高強鋼筋高強混凝土粘結錨固性能研究

徐 成 吳建文 蔣明慧 丁 吉

(四川工程職業技術學院，德陽 618000)

1 引 言

鋼筋混凝土結構之所以能夠較好地承受各種載荷的作用，是因為鋼筋和混凝土這兩種性能不同的材料之間存在很好的粘結作用。由于載荷很少直接作用于鋼筋上，因此只有通過粘結作用，兩種材料之間才能實現力的互相傳遞，共同承受載荷[1,2]。建筑用鋼筋需要高握裹力，要求鋼筋表面的表面外形具有很高的粘結能力才能實現握裹力的提高。近年來，隨著材料科學技術的發展與提高，出現了不同種類和強度的鋼筋，如螺旋肋鋼筋、帶肋鋼筋等，然而不同鋼筋與混凝土之間的粘結錨固效果卻有較大的不同[3,4]。因此，高強鋼筋在混凝土中的錨固性能便成為值得探索和研究的課題，本文的目的在于通過對比不同類型鋼筋的粘結錨固性能，從而使得鋼筋混凝土結構能夠更好地承受各種載荷的作用。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

為了增強鋼筋混凝土框架結構的錨固性能，需要對鋼筋的外形結構進行優化設計，研究鋼筋表面的握裹力。為此，選擇了市場上常見的三種不同外形的鋼筋，分別為冷軋帶肋螺紋鋼筋(A)、冷拔光圓鋼筋(B)、螺旋肋鋼筋(C)，三種類型鋼筋的外形具體參數見表1。

表1鋼筋的外形參數

Table1Theshapeparameterofsteelmm

高強鋼筋ABC直徑外徑7.167.187.18內徑6.826.886.80肋間距槽寬7.37.07.2肋寬7.17.07.4肋高0.170.150.19

2.2 試驗方案及試件制作

2.2.1混凝土試件制作

對比試驗冷軋帶肋螺紋鋼筋、冷拔光圓鋼筋、PC鋼棒粘結錨固性能。考慮拔出試驗的試驗結果離散性較大，參考《混凝土結構試驗方法標準》(GB 50152—92)[3]的要求，試件混凝土強度等級為C50，采用復合硅酸鹽水泥，碎石骨料粒徑不大于12 mm的中砂，水泥∶石子∶砂∶水=1∶2.2∶1.3∶0.5。試件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，混凝土試件與拔出試件同條件養護。試件在制作時，每組參數包括3個試件。共設計了三組27個試件，試驗方案見表2。

表2錨固性能試驗方案

Table2Theanchorageperformancetestdesign

種類公稱直徑d/mm錨固長度l/mm保護層厚度c/mm混凝土強度等級鋼棒710046.5C5020046.5C5030046.5C50

2.2.2加載及量測方案

拉拔試驗的試件及裝置示意圖分別如圖1所示，其中圖1(a)為試件示意圖，圖1(b)為試驗裝置示意圖，圖2為試件試驗時的圖片。試驗于2012年7月在四川工程職業技術學院力學實驗室進行。試件的加載端放置硬塑料管，留有一段無粘結長度以避免局部擠壓的影響，硬塑料管在澆筑混凝土前用膠與鋼筋固定，但對其粘結力幾乎沒有影響，兩端無粘結段的總長約50 mm。試件所受的拉拔力由油壓表和荷載傳感器同時記錄。

圖1 試件和試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of specimen and test setup

圖2 試件試驗裝置及試驗過程Fig.2 Specimen test device and test process

整個試驗在WE-30型液壓式萬能材料試驗機上進行，并參考《混凝土結構試驗方法標準》(GB 50152—92)[5]的要求分級加載。

3 試驗結果與分析

根據試件的拉拔試驗所得到的拉拔力-拉拔位移曲線，曲線的發展趨勢大體可以分為四個階段：彈性變形階段、彈塑性變形階段、塑性變形階段和下降階段。對3組不同外形的鋼筋被拉拔或者破壞時的最大拉伸載荷進行了統計分析，結果如表3所示，其中，冷軋帶肋螺紋鋼筋和冷拔光圓鋼筋各錨固長度下的拉伸載荷為3件試樣的平均值。

表3高強鋼筋的錨固性能

Table3Theanchorageperformanceofhighstrengthsteel

種類錨固長度/mm拉伸載荷/kN拉拔狀態冷軋帶肋螺紋鋼筋10027.08鋼筋被拔出20027.64鋼筋被拔出30027.85鋼筋被拔出冷拔光圓鋼筋10012.15鋼筋被拔出20014.3鋼筋被拔出30020.9鋼筋被拔出螺旋肋鋼筋10020030039.6鋼筋被拔出18.6鋼筋被拔出36.6鋼筋被拔出58.6鋼筋被拔出58.9鋼筋被拔出64.4鋼筋被拉斷64.4鋼筋被拉斷64.2鋼筋被拉斷63.6鋼筋被拉斷

