不同試驗(yàn)方法對(duì)630MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋粘結(jié)-錨固影響研究*

王毅紅, 張俊旗, 田橋羅, 馬曉斌, 姚圣法, 劉 喜

(1 長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安 710055；2 西安市浐灞生態(tài)區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，西安 710024；3 江蘇天舜金屬材料集團(tuán)有限公司，揚(yáng)中 212200)

0 引言

鋼筋與混凝土共同工作的基礎(chǔ)之一是二者之間的粘結(jié)作用,我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的鋼筋最高強(qiáng)度為500MPa,630MPa鋼筋用于混凝土構(gòu)件,需要研究其粘結(jié)錨固性能。目前研究鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的試驗(yàn)方法主要有兩種,即梁式試驗(yàn)和中心拉拔試驗(yàn)[1-3],對(duì)于高強(qiáng)鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固性能及試驗(yàn)方法已有一些研究。杜峰等[4]從不同的粘結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)闡述了不同試驗(yàn)方法的區(qū)別。王晨霞等[5]、Long Xu等[6]基于梁式試驗(yàn),得到影響粘結(jié)性能的不同因素。薛偉辰[7]通過(guò)梁式試驗(yàn)和中心拉拔試驗(yàn)對(duì)GFRP筋與混凝土的粘結(jié)性能進(jìn)行了研究。閆偉等[8]研究了鋼筋-地聚物混凝土粘結(jié)性能,并將梁式試驗(yàn)結(jié)果與中心拉拔試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。孫明德等[9]研究了HRB500鋼筋粘結(jié)長(zhǎng)度、保護(hù)層厚度、高強(qiáng)鋼筋屈服強(qiáng)度、鋼筋直徑、箍筋等因素對(duì)粘結(jié)性能的影響規(guī)律。謝劍等[10]通過(guò)HRB500鋼筋與高強(qiáng)混凝土(C80)粘結(jié)錨固試件的拉拔試驗(yàn),分析了高強(qiáng)鋼筋與高強(qiáng)混凝土粘結(jié)錨固性能和影響粘結(jié)強(qiáng)度的主要因素。目前,高強(qiáng)和高性能材料越來(lái)越多地被應(yīng)用于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中,但500MPa級(jí)以上的高強(qiáng)鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能研究還較少[11],因此研究高強(qiáng)鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能,是具有理論和工程應(yīng)用價(jià)值的。

在實(shí)際工程中,鋼筋混凝土構(gòu)件使用高強(qiáng)鋼筋低碳節(jié)能、優(yōu)勢(shì)明顯。本次試驗(yàn)用630MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋,采用拉拔試驗(yàn)方法和梁式試驗(yàn)方法分別制作了15根試件進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,得到不同試驗(yàn)方法下各類試件的平均粘結(jié)強(qiáng)度和粘結(jié)-滑移曲線,對(duì)比研究不同試驗(yàn)方法下高強(qiáng)鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固性能和粘結(jié)-滑移曲線。分析不同試驗(yàn)方法對(duì)于630MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋粘結(jié)錨固性能的影響程度。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)使用江蘇天舜金屬材料集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的630MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋,直徑為16、22、25mm。按《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》(GB/T 228.1—2010)[12]對(duì)630MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋(簡(jiǎn)稱T63鋼筋)進(jìn)行拉伸試驗(yàn),T63鋼筋材性結(jié)果見(jiàn)表1,T63鋼筋力學(xué)性能滿足規(guī)范《鋼筋混凝土用鋼 第2部分:熱軋帶肋鋼筋》(GB/T 1499.2—2007)[13]。

表1 T63鋼筋力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)使用28d強(qiáng)度達(dá)到31MPa的混凝土,水泥使用32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,分兩批制作拉拔試件和梁式試件,在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d。根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)[14]規(guī)定,分別在齡期7、14、28d時(shí)測(cè)試混凝土試塊強(qiáng)度,測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

1.2 拉拔試件分組及加載裝置

本次試驗(yàn)試件形式參考《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50152—2012)[15]。試件尺寸及加載裝置如圖1所示。試件編號(hào)及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3。

圖1 拉拔試件及加載裝置圖

表3 試件分組信息

拉拔試驗(yàn)采用YDL-1000型電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),加載最大量程為1 000kN。加載規(guī)則參考相關(guān)規(guī)范[15],先采用力控制加載,速率為6kN/min,加載至最大荷載的60%左右,然后采用位移加載方式,加載速率為0.2mm/min,直至加載結(jié)束。架設(shè)位移計(jì),通過(guò)DH3820采集儀采集位移數(shù)據(jù)。

