dá)到極限導(dǎo)致試件破壞，拉斷的試件粘結(jié)應(yīng)力未達(dá)到極限值。

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（編輯 胡玲）

收稿日期：2018-11-12

基金項(xiàng)目：? 河北省建設(shè)科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃（2014-124）

作者簡(jiǎn)介：? 閻西康（1966- ），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事工程結(jié)構(gòu)加固與維修、工程施工新技術(shù)研究，E-mail： tjsyxk@163.com。

Received： 2018-11-12

Foundation items：? Hebei Construction Department Project （No. 2014-124）

Author brief：? Yan Xikang （1966- ）， professor， doctoral supervisor， main research interests： new technology of structure reinforcement， maintenance and construction， E-mail： tjsyxk@163.com