中低周疲勞荷載作用下小直徑鋼筋植筋錨固性能試驗(yàn)研究

張霖灝，陳逵

（長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南長沙 410114）

0 引言

植筋作為一種施工簡便、經(jīng)濟(jì)高效的后錨固技術(shù)手段，被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)抗震加固與改造等工程中[1-3]。大量文獻(xiàn)已對植筋在混凝土中的靜力拉拔性能進(jìn)行了詳實(shí)的研究[4-7]，得到了一系列體系完備、參考價(jià)值高的研究成果。陶建偉[8]對植筋梁在疲勞荷載作用下的損傷積累和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。馬玉寶[9]對單根植筋在鋼筋網(wǎng)高性能復(fù)合砂漿基材中的錨固性能進(jìn)行研究，得到了植筋在此種基材中的破壞形態(tài)和極限拉拔承載力變化規(guī)律。於秋江等[10]模擬植筋跨越新舊結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出了植筋植入兩層不同基材時(shí)的單筋拉拔承載力計(jì)算公式。本文對單根植筋在水泥基灌漿料基材中的錨固性能進(jìn)行對比試驗(yàn)，研究疲勞荷載對破壞形態(tài)、極限荷載、膠筋滑移等性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制作

試驗(yàn)設(shè)計(jì)24個(gè)尺寸為300 mm×300 mm×220 mm的C35水泥基灌漿料基材試塊，將單根鋼筋植入各基材頂部。植筋鋼筋采用C6和C8兩種型號，植入深度分別為10d、15d、20d（d為鋼筋直徑），疲勞荷載加載次數(shù)為1萬次、5萬次、10萬次。根據(jù)鋼筋直徑、植入深度、疲勞加載次數(shù)三種變量，對試件進(jìn)行編號如表1所示。基材澆筑時(shí)留置3個(gè)150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊與基材同條件養(yǎng)護(hù)，測得其立方體抗壓強(qiáng)度如表2所示。

表1 試件極限荷載與破壞形態(tài)

表2 基材抗壓強(qiáng)度實(shí)測值

在鋼筋的植入?yún)^(qū)段內(nèi)均勻布置3個(gè)應(yīng)變片，以測量植筋在拉拔時(shí)的軸向應(yīng)變，貼片位置如圖1所示。試件的植筋操作工序及要求按照《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》JGJ 145—2013[11]中相關(guān)條款的規(guī)定進(jìn)行。C6和C8鋼筋植筋孔洞分別為10 mm和12 mm。待植筋施工完成后靜置養(yǎng)護(hù)72 h至植筋膠完全具備強(qiáng)度。試驗(yàn)所用鋼筋為HRB400級。表3為同批次鋼筋的力學(xué)性能參數(shù)。

表3 鋼筋強(qiáng)度實(shí)測值

圖1 應(yīng)變片布置示意圖（單位：mm）

1.2 疲勞加載

采用美國MTS公司的材料及構(gòu)件動態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)(landmark370.25)對試件進(jìn)行疲勞加載，加載設(shè)備見圖2。閻西康等[12]對植筋試件采用加載上限為0.45Pu、加載下限為0.2Pu（Pu為靜載試驗(yàn)測出的極限荷載）疲勞拉拔荷載對試件進(jìn)行加載。本試驗(yàn)中加載制度為荷載均值0.25Pu的正弦波荷載，加載頻率為2 Hz，幅值1 kN。

圖2 疲勞荷載加載設(shè)備

1.3 植筋拉拔

由材料及構(gòu)件動態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)(landmark370.25)完成對植筋試件的拉拔。采用分級加載制度，鋼筋彈性階段內(nèi)使用荷載進(jìn)行分級控制，彈性階段后采用位移進(jìn)行分級控制，加載至試件破壞。每級加載持荷0.5～1 min后采用武漢優(yōu)泰電子技術(shù)有限公司uT7116多通道靜態(tài)應(yīng)變儀對鋼筋軸向應(yīng)變進(jìn)行采集并記錄滑移量。圖3為植筋拉拔設(shè)備布置。

圖3 植筋拉拔

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)

24個(gè)試件中，除D4試件為膠筋界面粘結(jié)破壞外，余下試件均為鋼筋拉斷破壞。當(dāng)植筋深度大于10d時(shí)，疲勞荷載對破壞形態(tài)無明顯影響。

