高強(qiáng)不銹鋼絞線網(wǎng)在ECC中的搭接性能

朱俊濤，趙奎，鄒旭巖，王新玲，李可，張哲

(1.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，鄭州 450001；2. 鄭州工程技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院，鄭州 450044)

工程水泥基復(fù)合材料(Engineered Cementitious Composites，ECC)是一種新型的水泥基復(fù)合材料。與普通混凝土相比，由于纖維的橋聯(lián)作用，使其具有拉伸應(yīng)變硬化和多縫開裂的特點(diǎn)，提高了結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力[1]，但強(qiáng)度較低，需要結(jié)合增強(qiáng)材料來充分發(fā)揮其工作性能。普通鋼筋強(qiáng)度低，難以充分發(fā)揮ECC的優(yōu)異性能；纖維編織網(wǎng)性能優(yōu)越，但經(jīng)濟(jì)性和施工性能較差[2-7]。而高強(qiáng)不銹鋼絞線具有強(qiáng)度高、耐久性好及運(yùn)輸、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，常與環(huán)氧樹脂或聚合物砂漿組合用于混凝土結(jié)構(gòu)加固[8]。因此，基于兩種材料(高強(qiáng)不銹鋼絞線、ECC)的優(yōu)點(diǎn)，提出高強(qiáng)不銹鋼絞線網(wǎng)增強(qiáng)ECC這一新型復(fù)合材料[9-11]，既充分發(fā)揮了ECC和高強(qiáng)不銹鋼絞線的優(yōu)點(diǎn)，又克服了相應(yīng)增強(qiáng)材料的缺點(diǎn)。

考慮實(shí)際工程施工，增強(qiáng)材料在基體中需要截?cái)?、搭接，而截?cái)?、搭接削弱了基體對(duì)增強(qiáng)材料的握裹作用，因此，需要對(duì)增強(qiáng)材料的搭接性能進(jìn)行研究，以確保構(gòu)件受力的安全性。學(xué)者們對(duì)增強(qiáng)材料在基體中的搭接性能開展了廣泛研究[12-16]。Choi等[17]通過拉伸試驗(yàn)，研究了不同抗壓強(qiáng)度的混雜纖維增強(qiáng)SHCC中搭接鋼筋的粘結(jié)性能，并考慮搭接長度等多種因素影響，提出局部最大粘結(jié)應(yīng)力和平均粘結(jié)應(yīng)力計(jì)算公式。Metelli等[18]對(duì)纖維混凝土梁交錯(cuò)搭接鋼筋進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出纖維摻量及截面搭接鋼筋百分比對(duì)鋼筋搭接性能的影響規(guī)律。方志等[19]研究了活性粉末混凝土中帶肋鋼筋搭接連接的受力性能，確定了活性粉末混凝土中縱筋的搭接長度?；莼踇20]通試驗(yàn)研究了不同因素(搭接長度、保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度、配箍率以及GFRP筋直徑)對(duì)GFRP筋在混凝土中搭接性能的影響規(guī)律，提出了GFRP筋在混凝土中的搭接粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式及搭接長度計(jì)算公式。

綜上所述，目前對(duì)各種筋材的搭接受力性能、破壞特點(diǎn)以及搭接長度等已有深入研究，中國現(xiàn)行規(guī)范也對(duì)搭接構(gòu)造要求進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定。然而，對(duì)鋼絞線網(wǎng)在ECC中搭接性能鮮有研究。因此，本文以橫向鋼絞線間距、相對(duì)搭接長度、鋼絞線直徑為試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)39個(gè)搭接連接試件進(jìn)行中心對(duì)拉試驗(yàn)，以探究高強(qiáng)不銹鋼絞線網(wǎng)在ECC中的搭接連接性能影響規(guī)律，進(jìn)而確定其臨界搭接長度及相關(guān)構(gòu)造措施。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

