鋼筋與普通混凝土動(dòng)態(tài)粘結(jié)滑移試驗(yàn)研究

林瑤 李敏* 孟慶騰 李祥

(1.大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧大連 116023; 2.青島瑞源工程集團(tuán)有限公司，山東青島 266555)

1 概述

鋼筋與混凝土具有較好的粘結(jié)性能是其組成的復(fù)合材料共同工作的基本前提。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在正常使用階段可能會(huì)遭受地震作用，其動(dòng)荷載作用下的粘結(jié)性能不同于靜力加載，進(jìn)而影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能。目前，鋼筋與混凝土靜態(tài)粘結(jié)性能的研究已經(jīng)比較成熟，而鋼筋混凝土動(dòng)態(tài)粘結(jié)性能的研究剛起步，相應(yīng)的試驗(yàn)研究還不充分［1-5］。

本文使用電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)，通過拉拔試驗(yàn)，對(duì)鋼筋和普通混凝土動(dòng)態(tài)粘結(jié)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。加載速率設(shè)定為0.005 mm/s和5 mm/s，分別對(duì)應(yīng)準(zhǔn)靜態(tài)加載和地震荷載范圍內(nèi)的快速加載速率，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和圖表分析，得到加載速率影響鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能的規(guī)律，該規(guī)律對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)有參考意義。

2 試驗(yàn)過程

本次試驗(yàn)是在大連理工大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的大型靜、動(dòng)三軸電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，該設(shè)備理論上可以提供的最大拉力為100 t，最大壓力為250 t，該試驗(yàn)設(shè)備可提供靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加載時(shí)所需的速率。上部加載頭設(shè)有球鉸，可防止受力不均。

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所采用的普通混凝土標(biāo)號(hào)是C30，所用混凝土配合比如表1所示，水泥采用普通硅酸鹽水泥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。

表1 混凝土配合比 kg/m3

試驗(yàn)用鋼筋采用的標(biāo)號(hào)是HRB400，直徑為20 mm，錨固長度為100mm。鋼筋截取時(shí)將帶有標(biāo)號(hào)的部分去掉，經(jīng)打磨去掉帶有銹跡的部分，以防影響鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能，造成試驗(yàn)的誤差。

2.2 試件

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，共計(jì)6個(gè)，試件全部采用鋼模分批澆筑成型。由于試驗(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，可以通過PVC管消除局部影響，也可控制粘結(jié)錨固的長度。

試件制作采用150 mm×150 mm×150 mm鋼模，并在鋼筋伸出側(cè)開孔，孔徑為25mm。將混凝土材料按相應(yīng)的配合比攪拌，然后裝入鋼模內(nèi)，在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)成型，并用塑料膜覆蓋，如圖1所示，待24 h后拆模，在養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。

圖1 混凝土試件澆筑

2.3 加載

將試件豎直放置，用兩片鋼板夾住拉拔試件的混凝土試塊，保證試件的位置不發(fā)生移動(dòng)，試驗(yàn)機(jī)加載頭與拉拔試件的鋼筋螺栓連接，提供拉拔力，慢速加載速率為0.005 mm/s，對(duì)應(yīng)準(zhǔn)靜態(tài)加載;快速加載速率為5 mm/s，對(duì)應(yīng)地震發(fā)生時(shí)的快速加載。同一種工況做三個(gè)試件，結(jié)果取平均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果

粘結(jié)應(yīng)力取平均粘結(jié)應(yīng)力，計(jì)算公式如式(1)所示:

其中，F(xiàn)為拉拔力;τ為平均粘結(jié)應(yīng)力;d為鋼筋直徑;la為錨固長度。

滑移量取加載端和自由端的平均滑移:

其中，S為平均滑移;Sl為加載端滑移量;Sf為自由端滑移量。

得到粘結(jié)滑移曲線如圖2所示，其中S2表示加載速率為0.005 mm/s的慢速加載時(shí)的粘結(jié)應(yīng)力—滑移曲線，D2表示加載速率為5 mm/s的快速加載時(shí)粘結(jié)應(yīng)力—滑移曲線。這兩組曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)，快速加載比慢速加載粘結(jié)強(qiáng)度提高14.6%。分析其原因，由于帶肋鋼筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度與混凝土的強(qiáng)度有關(guān)，而加載速率影響混凝土的強(qiáng)度，加載速率越高，混凝土的強(qiáng)度就越高，因此加載速率提高，粘結(jié)強(qiáng)度越高。

同時(shí)，試驗(yàn)還觀察到，破壞時(shí)的峰值滑移變化不大，在慢速加載和快速加載時(shí)均發(fā)生混凝土開裂破壞，可見加載速率沒有影響拉拔試件的破壞模式。

圖2 粘結(jié)應(yīng)力—滑移曲線

4 結(jié)語

本文采用電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)研究了加載速率對(duì)鋼筋混凝土拉拔試件粘結(jié)滑移性能的影響，研究結(jié)果表明，對(duì)于由C30混凝土和HRB400組成的拉拔試件，當(dāng)加載速率變化時(shí)，鋼筋與混凝土的粘結(jié)滑移特性也發(fā)生變化，粘結(jié)應(yīng)力與加載速率成正增長關(guān)系，加載速率增大，粘結(jié)應(yīng)力提高，加載速率對(duì)峰值滑移量影響不大，這一結(jié)論對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)有一定的參考意義。