鋼筋與UHPC黏結(jié)性能研究進(jìn)展*

馬福棟

(1.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 200032；2.上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200032)

0 引言

超高性能混凝土(UHPC)是一種具有高強(qiáng)度、高韌性和高耐久性的水泥基復(fù)合材料，與鋼筋組合可充分發(fā)揮鋼筋抗拉性能和UHPC抗壓性能。鋼筋與UHPC黏結(jié)性能是二者協(xié)同受力、共同工作的關(guān)鍵，是鋼筋在UHPC中的錨固、搭接長(zhǎng)度設(shè)置及裂縫控制的基礎(chǔ)。

UHPC高強(qiáng)度和高韌性有利于提高其與鋼筋的黏結(jié)性能。與普通混凝土相比，UHPC中無(wú)粗骨料而有鋼纖維，鋼纖維可增強(qiáng)UHPC對(duì)鋼筋的握裹作用。因此，鋼筋與UHPC黏結(jié)機(jī)理和普通鋼筋混凝土存在差異，現(xiàn)有普通鋼筋混凝土黏結(jié)理論難以適用。

黏結(jié)性能涉及黏結(jié)強(qiáng)度、錨固(搭接)長(zhǎng)度和黏結(jié)-滑移性能等，相關(guān)的計(jì)算方法主要依賴試驗(yàn)結(jié)果擬合，合理的試驗(yàn)方法對(duì)黏結(jié)性能的研究至關(guān)重要。本文對(duì)鋼筋與UHPC黏結(jié)性能的試驗(yàn)方法、黏結(jié)強(qiáng)度、錨固(搭接)長(zhǎng)度及黏結(jié)-滑移本構(gòu)模型的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，供相關(guān)研究的進(jìn)一步開(kāi)展作為參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 單根鋼筋拔出試驗(yàn)

研究鋼筋混凝土黏結(jié)性能最常用的試驗(yàn)方法為單根鋼筋拔出試驗(yàn)(見(jiàn)圖1)。許多學(xué)者采用該方法研究了鋼筋與UHPC黏結(jié)機(jī)理、影響因素、黏結(jié)強(qiáng)度和黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系[1-8]。這種方法簡(jiǎn)單易行，但加載時(shí)錨固試件鋼筋受拉，周圍UHPC受壓，會(huì)對(duì)錨固鋼筋形成“拱效應(yīng)”，與實(shí)際構(gòu)件受力狀態(tài)不符；錨固試件加載端受到約束產(chǎn)生的端部約束會(huì)限制UHPC開(kāi)裂[3]。這些因素影響了鋼筋與UHPC黏結(jié)破壞模式，測(cè)得的黏結(jié)強(qiáng)度偏高[9]。

圖1 單根鋼筋拔出試驗(yàn)

1.2 梁式試驗(yàn)

采用梁式試件研究鋼筋與UHPC黏結(jié)性能和實(shí)際搭接受力狀態(tài)最為相符[10]。Al-Quraishi等[11]和Saleem等[2]采用梁式搭接試件(見(jiàn)圖2a)對(duì)鋼筋與UHPC黏結(jié)性能和搭接長(zhǎng)度進(jìn)行了研究。賈方方[8]采用梁式錨固試件(見(jiàn)圖2b)與單根鋼筋拔出試件進(jìn)行對(duì)比分析，研究了鋼筋與UHPC黏結(jié)錨固性能。由于梁式試件制作和加載過(guò)程較復(fù)雜，工作量大，因此，相關(guān)研究成果較少。

圖2 梁式試驗(yàn)

1.3 鋼筋搭接對(duì)拉拔出試驗(yàn)

鋼筋搭接對(duì)拉拔出試驗(yàn)?zāi)茌^好地反映實(shí)際構(gòu)件鋼筋搭接力狀態(tài)。目前主要有2種試驗(yàn)方法：①2根鋼筋偏心搭接對(duì)拉拔出試驗(yàn)(見(jiàn)圖3a)。方志等[12]和馬福棟等[13]采用這種試驗(yàn)方法研究了鋼筋與UHPC黏結(jié)性能。但此試驗(yàn)方法中2根鋼筋不同軸，加載時(shí)試件會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，即使試件兩側(cè)設(shè)置限位鋼塊也難以完全避免。②鋼筋對(duì)稱搭接對(duì)拉拔出試驗(yàn)。Maya等[14]采用3根鋼筋對(duì)稱搭接試件(見(jiàn)圖3b)研究了鋼絞線在UHPC中的搭接性能；Lagier等[15]采用4根鋼筋對(duì)稱搭接試件(見(jiàn)圖3c)研究了鋼筋與UHPC黏結(jié)性能，既消除了試件轉(zhuǎn)動(dòng)影響，又避免了拱效應(yīng)和端部約束。