共制作了39個(gè)拉拔試件，考慮不同試驗(yàn)工況分為4組，每組3個(gè)試件。試件設(shè)計(jì)圖如圖1所示。圖中，a為試件長度，l0為非粘結(jié)段長度，la為搭接長度，c為試件的厚度。試件設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖1 高強(qiáng)不銹鋼絞線網(wǎng)增強(qiáng)ECC試件圖(mm)Fig.1 Detail diagram of high-strength stainless steel strainer reinforced ECC specimen (mm)

表1 試件參數(shù)Table 1 Parameters of ECC specimen

1.2 加載方式及量測(cè)方案

由于試驗(yàn)機(jī)尺寸限制，搭接試驗(yàn)在圖2所示的自制鋼吊籃中進(jìn)行。試驗(yàn)采用穿心液壓千斤頂進(jìn)行手動(dòng)加載，整個(gè)裝置橫臥式放置，左端為加載端，右端采用兩塊打孔的鋼板對(duì)鋼絞線端頭進(jìn)行固定。在試件上下兩側(cè)放置鋼管保證試件處于裝置中心位置，避免偏心受拉。

圖2 試驗(yàn)裝置及示意圖Fig.2 Test equipment and schematic diagram

試驗(yàn)采用力加載方式，每級(jí)荷載按照5%的最大荷載進(jìn)行遞增。試驗(yàn)時(shí)，鋼絞線被拉斷或者拔出即停止加載。分別測(cè)量加載端B點(diǎn)和C點(diǎn)的相對(duì)位移。考慮AB、CD段受力較大且有一定長度，因此，B、C兩點(diǎn)的實(shí)際位移可用A、D兩點(diǎn)的位移分別去除AB、CD段的變形表示。

AB段變形:

(1)

式中：F為外荷載，即拉拔力；lAB為AB段的長度；ES、AS分別為鋼絞線的彈性模量和實(shí)測(cè)截面面積。

從而可以得到試件左端的實(shí)際滑移Sl。

Sl=SA-SAB

(2)

式中：SA為A點(diǎn)的位移。

試件右端實(shí)際滑移Sr與左端滑移Sl計(jì)算方法相同。

粘結(jié)段的實(shí)際滑移量S：

S=Sl+Sr

(3)

平均粘結(jié)應(yīng)力τ：

(4)

式中：d為鋼絞線的公稱直徑；la為搭接長度。

1.3 材料性能試驗(yàn)結(jié)果

鋼絞線：每種直徑的鋼絞線均取3個(gè)試樣，其拉伸試驗(yàn)結(jié)果取平均值，見表2；其測(cè)得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

表2 鋼絞線材料屬性Table 2 Steel strand material properties

圖3 鋼絞線應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線Fig.3 Stress-strain test curve of steel strand

ECC力學(xué)性能：ECC受壓性能由70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體試塊經(jīng)28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)測(cè)得；其拉伸性能由薄板長條試件的單軸拉伸試驗(yàn)測(cè)得，試件尺寸為280 mm×40 mm×15 mm。ECC受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。其抗壓強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度及對(duì)應(yīng)的伸長率分別為32.45 MPa、2.83 MPa、2.2%。

圖4 ECC拉伸應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線Fig.4 ECC tensile stress-strain test curve

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼絞線搭接的破壞模式分為兩種：鋼絞線拔出破壞和拉斷破壞,其破壞模式如圖5所示。

鋼絞線拔出破壞(P)：A、B1、B2部分試件、C1、C2、D1、D2組試件鋼絞線被拔出。從圖6可以看出，試件加載初期，兩端位移均緩慢增加，隨著荷載增加，荷載-滑移曲線逐漸呈非線性，當(dāng)接近峰值荷載時(shí)，荷載增速放緩，滑移增加較大，達(dá)到峰值荷載后，試件一側(cè)縱向鋼絞線突然被拔出約10 mm，同時(shí)，荷載降至峰值荷載的40%左右。

圖5 試件破壞模式Fig.5 Failure mode of ECC specimens enhanced by high strength stainless steel stranding