由表3可知，在同等錨固長度的前提下，冷軋帶肋螺紋鋼筋和冷拔光圓鋼筋都被拔出，而螺旋肋鋼筋則表現出不同的特征。螺旋肋鋼筋錨固埋入長度為100 mm時，3件試樣分別在39.5 kN、18.5 kN和36.5 kN時被拔出；埋入長度為200 mm的試件，在58.5 kN和59.0 kN的狀態下被拔出，但是有一件試件在65.5 kN時被拔斷；繼續增加錨固長度，在埋入長度為300 mm時，3組試樣均沒有被拔出的現象，而是分別在64.5 kN、64.0 kN和63.5 kN時候都被拔斷。由此可以看出，螺旋肋鋼筋的錨固性能在同等錨固長度的前提下，優于冷軋帶肋螺紋鋼筋和冷拔光圓鋼筋；隨著錨固長度的增加，拉伸斷裂載荷逐漸增大；當錨固長度大于300 mm的狀態下，高強鋼筋都可以與混凝土保持較好的粘結錨固性能。其中，高強螺旋肋鋼筋的粘結錨固特點為滑移值偏大，帶有一定光面鋼筋的特征，其粘結拉拔受力過程大致可分為5個階段：

(1) 微滑移段：加載之初，當拉拔力較小時，加載端滑移值較小，自由端未發生滑移。膠結滑脫逐漸向內滲透，但未達到自由端。

(2) 滑移段：當加載至極限載荷的1/4～1/3，自由端發生滑移，說明錨固長度上的化學膠結力喪失殆盡。此后，滑移與荷載進入一段較為短暫的穩定增長階段，開始呈現非線性狀態。

(3) 開裂段：當加載至極限荷載的0.80～0.85，在荷載稍微增加甚至不增加的情況下，滑移有較大的增長，呈現明顯的非線性狀態。此后，荷載稍有增加，試件沿混凝土保護層最小處產生裂縫，裂縫由自由端逐漸向下延伸，直至底部墊塊處。當保護層較大時，裂縫細小，甚至沒有貫通到試件的側面，只能在試件的自由端從PC棒向外發展出幾條裂紋。

(4) 下降段：達到峰值后，荷載迅速下降，滑移大幅增加，對配箍試件，載荷的下降則比較緩慢。

(5) 殘余段：當滑移達到一定的限值時，載荷不再下降，直至高強鋼筋從混凝土中緩慢拔出。對錨固長度較大的試件，如錨固長度為300 mm，自由端和加載端的滑移都較小，達到一定的限值后，滑移的增長部分是由高強鋼筋的伸長引起，試件表面完好，試驗至高強鋼筋拉斷而結束。

圖3所示為螺旋肋鋼筋拉拔過程中的破壞形態，其中，圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)分別為錨固長度為100 mm、200 mm和300 mm下的狀態圖。可以看出，高強螺旋肋鋼筋的粘結錨固破壞形態大致可分為三類：①當保護層較薄或錨固長度較短時，容易發生劈裂破壞，試件沿混凝土保護層最小處產生裂縫，裂縫由自由端逐漸向下延伸，直至底部的墊塊處。與帶肋鋼筋不同的是高強螺旋肋鋼筋粘結錨固的劈裂破壞一般只出現一條裂縫(圖3(d))，試件并未劈裂成兩半，而帶肋鋼筋粘結錨固的劈裂破壞大多出現2～3條裂縫，試件被劈裂成兩半或三半；②當保護層較厚或配有橫向箍筋時，鋼筋周邊的裂縫不能發展到試件表面，高強螺旋肋鋼筋被緩慢拔出；③當錨固長度較大且保護層厚度也較大時，高強螺旋肋鋼筋被拉斷，未發生錨固破壞(圖3(e))。

圖3 鋼筋的拉拔過程Fig.3 Pull-out process of rebar

4 結 論

通過對不同類型鋼筋的混凝土構件進行了拉拔加載試驗，得出以下結論：

(1) 螺旋肋鋼筋的錨固性能在同等錨固長度的前提下，優于冷軋帶肋螺紋鋼筋和冷拔光圓鋼筋。

(2) 隨著錨固長度的增加，拉伸斷裂載荷逐漸增大；當錨固長度大于300 mm的狀態下，螺旋肋鋼筋可以與混凝土保持較好的粘結錨固性能。

[ 1 ] 余瓊,張燕語.預應力碳纖維布加固鋼筋混凝土梁撓度研究[J].結構工程師,2011,27(1):139-143．

Yu Qiong, Zhang Yanyu. Study on deflection of RC beams strengthened with prestressed CFRP [J]. Structural Engineers, 2011, 27 (1): 139-143. (in Chinese)

[ 2 ] Mcvay M, Cook R A, Krishnamurthy K. Pullout simulation of post installed chemically bonded anchors[J]. Journal of Structural Engineering, 1996, 122(9) : 1016-1024.(in Chinese)

[ 3 ] 徐淑美,周德源,畢大勇.預埋式槽型錨軌拉拔性能的試驗研究[J].結構工程師,2010,26(5):111-114.

Xu Shumei, Zhou Deyuan, Bi Dayong. Test study on tensile behavior of cast-in channels[J]. Structural Engineers, 2010, 26(5) : 111-114.(in Chinese)

[ 4 ] 葉見曙.結構設計原理[M].北京:人民交通出版社,1996.

Ye Jiansu. The principle of structure design[M]．Beijing: China Communications Press,1996. (in Chinese)

[ 5 ] 中華人民共和國建設部.GB 50152—92混凝土結構試驗方法標準[S].北京:中國建筑工業出版社,1992.

Ministryof Construction of the People’s Republic of China. GB 50152—92 Standard methods for testing of conerete structures[S]．Beijing: China Architecture and Building Press,1992. (in Chinese)