圖3 鋼筋搭接對(duì)拉拔出試驗(yàn)

1.4 其他試驗(yàn)方法

Yuan等[16]采用如圖4所示試驗(yàn)方法研究鋼筋與UHPC黏結(jié)性能，此方法較簡(jiǎn)單，無(wú)法測(cè)得鋼筋自由端滑移量，無(wú)法進(jìn)一步研究鋼筋與UHPC黏結(jié)-滑移曲線。Ronanki等[17]采用如圖5所示試件進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，這種試件制作精度要求較高，對(duì)中難度較大。Shao等[18]采用如圖6所示試件進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，此方法的優(yōu)點(diǎn)是便于進(jìn)行反復(fù)荷載加載，可模擬地震作用下鋼筋與UHPC黏結(jié)性能。

圖4 文獻(xiàn)[16]中黏結(jié)性能試驗(yàn)

圖5 文獻(xiàn)[17]中黏結(jié)性能試驗(yàn)

圖6 文獻(xiàn)[18]中黏結(jié)性能試驗(yàn)

2 黏結(jié)強(qiáng)度

2.1 黏結(jié)強(qiáng)度影響因素

與普通混凝土類似，鋼筋與UHPC黏結(jié)強(qiáng)度受鋼筋間距、混凝土強(qiáng)度、保護(hù)層厚度、鋼筋埋置長(zhǎng)度和箍筋約束等因素影響。鋼筋間距[9]是影響鋼筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的重要因素，為滿足鋼筋與混凝土黏結(jié)受力和澆筑密實(shí)的要求，現(xiàn)行GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015年版)[19]規(guī)定了梁和柱縱筋最小間距要求，但現(xiàn)有研究對(duì)鋼筋間距和數(shù)量對(duì)黏結(jié)性能的影響關(guān)注較少。Untrauer等[20]在梁中配置不同數(shù)量和凈間距的鋼筋，研究了鋼筋凈間距對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，鋼筋數(shù)量較多、凈間距較小時(shí)梁會(huì)發(fā)生水平劈裂破壞，黏結(jié)強(qiáng)度顯著降低(見(jiàn)圖7，圖中的數(shù)字為鋼筋數(shù)量)。UHPC中無(wú)粗骨料且具有超高強(qiáng)度，是否仍然適用于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中鋼筋間距要求，有必要進(jìn)一步研究。

圖7 鋼筋凈間距對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響

鋼纖維摻量可提高UHPC強(qiáng)度和韌性，也是影響?zhàn)そY(jié)強(qiáng)度的重要因素。Bae等[1]研究發(fā)現(xiàn)，1%鋼纖維摻量的UHPC與鋼筋黏結(jié)強(qiáng)度為無(wú)纖維摻加的2倍；鋼纖維摻量由1%增加至2%，黏結(jié)強(qiáng)度增大不明顯。但Alkaysi等[3]研究表明，鋼纖維摻量由1%增加至2%，黏結(jié)強(qiáng)度增大36%。另外，由于鋼纖維分布方向受混凝土澆筑方向的影響，纖維排列主要平行于流動(dòng)方向[21-22]，對(duì)UHPC抗劈裂性能有重要影響[23]。Shao等[18]研究了UHPC澆筑方向?qū)︿摻钆cUHPC黏結(jié)性能的影響，結(jié)果表明，澆筑方向垂直于鋼筋比平行于鋼筋的UHPC黏結(jié)強(qiáng)度提高了9%～26%。當(dāng)前有關(guān)鋼纖維摻量對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響還未形成系統(tǒng)和一致結(jié)論，對(duì)UHPC澆筑方向的影響研究還較少。

鋼筋與UHPC黏結(jié)強(qiáng)度還受試驗(yàn)方法的影響，Shao等[18]統(tǒng)計(jì)了文獻(xiàn)中117個(gè)鋼筋與UHPC黏結(jié)試件的試驗(yàn)結(jié)果，并根據(jù)試驗(yàn)方法和破壞形態(tài)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分類，如圖8所示。研究發(fā)現(xiàn)，鋼筋與UHPC黏結(jié)強(qiáng)度為6.6～76.3MPa，單根鋼筋拔出試驗(yàn)得到的黏結(jié)強(qiáng)度最大。發(fā)生拔出破壞的試件比發(fā)生劈裂破壞的試件得到的黏結(jié)強(qiáng)度大，因?yàn)榘l(fā)生拔出破壞的試件通常具有較大的相對(duì)保護(hù)層厚度(保護(hù)層厚度c與鋼筋直徑d之比)。

