鋼筋與混凝土動(dòng)態(tài)粘結(jié)性能試驗(yàn)方案研究★

陳鳳山 　 孟慶騰 　 李 敏* 　 詹 坤

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連　116023)

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鋼筋與混凝土動(dòng)態(tài)粘結(jié)性能試驗(yàn)方案研究★

陳鳳山 孟慶騰 李 敏* 詹 坤

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連116023)

分析了影響鋼筋混凝土粘結(jié)性能的各項(xiàng)因素，從混凝土強(qiáng)度等級(jí)、鋼筋直徑、粘結(jié)長度及加載速率等方面，對(duì)其主要影響因素進(jìn)行了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過粘結(jié)基本試驗(yàn)參數(shù)的測量，得到了較理想的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

鋼筋，混凝土，粘結(jié)性能，正交試驗(yàn)

0　引言

我國受地震影響較為嚴(yán)重，近年來，隨著地震的頻繁發(fā)生，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。研究建筑物在地震動(dòng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的破壞，并提高抵御災(zāi)害的能力，是目前亟需解決的問題。

鋼筋與混凝土的粘結(jié)是鋼筋與混凝土之間一種復(fù)雜的相互作用，通過它來傳遞二者之間的應(yīng)力，協(xié)調(diào)變形[1]。粘結(jié)應(yīng)力是指沿鋼筋與混凝土接觸面上的剪應(yīng)力。鋼筋與混凝土之間良好的粘結(jié)滑移性能是兩種材料協(xié)同工作的基礎(chǔ)[2]。粘結(jié)作用的主要影響因素:鋼筋類型(光圓和螺紋)、鋼筋直徑、混凝土強(qiáng)度、加載方式(單調(diào)和循環(huán))、加載速率、粘結(jié)長度，本文主要完成對(duì)動(dòng)態(tài)粘結(jié)性能試驗(yàn)的研究設(shè)計(jì)。

1　影響粘結(jié)性能的因素

鋼筋混凝土間的粘結(jié)性能受諸多因素影響，主要因素包括：混凝土強(qiáng)度等級(jí)、鋼筋類型和鋼筋受力方向、鋼筋直徑、錨固長度，在動(dòng)荷載下還與加載方式和加載速率有關(guān)[5]。

1.1混凝土強(qiáng)度的影響

無論普通混凝土還是高強(qiáng)混凝土，伴隨著強(qiáng)度等級(jí)的增加，鋼筋與混凝土之間的機(jī)械咬合力和化學(xué)粘著力會(huì)隨之增加，進(jìn)而粘結(jié)強(qiáng)度亦提高。此外，一些研究顯示，鋼筋與混凝土間的粘結(jié)會(huì)受到水泥的用量、水灰比的影響。

1.2鋼筋受力方向

在模板下澆筑后，混凝土有下沉和泌水現(xiàn)象，平行澆筑并通過振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)后，鋼筋下方的混凝土?xí)写止橇舷鲁恋默F(xiàn)象，使之與鋼筋接觸不夠緊密，進(jìn)而粘結(jié)強(qiáng)度降低。

1.3鋼筋的直徑和類型

鋼筋的粘結(jié)性能與鋼筋截面周界長度成正比關(guān)系，與粘結(jié)力相對(duì)的拉拔力及截面面積成反比。就帶肋和光圓鋼筋而言，在肋的影響下，帶肋鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光圓鋼筋。

1.4加載速率的影響

不同的加載速率會(huì)影響鋼筋的粘結(jié)應(yīng)力。依據(jù)GB 50152—92混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)立方體中心拔出試驗(yàn)加載速率按式(1)計(jì)算：

VF=0.03d2

(1)

其中，VF為加載速度，kN/min;d為鋼筋直徑，mm。

2　試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1試驗(yàn)方法

鋼筋混凝土試件中鋼筋粘結(jié)處受力復(fù)雜，很難精準(zhǔn)模擬。目前通用且較為成熟的方法主要有以下三種：即拔出試驗(yàn)、梁式試驗(yàn)和軸拉試驗(yàn)[3]。本次試驗(yàn)需要通過大量對(duì)比試驗(yàn)，正確的試驗(yàn)操作，進(jìn)而得到較理想的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過三種試驗(yàn)方法的比較，以及項(xiàng)目的實(shí)際情況，本項(xiàng)目選用最常用的拉拔試驗(yàn)，鋼筋內(nèi)貼應(yīng)變片量測鋼筋應(yīng)變分布，使用位移計(jì)測量加載端與自由端位移。