圖6 鋼絞線破壞時(shí)的典型荷載-滑移曲線Fig.6 Typical load-slip curve when steel strand breaks

鋼絞線拉斷破壞(R)：B2剩余試件、B3、C3、D3組試件鋼絞線被拉斷。荷載-滑移曲線如圖6所示，試件加載初期，兩端位移均緩慢增加，隨著荷載增加，荷載-滑移曲線逐漸呈非線性，當(dāng)接近峰值荷載時(shí)，荷載增速放緩，滑移增加較大，達(dá)到峰值荷載前，滑移曲線非線性較為明顯。隨后，荷載達(dá)到鋼絞線的極限承載力(4.5、3.2、2.4 mm鋼絞線的極限承載力分別為14.4、7.8、4.3 kN)，整根鋼絞線被拉斷。

搭接試件發(fā)生上述破壞(鋼絞線拔出、鋼絞線拉斷)時(shí)，荷載均迅速下降，破壞過程較為突然，脆性較大。此后，位移計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大偏差，因此，后續(xù)分析中僅考慮滑移曲線的上升段，不再考慮其下降段。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

表3為各試件的試驗(yàn)結(jié)果，從表中可以看出，A、B1、B2部分試件、C1、D1組試件(搭接長度較小)均為鋼絞線拔出破壞。B2剩余試件、B3、C3、D3組試件(搭接長度較長)為鋼絞線拉斷破壞。A組試件(4.5 mm、搭接長度15d)峰值荷載基本接近，但A1組(無橫向鋼絞線)峰值荷載對(duì)應(yīng)的滑移量為2.99 mm；A2-A4(橫向鋼絞線間距為20、30、40 mm)對(duì)應(yīng)的滑移量分別為1.57、2.03、2.48 mm。由此可知，橫向鋼絞線的設(shè)置及間距的改變對(duì)鋼絞線網(wǎng)/ECC搭接時(shí)的峰值荷載影響不大，但隨著橫向鋼絞線間距的減小，各組試件峰值荷載對(duì)應(yīng)的滑移逐漸較小。這表明橫向鋼絞線可以有效約束縱向鋼絞線的滑移，并且隨著橫向鋼絞線間距的減小，約束效果越明顯，但未改變其脆性破壞的性質(zhì)。B1-B3試件(搭接長度由20d增至32d)的峰值荷載由11.6 kN增至14.4 kN，對(duì)應(yīng)的滑移量由2.21 mm增至2.77 mm；C、D組試件類似，表明鋼絞線網(wǎng)的搭接長度對(duì)搭接性能影響較大。搭接長度均為20d的B1、C1、D1這3組試件(鋼絞線網(wǎng)直徑分別為4.5、3.2、2.4 mm)，隨著鋼絞線直徑的增大，峰值荷載由3.84 kN增長11.60 kN，而對(duì)應(yīng)的滑移量由2.38 mm降至2.21 mm，這表明鋼絞線直徑對(duì)其搭接性能影響較大。

表3 試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results

續(xù)表3

3 搭接性能影響因素分析

3.1 橫向鋼絞線及其間距影響分析

圖7為A組試件(錨固長度為15d，A1無橫向鋼絞線，A2、A3、A4間距分別為20、30、40 mm)的荷載-滑移曲線。從圖7中可以看出，A組試件的峰值荷載較為接近，這表明橫向鋼絞線的引入對(duì)搭接時(shí)的粘結(jié)力及搭接時(shí)的極限粘結(jié)應(yīng)力影響不大。但達(dá)到峰值荷載時(shí)，對(duì)應(yīng)的滑移量相差較大，且同級(jí)荷載下對(duì)應(yīng)的縱向鋼絞線滑移量隨著橫向鋼絞線間距的減小而減小。