1.3 梁式試件分組及加載裝置

對(duì)于梁式試件,采用截面尺寸為150mm×240mm×1260mm的試件,鋼筋保護(hù)層厚度為20mm,架立鋼筋和腰筋均采用HRB400級(jí)鋼筋,直徑10mm,箍筋采用直徑8mm的HRB335級(jí)鋼筋,間距取50mm。試件編號(hào)和數(shù)量見(jiàn)表3括號(hào)內(nèi),各參數(shù)與拉拔試件相同。與混凝土無(wú)粘結(jié)部分通過(guò)外套PVC管將兩種材料分隔,端口用泡沫膠進(jìn)行密封。梁式試件在兩半梁自由端、加載端分別設(shè)置位移計(jì),在鋼筋上預(yù)焊固定鋼片作為位移計(jì)接觸點(diǎn),便于直接測(cè)得兩端鋼筋與混凝土間產(chǎn)生的相對(duì)滑移值,在梁底加載端位置處分別設(shè)置縱向位移計(jì)以測(cè)量加載時(shí)兩半梁產(chǎn)生的撓度,在兩個(gè)支座處分別設(shè)置位移計(jì)實(shí)測(cè)加載過(guò)程中支座的沉降。試件尺寸及相關(guān)位移計(jì)具體位置見(jiàn)圖2,其中P為峰值荷載,Ⅰ為位移計(jì),Ⅱ?yàn)镻VC套管,Ⅲ為測(cè)試鋼筋,Ⅳ為非受力鋼筋,Ⅴ為預(yù)埋鋼鉸。

圖2 梁式試件尺寸及裝置圖

梁式試件通過(guò)電液伺服作動(dòng)器及反力門(mén)架進(jìn)行加載,分配橫梁對(duì)稱分配,加載設(shè)備通過(guò)計(jì)算機(jī)控制,可自動(dòng)繪制荷載-位移曲線,其最大量程為1 000kN,位移采集使用DH3820采集儀,該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,為保證采集數(shù)據(jù)時(shí)力與位移數(shù)據(jù)相互對(duì)應(yīng),試驗(yàn)過(guò)程中采集頻率均取為2Hz,并同時(shí)開(kāi)始采集。試驗(yàn)先采用力控制加載,速率為0.1kN/s,當(dāng)鋼筋自由端出現(xiàn)滑移后即改為相對(duì)滑移控制加載,速率為0.2mm/min,當(dāng)滑移達(dá)到3mm后或荷載下降至峰值荷載的50%以下時(shí),荷載-位移曲線已接近水平,整個(gè)試驗(yàn)結(jié)束。

2 試件破壞形態(tài)

2.1 拉拔試件破環(huán)形態(tài)

拉拔試件的破環(huán)形態(tài),可以分成三類:鋼筋拔出、混凝土劈裂和鋼筋拉斷。

(1)鋼筋拔出:當(dāng)錨固長(zhǎng)度為5d和7d、鋼筋直徑為16mm時(shí),如P16-5d、P16-7d試件為鋼筋拔出破壞(圖3(a)),在加載初期,荷載增長(zhǎng)速度快,荷載-位移曲線呈直線上升,接近峰值荷載時(shí),荷載增速放緩,達(dá)到峰值荷載后,荷載開(kāi)始下降,起初下降速度較快,當(dāng)荷載下降至峰值荷載的50%后,荷載-位移曲線開(kāi)始變緩;當(dāng)荷載下降至峰值荷載的30%左右時(shí),荷載-位移曲線接近水平,此階段荷載不再下降,滑移量持續(xù)增大,鋼筋被緩慢拔出。加載結(jié)束后,混凝土表面仍保持完好。有部分試件拔出時(shí)鋼筋也達(dá)到屈服,但加載現(xiàn)象和最終形態(tài)和鋼筋未屈服基本相同。

圖3 拉拔試件破壞形態(tài)

(2)混凝土劈裂:當(dāng)鋼筋直徑為22、25mm時(shí),如P22-7d和P25-7d試件發(fā)生劈裂破壞,這類試件在加載時(shí)荷載-位移曲線基本呈直線上升,在荷載達(dá)到峰值前,自由端和加載端基本未見(jiàn)滑移,當(dāng)達(dá)到峰值荷載時(shí),試件混凝土突然發(fā)生破環(huán),并有較大聲響,試件破壞分為劈成三塊和劈成兩半(圖3(b)、(c)),脆性性質(zhì)明顯,取破壞后試件進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)劈裂面上留有鋼筋縱橫肋印記,鋼筋肋前附有混凝土粉末。