2.2加載設(shè)備

試驗(yàn)所采用的加載設(shè)備是大型靜、動(dòng)三軸電液伺服試驗(yàn)機(jī)(如圖1所示)。該設(shè)備可以提供的最大拉力為100 t，最大壓力為250 t，空載時(shí)最大加載速率為56 mm/s，豎直方向加載頭的行程范圍是±100 mm ，控制方式分別為力控制和位移控制，可以完成三角波、正弦波、方波和梯形波等多種波形的加載。

2.3試驗(yàn)材料

1)混凝土原材料及配合比。本文所采用的普通混凝土與高強(qiáng)混凝土等級(jí)分別為C30和C60，所用混凝土配合比如表1所示，水泥采用大連小野田水泥廠生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥42.5；細(xì)骨料為天然河砂，砂子細(xì)度模數(shù)為2.9；粗骨料為連續(xù)級(jí)配的碎石，石子粒徑為5 mm～25 mm；攪拌用水為普通自來水，減水劑采用Sika Viscocrete 3000高效減水劑。

表1　混凝土配合比　kg/m3

2)鋼筋。試驗(yàn)鋼筋采用的是Ⅰ，Ⅲ級(jí)鋼筋，其中Ⅰ級(jí)光圓鋼筋直徑為20 mm；Ⅲ 級(jí)螺紋鋼筋直徑分別為16 mm和20 mm兩種。

2.4試件設(shè)計(jì)

考慮到試驗(yàn)設(shè)備及拉拔試驗(yàn)常規(guī)試件尺寸，試件基本尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體(如圖2所示)，試件全部采用鋼模分批澆筑成型。試驗(yàn)過程中鋼筋的加載端易受到局部擠壓，會(huì)造成試驗(yàn)結(jié)果的失真，通過PVC管即可消除局部影響，也可控制粘結(jié)錨固的長度。

試件制作采用鋼模，并在鋼筋伸出側(cè)開孔，孔徑為25 mm，在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)成型，24 h后拆模，在養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。

2.5粘結(jié)試驗(yàn)正交設(shè)計(jì)

基于影響鋼筋與混凝土粘結(jié)的主要因素，即混凝土與鋼筋強(qiáng)度等級(jí)、鋼筋直徑、粘結(jié)錨固長度、加載方式、加載速率，進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，見表2。拉拔位移為10 mm。

表2　試驗(yàn)因素與水平

表3給出了試驗(yàn)方案一的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共7組試件，每組試件為6個(gè)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，6個(gè)試件采用兩種不同的加載速率。該組試驗(yàn)的目的，研究鋼筋類型(光圓和螺紋)、加載方式(單調(diào)和循環(huán))、粘結(jié)長度、鋼筋直徑、加載速率的不同相比較。

表3　試驗(yàn)內(nèi)容一

表4給出了試驗(yàn)內(nèi)容二，共7組試件，每組試件為6個(gè)，且采用兩種不同的加載速率，混凝土強(qiáng)度為C60。該組試驗(yàn)的目的，除了研究鋼筋類型(光圓和螺紋)、加載方式(單調(diào)和循環(huán))、粘結(jié)長度、鋼筋直徑、加載速率的影響外，還與試驗(yàn)內(nèi)容一的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以研究混凝土強(qiáng)度等級(jí)變化帶來的影響。

表5給出了試驗(yàn)內(nèi)容三，共6組試件。通過鋼筋內(nèi)貼應(yīng)變片，測量鋼筋的應(yīng)變，以比較粘結(jié)應(yīng)力的變化。

表4　試驗(yàn)內(nèi)容二

表5　試驗(yàn)內(nèi)容三

2.6粘結(jié)基本試驗(yàn)參數(shù)的測量

1)加載端和自由端滑移。在試件上下兩端分別放置位移計(jì)，用來測量加載端和自由端鋼筋滑移的位移。在鋼筋與混凝土粘結(jié)力的影響下，加載端的滑移超前于自由端。試驗(yàn)通過記錄兩者的滑移，進(jìn)而選取平均值。

2)加載端拉拔力F。拉拔力F通過加載頭作用在鋼筋上，它與沿鋼筋錨固長度上分布的粘結(jié)力的合力形成一對(duì)平衡力。在試驗(yàn)加載過程中，平均粘結(jié)力表示為：