由試驗(yàn)結(jié)果繪制不同橫向鋼絞線間距(ld)與滑移量(sa)的關(guān)系曲線，如圖8所示。從圖8中可以看出，橫向鋼絞線的間距與峰值荷載對(duì)應(yīng)的滑移量呈正相關(guān)；橫向鋼絞線間距越大，達(dá)到峰值荷載時(shí)的滑移量越大。這表明：對(duì)于搭接試件，橫向鋼絞線可以對(duì)縱向鋼絞線形成有效約束，從而減小其相同載荷下的滑移量；且橫向鋼絞線間距越小，約束作用越明顯。橫向鋼絞線的設(shè)置，對(duì)搭接試件的脆性破壞模式影響不大。該現(xiàn)象主要是由于搭接試件中兩根縱向鋼絞線并排放置，緊密靠攏，與粘結(jié)試件相比，鋼絞線周圍ECC的握裹作用減小，且兩縱向鋼絞線之間的ECC受到雙向擠壓，而橫向鋼絞線對(duì)其緩解作用有限。

圖7 不同橫向鋼絞線間距試件的荷載-滑移曲線Fig.7 Load-slip curve of specimens with different transverse steel wire spacing

圖8 橫向鋼絞線間距(ld)與滑移量(sa)關(guān)系曲線Fig.8 Curve of relationship between transverse steel strand spacing (ld) and slip (sa)

3.2 搭接長度影響分析

由試驗(yàn)結(jié)果可知，搭接長度對(duì)鋼絞線搭接連接性能影響較大，不同搭接長度試件的荷載-滑移曲線如圖9所示。從圖9(a)中可以看出，滑移初期，4.5 mm不同搭接長度的3組試件(搭接長度分別為15d、20d、28d)的滑移量相差不大；從圖9(b)、(c)可以看出，3.2、2.4 mm不同搭接長度的3組試件(搭接長度為20d、22d和25d)，隨著搭接長度的增加，同級(jí)荷載對(duì)應(yīng)的滑移量減小?；坪笃冢S著搭接長度的增加，相同荷載下產(chǎn)生的滑移量減小，但達(dá)到最大荷載時(shí)，滑移量變大。表明隨著搭接長度的增加，“搭接剛度”增加。

圖9 不同搭接長度試件的荷載-滑移曲線Fig.9 Load-slip curves of specimens were enhanced by different bond lengths

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制不同鋼絞線直徑試件相對(duì)搭接長度(la相對(duì)搭接長度是指鋼絞線搭接長度與相應(yīng)鋼絞線直徑的比值，為充分考慮并分析“搭接長度”單一因素對(duì)搭接性能的影響，采用相對(duì)搭接長度。)與滑移量(sa)的關(guān)系曲線，如圖10所示。從圖中可以看出，相對(duì)搭接長度與滑移量呈正相關(guān)，隨著相對(duì)搭接長度的增加，達(dá)到峰值荷載時(shí)的滑移量增大，上升段的斜率也變大。

圖10 相對(duì)搭接長度(la)與滑移量(sa)關(guān)系曲線圖Fig.10 Curve of relative lap length (la) and slip (sa)

不同鋼絞線直徑試件相對(duì)搭接長度(la)與極限粘結(jié)應(yīng)力(τa)的關(guān)系曲線如圖11所示。從圖中可以看出，搭接長度與搭接時(shí)的極限粘結(jié)應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)；搭接長度越長，搭接時(shí)極限粘結(jié)應(yīng)力越低，該現(xiàn)象主要是由于在拉拔過程中沿搭接長度方向的粘結(jié)應(yīng)力分布不均勻，隨著搭接長度的減小，高應(yīng)力區(qū)的相對(duì)長度增加，應(yīng)力較為豐滿，故其極限粘結(jié)應(yīng)力越高，且搭接長度越小，其平均粘結(jié)應(yīng)力越接近真實(shí)粘結(jié)強(qiáng)度。

圖11 相對(duì)搭接長度(la)與極限粘結(jié)應(yīng)力(τa)關(guān)系曲線圖Fig.11 Curve of relative lap length (la) and ultimate bond stress (τa)