圖8 試驗(yàn)方法對(duì)鋼筋與UHPC黏結(jié)強(qiáng)度的影響

2.2 黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算方法

已有研究建立的黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算方法主要有2類：①通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的經(jīng)驗(yàn)公式[4,8,12-13,24](見(jiàn)表1)，但由于采用的試驗(yàn)方法不同，黏結(jié)強(qiáng)度存在差異，其擬合公式的準(zhǔn)確性和適用性受到限制；②在Tepfers厚壁圓筒理論[25]基礎(chǔ)上發(fā)展的理論公式[26-27]可適應(yīng)不同材料的變化，但黏結(jié)強(qiáng)度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性稍差，且僅適用于發(fā)生劈裂破壞的試件。

表1 文獻(xiàn)中提出的鋼筋與UHPC黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式

3 錨固(搭接)長(zhǎng)度

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中梁端、節(jié)點(diǎn)等構(gòu)件中的鋼筋常存在鋼筋錨固問(wèn)題，另外，為了運(yùn)輸、安裝的便捷性，鋼筋長(zhǎng)度受到限制，需施工現(xiàn)場(chǎng)接長(zhǎng)，常用的方法為綁扎搭接。因此，鋼筋與UHPC的錨固(搭接)長(zhǎng)度是UHPC應(yīng)用于結(jié)構(gòu)時(shí)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。錨固(搭接)長(zhǎng)度是指錨固(搭接)鋼筋受拉達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)所需的最小長(zhǎng)度。諸多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，建議的錨固長(zhǎng)度[2,6,28-31]如表2所示，搭接長(zhǎng)度[12-13,32]如表3所示。總體而言，采用錨固試驗(yàn)的研究較多，搭接試驗(yàn)的研究較少，有待進(jìn)一步在實(shí)際構(gòu)件中進(jìn)行驗(yàn)證。

表2 文獻(xiàn)中建議的鋼筋UHPC錨固長(zhǎng)度

表3 文獻(xiàn)建議的鋼筋UHPC搭接長(zhǎng)度

文獻(xiàn)[13]提出了UHPC中鋼筋錨固(搭接)長(zhǎng)度計(jì)算，如式(1)所示：

(1)

式中：lsa為錨固長(zhǎng)度；lsl為搭接長(zhǎng)度，f取鋼筋屈服強(qiáng)度f(wàn)sy時(shí)，即得到錨固(搭接)長(zhǎng)度；c為保護(hù)層厚度；ρsv為箍筋體積配箍率；fc為UHPC棱柱體抗壓強(qiáng)度。

分析搭接長(zhǎng)度和錨固長(zhǎng)度計(jì)算公式，可推出兩者之間存在線性關(guān)系，如式(2)所示：

(2)

4 黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系

局部黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系可表征鋼筋與混凝土的全過(guò)程相互作用，也是建立構(gòu)件有限元模型的基礎(chǔ)。Eligehausen等[33]和徐有鄰[34]建立的鋼筋黏結(jié)-滑移本構(gòu)模型最具代表性，已分別被歐洲規(guī)范[35]和我國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[19]所采納。

目前，對(duì)鋼筋與UHPC黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系的研究相對(duì)較少。鄧宗才等[7]分析了實(shí)測(cè)鋼筋與UHPC黏結(jié)-滑移曲線各階段的特征，結(jié)果表明，與普通混凝土相比，曲線上升段較陡，下降段平緩或有回升。Lagier等[36]測(cè)量了搭接鋼筋不同位置黏結(jié)應(yīng)力。安明喆等[6]通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸擬合出了多項(xiàng)式形式的鋼筋與UHPC黏結(jié)-滑移本構(gòu)模型。Marchand等[28]對(duì)歐洲規(guī)范[35]推薦的鋼筋混凝土黏結(jié)-滑移本構(gòu)模型進(jìn)行了修正，使其和鋼筋與UHPC黏結(jié)-滑移曲線更吻合。梁芮等[37]采用分段函數(shù)的形式擬合得到二段式鋼筋與UHPC黏結(jié)-滑移本構(gòu)模型。以上研究的擬合數(shù)據(jù)均來(lái)自單根鋼筋拔出試驗(yàn)的結(jié)果，可能會(huì)受到拱效應(yīng)和端部約束的影響。賈方方[8]對(duì)梁式錨固試驗(yàn)的黏結(jié)-滑移曲線各特征值進(jìn)行擬合，得到了分段線性黏結(jié)-滑移本構(gòu)模型。總之，鋼筋與UHPC黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系需采用更符合構(gòu)件實(shí)際受力狀態(tài)的試驗(yàn)方法進(jìn)行深入研究。