(2)

其中，τ為平均粘結(jié)力；la為鋼筋在混凝土中的有效粘結(jié)長度；d為鋼筋的直徑。

3)鋼筋應(yīng)變測量。鋼筋的應(yīng)變通過在鋼筋內(nèi)部埋設(shè)應(yīng)變片的方法來量測[4]。鋼筋粘結(jié)錨固長度上的滑移，是通過該位置混凝土與鋼筋之間的位移差得到的。試驗(yàn)中通過內(nèi)貼應(yīng)變片的方法獲得各測點(diǎn)的鋼筋應(yīng)變?chǔ)舠i，則鋼筋微段的伸長為Δl=εsil(l為應(yīng)變片之間間距取20 cm)。

為了測量鋼筋的局部應(yīng)變，本試驗(yàn)采用鋼筋內(nèi)貼應(yīng)變片的方法(見圖3)。沿鋼筋軸向中間劈開，并在內(nèi)測開槽，結(jié)合應(yīng)變片的尺寸大小，槽的尺寸設(shè)計(jì)為6 mm×2 mm(合并后為6 mm×4 mm)。

凹槽內(nèi)測需貼應(yīng)變片，先定好應(yīng)變片的位置，同一根鋼筋相隔40 mm，兩根鋼筋交叉分布，合并后每相鄰應(yīng)變片距離是20 mm。焊接時(shí)采用細(xì)導(dǎo)線，以便從內(nèi)部引出，導(dǎo)線引出后在末端編號(hào)(如圖4所示)，方便數(shù)據(jù)采集。防止槽內(nèi)進(jìn)水導(dǎo)電，將環(huán)氧樹脂灌滿凹槽密封，并將鋼筋對(duì)齊粘結(jié)起來，用螺母箍緊，24 h后方可拆開澆筑。

3　試驗(yàn)展望

通過以上論述，總結(jié)出以下觀點(diǎn):1)動(dòng)態(tài)粘結(jié)試驗(yàn)方案的研究，為相關(guān)的粘結(jié)滑移試驗(yàn)提供了設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法，同時(shí)也為數(shù)據(jù)采集提供了參考。2)基于混凝土強(qiáng)度等級(jí)(C30/C60)、鋼筋類型(HPB300/HRB335)、鋼筋直徑(16 mm/20 mm)、粘結(jié)錨固長度(4d/5d)、加載作用方式(單調(diào)/循環(huán))、加載速率(0.05 mm/s/30 mm/s)等主要因素進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以便對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供一定試驗(yàn)依據(jù)。

[1]王傳志，滕志明.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)理論[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1985:254-255.

[2]顧祥林.混凝土結(jié)構(gòu)基本原理[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2004：2.

[3]杜鋒，肖建莊，高向玲.鋼筋與混凝土間粘結(jié)試驗(yàn)方法研究[J].結(jié)構(gòu)工程師，2006，22(2):93-98.

[4]徐有鄰.變形鋼筋—混凝土粘結(jié)錨固性能的試驗(yàn)研究[D].北京：清華大學(xué)博士學(xué)位論文,1990.

[5]尹劍.論鋼筋混凝土的粘結(jié)滑移性能[J].湖南農(nóng)機(jī),2007(7):168-169.

Study on dynamic adhesive property testing scheme of steel and concrete★

Chen FengshanMeng QingtengLi Min*Zhan Kun

(CollegeofOcean&CivilEngineering,DalianUniversityofOcean,Dalian116023,China)

The thesis analyzes factors influencing adhesive property of steel reinforced concrete, carries out orthogonal experiment design for major influencing factors from aspects of concrete strength degree, steel diameter, adhesive length and loading rate, and obtains ideal experimental data through basis adhesive testing parameters measurement, which has provided theoretical basis for seismic design of concrete structure.

steel, concrete, adhesive property, orthogonal experiment

1009-6825(2016)08-0135-03

2016-01-04★:本文系國家青年科學(xué)基金項(xiàng)目“鋼筋與混凝土動(dòng)態(tài)粘結(jié)性能研究”(項(xiàng)目編號(hào)：51308085)資助

陳鳳山(1968- )，男，副教授；孟慶騰(1989- )，男，在讀碩士；詹坤(1992- )，男，在讀碩士

李敏(1981- )，女，博士，講師

TU528.571

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