鋼筋混凝土拉拔力學(xué)性能影響因素敏感性分析

秦瑤

摘? ?要：鋼筋混凝土的抗拉性能受到多種因素的影響。結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)字圖像分析技術(shù)，研究了鋼筋屈服強(qiáng)度、鋼筋直徑、鋼筋表面形狀對鋼筋混凝土試件的破壞形態(tài)、極限抗拉承載力、試件表面應(yīng)變的影響規(guī)律。結(jié)果表明，鋼筋混凝土試件拉拔試驗(yàn)破壞形態(tài)主要有拔出破壞、拉斷破壞、劈裂破壞3種，上述3種破壞形態(tài)對應(yīng)的試件極限抗拉承載力依次增加;各因素對拉拔力學(xué)性能的影響程度從強(qiáng)至弱依次為鋼筋屈服強(qiáng)度、鋼筋直徑、鋼筋表面形狀;試件拉拔過程中的混凝土表面應(yīng)變規(guī)律為：在抗拉承載力-位移曲線上升階段對應(yīng)的試件表面為拉應(yīng)變，其下降階段的試件表面從中心到四周由拉應(yīng)變逐漸變?yōu)閴簯?yīng)變。研究成果可為鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土;拉拔試驗(yàn);鋼筋直徑;鋼筋屈服強(qiáng)度;破壞形態(tài);數(shù)字圖像技術(shù)

國內(nèi)外學(xué)者對影響鋼筋混凝土拉拔力學(xué)性能的因素進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬研究。然而，關(guān)于鋼筋表面形狀、鋼筋直徑、鋼筋屈服強(qiáng)度對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)拉拔力學(xué)性能的敏感性研究較少。本研究采用室內(nèi)試驗(yàn)比較了鋼筋表面形狀、鋼筋直徑、鋼筋屈服強(qiáng)度對試件極限抗拉承載力、最大滑移值、表面應(yīng)變的影響敏感性，為鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1? ? 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1? 試件材料參數(shù)

試驗(yàn)選取C40高強(qiáng)混凝土，試件采用150 mm×150 mm× 150 mm規(guī)格，試件材料參數(shù)如下。

鋼筋：采用3類共6種鋼筋，HPB235光圓鋼筋，直徑12 mm，16 mm，長度250 mm;HRB335螺紋鋼筋直徑12 mm，16 mm，長度250 mm;HRB400螺紋鋼筋直徑12 mm，16 mm，長度250 mm。

膠凝材料：選取重慶江津區(qū)生產(chǎn)的拉法基瑞安普通硅酸鹽水泥，水泥標(biāo)號為P.O42.5。

骨料：采用經(jīng)過篩分、水洗、烘干，保證粒徑在5 mm以下及粒徑處于5～20 mm的碎石，比例為4∶6。

砂：采用重慶市內(nèi)普通的細(xì)河沙，河沙內(nèi)的石子較多需要篩分和烘干。

水：采用生活自來水。

試件配合比如表1所示。

1.2? 試驗(yàn)方案

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）要求制備試件，并依照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50512—2012）采用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。

2? ? 數(shù)字圖像技術(shù)的基本原理

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（Digital Image Correlation Method，DICM）始于20世紀(jì)80年代[1]。其簡單流程算法歸結(jié)為：讀取實(shí)驗(yàn)對象變形前后的圖像→對照片進(jìn)行去畸變處理→進(jìn)行基于相關(guān)系數(shù)的圖像匹配→計(jì)算圖片像素點(diǎn)的位移量→利用標(biāo)定像素當(dāng)量的結(jié)果得到實(shí)際變形量。本研究采用VIC-3D數(shù)字圖像技術(shù)分析試件拉拔過程中試件表面的應(yīng)變分布規(guī)律。

3? ? 拉拔試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1? 試件破壞形態(tài)分析

本次試驗(yàn)試件拉拔破壞形態(tài)主要有拔出、拉斷破壞、劈裂破壞。不同鋼筋種類試件破壞形態(tài)如表2所示，試件破壞規(guī)律如下：（1）不同鋼筋表面形狀。HPB235光圓試件統(tǒng)一為拔出破壞，螺紋試件主要劈裂破壞伴隨部分拉斷破壞。（2）不同直徑。在HRB335組發(fā)現(xiàn)直徑增加，試件破壞程度漸進(jìn)式地加重，拔出破壞—拉斷破壞—劈裂破壞。（3）不同鋼筋屈服強(qiáng)度。對比HRB335與HRB400試件組，試件破壞形態(tài)也出現(xiàn)加重，拉斷破壞—劈裂破壞。伴隨破壞形態(tài)加劇，其抗拉承載力都有一定程度的提高。