3.3 鋼絞線直徑影響分析

橫向鋼絞線間距和搭接長度相同時(shí)，鋼絞線直徑不同的搭接試件的荷載-滑移曲線如圖12所示。從圖中可以看出，隨著鋼絞線直徑的增加，相同荷載下所對(duì)應(yīng)的滑移量減小。且鋼絞線直徑越大，試件極限拉拔力越大。達(dá)到峰值荷載時(shí)，滑移量越小，荷載滑移曲線上升段的斜率越大，“搭接剛度”越大。

圖12 鋼絞線直徑不同試件的荷載-滑移曲線Fig.12 Load-slip curve of steel strand specimens with different diameter

圖13為峰值荷載作用下，滑移量(sa)和極限粘結(jié)應(yīng)力(τa)與鋼絞線網(wǎng)直徑(d)的關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出，鋼絞線直徑與滑移量和極限粘結(jié)應(yīng)力均呈負(fù)相關(guān)。隨著鋼絞線直徑的增大，達(dá)到峰值荷載時(shí)的滑移量越小。鋼絞線直徑越大，搭接時(shí)極限粘結(jié)應(yīng)力越低，該現(xiàn)象主要是由于泊松效應(yīng)，鋼絞線在受拉過程中，鋼絞線沿徑向產(chǎn)生收縮變形降低了兩者的粘結(jié)性能，并隨著鋼絞線直徑增加，泊松效應(yīng)越明顯，鋼絞線產(chǎn)生的徑向變形越大，從而導(dǎo)致鋼絞線與ECC的粘結(jié)強(qiáng)度降低。

圖13 峰值荷載下滑移量(sa)和極限粘結(jié)應(yīng)力(τa)與鋼絞線網(wǎng)直徑(d)的關(guān)系曲線圖Fig.13 Curve of the relationship between the peak load slip (sa) and the ultimate bond stress (τa) and the diameter of the stranded wire mesh (d)

4 臨界搭接長度的確定

由搭接試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)4.5 mm鋼絞線在搭接長度為28d時(shí)，一個(gè)試件為鋼絞線拉斷破壞，兩個(gè)試件為鋼絞線滑移破壞；而搭接長度為32d的試件鋼絞線全部被拉斷。由此，可以將28d作為4.5 mm鋼絞線的臨界搭接長度。同理，3.2、2.4 mm鋼絞線的臨界搭接長度均為25d。

在臨界錨固長度計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，引入修正系數(shù)β，得到臨界搭接長度的計(jì)算公式

(5)

式中：la為臨界搭接長度；d為鋼絞線直徑；fy為鋼絞線極限抗拉強(qiáng)度；ft為ECC極限抗拉強(qiáng)度。

將上述結(jié)果及相關(guān)材性數(shù)據(jù)代入式(5)，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果如圖14所示?；谠囼?yàn)結(jié)果，確定修正系數(shù)β=1.17，近似取為1.2。

圖14 修正系數(shù)擬合Fig.14 Modified coefficient fitting

5 結(jié)論

通過對(duì)4組39個(gè)高強(qiáng)不銹鋼絞線網(wǎng)/ECC試件進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，分析了橫向鋼絞線間距、鋼絞線直徑及搭接長度對(duì)其搭接性能的影響規(guī)律，得出以下主要結(jié)論：

1)對(duì)于搭接試件，橫向鋼絞線的設(shè)置可以約束縱向鋼絞線的滑移；在一定范圍內(nèi)，橫向鋼絞線間距越小，達(dá)到峰值荷載時(shí)滑移量越小，但不會(huì)改變搭接破壞時(shí)的脆性特征。

2)鋼絞線網(wǎng)/ECC搭接時(shí)的極限粘結(jié)應(yīng)力與鋼絞線直徑和搭接長度均成負(fù)相關(guān)。鋼絞線直徑越大及搭接長度越長，搭接時(shí)的極限粘結(jié)應(yīng)力越小。

3)基于試驗(yàn)結(jié)果，確定了鋼絞線網(wǎng)與ECC的臨界搭接長度；并在鋼絞線網(wǎng)/ECC臨界錨固長度計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，提出了引入修正系數(shù)β的搭接長度計(jì)算公式。