(3)鋼筋拉斷:錨固長(zhǎng)度為10d的試件鋼筋被拉斷(圖3(d)),如P16-10d試件,試件鋼筋基本沒(méi)有滑移,當(dāng)荷載達(dá)到峰值荷載時(shí),加載試件發(fā)生較大聲響。觀察破壞后的試件,發(fā)現(xiàn)鋼筋的斷點(diǎn)均位于焊接鋼片處,鋼片是為了架設(shè)測(cè)量變形的儀表而設(shè)置的輔助裝置,此處由于鋼筋外形受損導(dǎo)致應(yīng)力集中,斷裂時(shí)的鋼筋應(yīng)力小于鋼筋極限抗拉強(qiáng)度,是焊接對(duì)鋼筋的力學(xué)性能產(chǎn)生的不利影響,除了鋼筋被拉斷外,混凝土表面基本保持完好。

2.2 梁式試件破環(huán)形態(tài)

梁式試件的破環(huán)形態(tài)分為兩類:鋼筋拔出破壞、混凝土劈裂破壞。

(1)鋼筋拔出:B16-5d、B16-7d試件發(fā)生此類破環(huán),其粘結(jié)長(zhǎng)度較短,鋼筋直徑較小,加載結(jié)束時(shí),試件表明未出現(xiàn)明顯的可見(jiàn)裂縫,兩半梁之間間距變大,試件自由端有較大滑移,整體試件有較大撓度。此種破壞形式如圖4所示。

圖4 鋼筋拔出破壞

(2)混凝土劈裂破壞:B16-10d、B22-7d、B25-7d試件發(fā)生此種破壞形式,其粘結(jié)長(zhǎng)度較長(zhǎng)、鋼筋直徑較大。此類試件加載在到達(dá)峰值荷載前,基本無(wú)明顯現(xiàn)象,到達(dá)峰值荷載后,試件發(fā)生突然劈裂,脆性明顯,劈裂裂縫出現(xiàn)在試件頂部的受力點(diǎn),先垂直向下,后沿45°斜向延伸,并逐步加大延伸至梁底形成貫通裂縫,同時(shí),鋼鉸下端位置混凝土壓碎脫落,內(nèi)部鋼筋暴露在外,但因箍筋約束作用,試件未能劈裂成兩部分,破壞形態(tài)如圖5所示。

圖5 混凝土劈裂破壞

經(jīng)比較,除了一組拉拔試件由于裸鋼筋段焊接輔助鋼片,應(yīng)力集中導(dǎo)致鋼筋拉斷外,拉拔試驗(yàn)和梁式試驗(yàn)兩種方法有類似的破壞形態(tài),即鋼筋拔出和混凝土劈裂。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 極限粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算

通過(guò)試驗(yàn)采集系統(tǒng),分別得到兩種試驗(yàn)方法下各個(gè)試件的極限荷載,通過(guò)下式計(jì)算其粘結(jié)強(qiáng)度:

式中:τu為平均極限粘結(jié)強(qiáng)度,MPa;Fu為作用于鋼筋上的極限拉力,kN;la為錨固長(zhǎng)度,mm。

其中對(duì)于拉拔試件,作用在鋼筋上的極限拉力Fu即為加載的峰值荷載P。對(duì)于梁式試件,需要將梁上的荷載轉(zhuǎn)換為鋼筋軸線拉力,取左半梁部分為隔離體進(jìn)行受力分析,如圖6所示。F為右半梁通過(guò)鋼鉸對(duì)左半梁的作用力。對(duì)鋼鉸中心線與F交點(diǎn)處取矩,由力矩平衡條件可得:

圖6 左半梁受力示意圖

式中:l1為鋼鉸中心點(diǎn)到拉拔鋼筋中心的垂直距離;l2為鋼鉸中心點(diǎn)到支座中線的水平距離。

梁式試件的峰值荷載下的鋼筋拉力由式(2)計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 梁式試件鋼筋拉力轉(zhuǎn)換

3.2 不同試件粘結(jié)強(qiáng)度的對(duì)比

中心拉拔試驗(yàn)和梁式試驗(yàn)高強(qiáng)鋼筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表5、6,兩種試驗(yàn)方法所得的粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)比見(jiàn)表7。

表5 拉拔試件鋼筋與混凝土粘結(jié)錨固試驗(yàn)結(jié)果

表6 梁式試件鋼筋與混凝土粘結(jié)錨固試驗(yàn)結(jié)果

表7 拉拔試件與梁式試件粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)比

由表5～7可以看出,對(duì)于P16-10d和B16-10d試件,由于其破壞形態(tài)不相同,故不具有對(duì)比意義,其余構(gòu)件的試驗(yàn)結(jié)果表明在相同條件下試件采用中心拉拔試驗(yàn)方法測(cè)得的粘結(jié)強(qiáng)度要高于梁式試驗(yàn)方法。拉拔試件粘結(jié)強(qiáng)度與梁式試件粘結(jié)強(qiáng)度比值平均數(shù)為1.34,變異系數(shù)為0.0804。各組試件數(shù)據(jù)離散程度較小,穩(wěn)定性好。