3.2? 不同類型鋼筋試件的拉拔性能分析

從圖1中發(fā)現(xiàn)：（1）隨著破壞形態(tài)由拔出破壞—拉斷破壞—劈裂破壞，試件抗拉承載力依次提高。（2）鋼筋屈服強(qiáng)度對鋼筋混凝土拉拔力學(xué)性能影響程度遠(yuǎn)大于鋼筋表面形狀。

拉拔過程可分為4個(gè)階段：線性階段、局部脫黏階段、內(nèi)部擁塞階段、完全脫黏階段。

表3為不同鋼筋種類試件的極限抗拉承載力，可以得出以下結(jié)論：（1）螺紋鋼筋試件的極限抗拉承載力比光圓鋼筋試件增加約17%。（2）鋼筋直徑從12 mm增加到16 mm鋼筋混凝土試件極限抗拉承載力均增加，光圓鋼筋HPB235提高近25%，螺紋鋼筋HRB335提高近24%，螺紋鋼筋HRB400提高近41%。（3）提高鋼筋屈服強(qiáng)度能極大程度地提高試件極限抗拉承載力。直徑12 mm 的螺紋鋼筋HRB400比HRB335提高約170%，直徑16 mm 的螺紋鋼筋HRB400比HRB335提高約213%。綜上表明，各因素對鋼筋混凝土試件拉拔力學(xué)性能影響程度由強(qiáng)至弱為：鋼筋屈服強(qiáng)度>鋼筋直徑>鋼筋表面形狀。

4? ? 基于VIC-3D數(shù)字圖像技術(shù)的試件表面應(yīng)變分析

數(shù)值圖像分析流程如下：（1）處理試件并制作散斑點(diǎn)。（2）調(diào)節(jié)儀器配合萬能試驗(yàn)機(jī)拍攝試件拉拔過程。（3）運(yùn)用系統(tǒng)圖像分析軟件得到試件拉拔過程三維應(yīng)變圖等。

分析發(fā)現(xiàn)，在線性階段，鋼筋混凝土界面沒有發(fā)生相對滑移，拉拔端受壓、自由端受拉;當(dāng)出現(xiàn)黏結(jié)滑移，由于黏結(jié)界面混凝土破碎、變細(xì)，混凝土表面更多區(qū)域出現(xiàn)受拉;隨著黏結(jié)滑移由拉拔端向自由端發(fā)展，試件拉拔結(jié)束時(shí)大多數(shù)區(qū)域受力接近于零，由于拉拔過程中混凝土碎屑隨著鋼筋積聚，部分碎屑積聚處對應(yīng)的混凝土表現(xiàn)出了受壓的情況。

5? ? 結(jié)語

通過對不同鋼筋表面形狀、鋼筋直徑、鋼筋屈服強(qiáng)度試件的拉拔試驗(yàn)及數(shù)值圖像分析得到以下結(jié)論：

不同鋼筋表面形狀、鋼筋直徑、鋼筋屈服強(qiáng)度試件拉拔破壞形態(tài)主要有拔出破壞、拉斷破壞、劈裂破壞3種，上述破壞形態(tài)試件對應(yīng)的極限抗拉承載力依次增加;鋼筋表面形狀由光圓變?yōu)槁菁y、鋼筋直徑由12 mm變?yōu)?6 mm、鋼筋屈服強(qiáng)度由HRB335變?yōu)镠RB400均能有效增加試件極限抗拉承載力，各因素對鋼筋混凝土試件拉拔力學(xué)性能影響由強(qiáng)至弱依次為鋼筋屈服強(qiáng)度、鋼筋直徑、鋼筋表面形狀。

不同鋼筋種類試件在拉拔過程中試件混凝土表面應(yīng)變變化規(guī)律為：在未發(fā)生黏結(jié)滑移的線性階段，試件混凝土表面拉拔端受拉、自由端受壓，隨著鋼筋混凝土界面黏結(jié)滑移區(qū)域擴(kuò)展，受拉區(qū)域面積增加，待拉拔結(jié)束時(shí)大部分區(qū)域受力趨近于零，中心小部分區(qū)域受壓。

[參考文獻(xiàn)]

[1]蘇? ?勇，張青川，伍小平.數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的一些進(jìn)展[J].中國科學(xué)：物理學(xué)、力學(xué)、天文學(xué)，2018（9）：23-27.