5 基于鋼筋與UHPC黏結(jié)性能的工程應(yīng)用

5.1 橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

UHPC較早應(yīng)用于預(yù)制橋面板的連接[38-39](見(jiàn)圖9)。紐約錫拉丘茲市I-81號(hào)公路和斯德哥爾摩附近CR47道上的橋梁建造中均使用了UHPC對(duì)預(yù)制橋面板進(jìn)行連接，鋼筋無(wú)須彎折錨固，搭接長(zhǎng)度大幅度縮短，降低了施工復(fù)雜程度和現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)量。Hwang等[40]采用四點(diǎn)受彎試驗(yàn)驗(yàn)證了UHPC連接預(yù)制橋面板受彎性能，提出了一種考慮UHPC界面黏結(jié)性能和鋼筋屈服行為的修正模型。此外，UHPC還被用于預(yù)制橋墩的連接[41-43]。

圖9 預(yù)制橋面板的UHPC連接

5.2 裝配式混凝土預(yù)制構(gòu)件連接中的應(yīng)用

2013年Maya等[44]采用UHPC在梁跨中和梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)連接預(yù)制梁，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用15d的搭接長(zhǎng)度可滿足梁受彎承載的傳力要求。

近年來(lái)，我國(guó)裝配式建筑產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，基于UHPC連接的預(yù)制構(gòu)件研究逐漸增多。鄭七振等先后提出采用UHPC連接預(yù)制柱[45]、預(yù)制梁[46]和預(yù)制剪力墻[47]，并對(duì)其受彎和滯回性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，當(dāng)鋼筋搭接長(zhǎng)度為10d時(shí)，基于UHPC連接的裝配式預(yù)制構(gòu)件的力學(xué)性能可等同于現(xiàn)澆試件。Zhang等[48]在鋼筋端頭加錨固板作為機(jī)械加強(qiáng)措施，在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)后澆UHPC連接預(yù)制梁并研究了其滯回性能。馬福棟等[49-51]采用UHPC在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)連接預(yù)制梁和柱(見(jiàn)圖10)，研究了其滯回性能并提出節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪承載力計(jì)算公式。Xue等[52]采用UHPC在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)連接帶樓板的預(yù)制梁和柱，進(jìn)行了滯回試驗(yàn)，并采用有限元模型模擬了循環(huán)荷載作用下的地震響應(yīng)。

鄭七振等[53]進(jìn)行了UHPC連接預(yù)制構(gòu)件單榀框架的低周反復(fù)試驗(yàn)，驗(yàn)證了采用UHPC連接的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能可等同于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。上海建工二建集團(tuán)有限公司在上海金山楓涇海玥瀜庭和上海白龍港污水處理廠改造等項(xiàng)目中對(duì)這種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了工程應(yīng)用(見(jiàn)圖11)。采用UHPC的裝配式混凝土構(gòu)件連接極大地降低了設(shè)計(jì)和施工難度，提高了裝配效率，具有廣闊的應(yīng)用前景。但現(xiàn)有工程應(yīng)用主要依賴試驗(yàn)結(jié)果，而試驗(yàn)得到的搭接長(zhǎng)度為(10～15)d，尚缺少統(tǒng)一的理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)方法。

圖11 采用UHPC連接的裝配式框架結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用

5.3 其他方面應(yīng)用

Dagenais等[54]應(yīng)用UHPC加固鋼筋搭接長(zhǎng)度不足的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，考慮了搭接長(zhǎng)度、鋼筋直徑、修復(fù)深度等因素的影響，取得了良好加固效果。官林星等[55]應(yīng)用UHPC連接大斷面頂管隧道預(yù)制管節(jié)，其接縫可滿足隧道工程防水要求。

6 結(jié)語(yǔ)

1)鋼筋與UHPC黏結(jié)性能主要依靠試驗(yàn)研究獲取，合理的試驗(yàn)方法至關(guān)重要，應(yīng)盡量采用還原構(gòu)件實(shí)際受力狀態(tài)的試驗(yàn)方法。4根鋼筋對(duì)稱搭接試驗(yàn)為較理想的試驗(yàn)方法。

2)UHPC中無(wú)粗骨料而有鋼纖維，與普通混凝土黏結(jié)機(jī)理不同，有必要對(duì)鋼筋凈間距、鋼纖維摻量和纖維分布方向等對(duì)黏結(jié)性能的影響開(kāi)展進(jìn)一步研究。

3)目前關(guān)于錨固長(zhǎng)度的研究較多，關(guān)于搭接長(zhǎng)度的研究較少，根據(jù)文獻(xiàn)中提出的錨固和搭接黏結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系，提出了錨固長(zhǎng)度和搭接長(zhǎng)度的線性關(guān)系，尚需更多實(shí)際構(gòu)件試驗(yàn)進(jìn)行錨固(搭接)長(zhǎng)度的驗(yàn)證。

4)鋼筋與UHPC在預(yù)制構(gòu)件連接或鋼筋搭接缺陷的加固中已有工程應(yīng)用。但現(xiàn)有工程應(yīng)用主要依賴試驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)一的理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)方法有待進(jìn)行深入研究。