經(jīng)分析,這一現(xiàn)象可以通過(guò)試驗(yàn)鋼筋周圍的應(yīng)力狀態(tài)來(lái)解釋。梁式試驗(yàn)試件鋼筋周圍混凝土基體的徑向拉伸應(yīng)力狀態(tài)會(huì)降低混凝土與鋼筋間的粘結(jié)強(qiáng)度。而拉拔試件中鋼筋外圍混凝土沒(méi)有荷載作用下的拉應(yīng)力,有利于鋼筋與混凝土的粘結(jié),相關(guān)文獻(xiàn)[16-17]也有類似的試驗(yàn)結(jié)果。

3.3 影響粘結(jié)性能的因素分析

國(guó)內(nèi)外眾多試驗(yàn)[4-5,9]研究顯示,鋼筋直徑、鋼筋外形、鋼筋錨固長(zhǎng)度、鋼筋保護(hù)層厚度、配置箍筋情況、混凝土強(qiáng)度等是鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的主要影響因素。因?yàn)樵囼?yàn)試件數(shù)量有限,所以本試驗(yàn)主要以鋼筋直徑以及錨固長(zhǎng)度這兩種因素對(duì)兩種試驗(yàn)得到的粘結(jié)性能進(jìn)行了對(duì)比。

本次試驗(yàn)結(jié)果顯示,對(duì)于630MPa級(jí)鋼筋,兩種試驗(yàn)方法得到的粘結(jié)強(qiáng)度隨錨固長(zhǎng)度和鋼筋直徑的增加而減小,這與普通鋼筋與混凝土的經(jīng)典粘結(jié)錨固理論吻合,此文不再贅述。

3.4 粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線對(duì)比

拉拔試件中混凝土劈裂破壞和鋼筋拉斷破壞試件的完整粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線無(wú)法測(cè)得,本次試驗(yàn)在相同參數(shù)及類似破壞形態(tài)試件中進(jìn)行對(duì)比研究,見(jiàn)圖7,對(duì)錨固長(zhǎng)度5d,直徑16mm的拉拔試件和梁式試件的鋼筋與混凝土的粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線進(jìn)行對(duì)比。

圖7 梁式試件與拉拔試件粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線對(duì)比

兩類試件曲線趨勢(shì)基本相同,試件均有明顯的上升和下降段,曲線上升段在梁式試件曲線轉(zhuǎn)折之前,基本無(wú)異,下降段的趨勢(shì)也基本一致。拉拔試件未配箍筋,隨著拉拔力增加,鋼筋表面粘結(jié)應(yīng)力迅速增大,化學(xué)膠結(jié)力瞬間失效,鋼筋與混凝土隨即發(fā)生相對(duì)滑移;而梁式試件為配箍試件,初期化學(xué)膠結(jié)力持續(xù)效應(yīng)較拉拔試件長(zhǎng),故曲線上升段剛度略大,下降段略平緩,達(dá)到峰值荷載時(shí),滑移略小,表明梁式試件的粘結(jié)延性略強(qiáng)。

4 結(jié)論

(1)梁式試件和拉拔試件在同等條件下有類似的破壞形態(tài),絕大多數(shù)試件發(fā)生鋼筋拔出破壞和混凝土劈裂破壞。

(2)在相同的條件下試件采用中心拉拔試驗(yàn)方法測(cè)得的粘結(jié)強(qiáng)度要高于梁式試驗(yàn)方法測(cè)得的粘結(jié)強(qiáng)度,拉拔試件粘結(jié)強(qiáng)度與梁式試件粘結(jié)強(qiáng)度比值平均為1.34,可為兩種試驗(yàn)測(cè)得的粘結(jié)強(qiáng)度數(shù)據(jù)換算提供參考。

(3)梁式試件和拉拔試件鋼筋與混凝土的平均粘結(jié)強(qiáng)度均隨鋼筋錨固長(zhǎng)度和鋼筋直徑的增大而減小,兩種試驗(yàn)方法所得結(jié)果均符合普通鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固性能規(guī)律。

(4)拉拔試件與梁式試件的粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線變化規(guī)律相近,梁式試件比拉拔試件在達(dá)到峰值荷載時(shí)的滑移量略小,梁式試件的粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線下降段較拉拔試件略平緩,表明梁式試件的粘結(jié)延性略強(qiáng)。

(5)梁式試驗(yàn)試件制作和裝置較為復(fù)雜,但其符合實(shí)際受力情況,試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度較高。拉拔試驗(yàn)方法和裝置較為簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì),且在相同條件下可以取得不低于梁式試驗(yàn)精度的數(shù)據(jù)。本文對(duì)比了梁式試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn),可為采用不同試驗(yàn)方法研究鋼筋與混凝土粘結(jié)錨固性能提供參考。