膠筋界面粘結(jié)破壞時(shí)，鋼筋未發(fā)生斷裂，拉拔荷載作用下植筋鋼筋緩慢滑出且荷載峰值不再增大，制作試件時(shí)產(chǎn)生的孔口少量溢出膠體隨鋼筋拉出并與基材表面剝離，整個(gè)過程未產(chǎn)生明顯錐體。試件拉斷破壞時(shí)，鋼筋植入端產(chǎn)生不同程度的滑移。圖4、圖5為試件典型破壞形態(tài)。

圖5 拉斷破壞

2.2 荷載—滑移曲線

對24個(gè)試件進(jìn)行拉拔，得到各試件在拉拔荷載作用下產(chǎn)生的植筋滑移關(guān)系曲線，見圖6。

圖6 荷載—滑移曲線

植筋荷載—滑移曲線具有如下特點(diǎn)：當(dāng)植筋的植入深度、鋼筋直徑相同時(shí)，植筋在拉拔荷載作用下產(chǎn)生的膠筋界面滑移隨疲勞荷載加載次數(shù)的增加而增大，且這一變化規(guī)律隨植筋深度的減小而趨于明顯。A組試件中，A1和A4均為植筋深度為10d的C8試件，A1無疲勞加載，A4經(jīng)10萬次疲勞加載，二者在26.5 kN的拉拔力下植筋滑移分別為2.35 mm和4.44 mm，滑移量增長88.9%。B組中B1和B4試件在26.5 kN拉拔力下滑移量分別為2.02 mm和3.72 mm，滑移增長84.2%。C組中C1和C4試件在26.5 kN拉拔力下滑移量分別1.53 mm和2.42 mm，滑移增長36.8%。E組中E1和E4試件在13.2 kN拉拔力下滑移量分別1.29 mm和2.52 mm，滑移量增長95.3%。F組中F1和F4試件在13.2 kN拉拔力下滑移量分別為0.89 mm和1.33 mm，滑移量增長49.4%。

從荷載—滑移曲線變化趨勢可以看出各試件滑移量隨拉拔荷載增大而增大，并且具有明顯拐點(diǎn)。各試件荷載—滑移曲線在拐點(diǎn)前段時(shí)，滑移量隨荷載變化基本相同且變化較小，到達(dá)拐點(diǎn)后，曲線斜率顯著減小，滑移量隨荷載增大開始大幅增加，在其他條件相同時(shí)，滑移量隨疲勞加載次數(shù)增多而增大。從6組試件的曲線拐點(diǎn)分布可觀察出：當(dāng)植筋的植入深度、鋼筋直徑相同時(shí)，經(jīng)疲勞加載后的試件先于未疲勞加載試件到達(dá)“拐點(diǎn)”，且這一變化規(guī)律隨植筋深度的減小而趨于明顯。

2.3 荷載—軸向應(yīng)變曲線

對試件在拉拔荷載下的鋼筋軸向應(yīng)變進(jìn)行測量，“上部”即靠近植筋自由端，向末端延伸依次為“中部”“下部”測點(diǎn)。

從圖7中三組數(shù)據(jù)可知：各組未經(jīng)疲勞加載試件的軸向應(yīng)變大于同組中經(jīng)過10萬次疲勞加載的試件，其中以上部應(yīng)變片影響最為明顯，而下部應(yīng)變片對應(yīng)的孔洞底部測點(diǎn)基本不受影響。

圖7 荷載—軸向應(yīng)變曲線

鋼筋實(shí)測各點(diǎn)應(yīng)變值經(jīng)式（1）可換算為該測點(diǎn)所受荷載，式中Es為鋼筋彈性模量，N/mm2；As為鋼筋截面積，mm2；δi為該點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變數(shù)值。

結(jié)合圖7中各試件三處應(yīng)變片實(shí)測應(yīng)變值可知：靠近自由端的軸向拉拔荷載最大，并向植筋末端遞減。拉拔荷載相同時(shí)，植筋深度為10d的試件鋼筋末端受荷明顯增長，植筋深度為15d和20d時(shí)，植筋末端基本不受荷。

3 結(jié)論

1）植筋深度為10～20d的小直徑鋼筋植入CGM混凝土基材中，經(jīng)1萬次～10萬次疲勞加載后，極限拉拔荷載不發(fā)生明顯改變，但膠筋界面滑移量顯著增大，植筋深度越小，疲勞荷載對滑移量增長影響越大。

2）植筋試件的荷載—滑移曲線具有明顯拐點(diǎn)，曲線在“拐點(diǎn)”前段的滑移量隨荷載變化基本相同且變化較小，到達(dá)拐點(diǎn)后，滑移量隨荷載增大開始大幅增加，疲勞加載次數(shù)越多，曲線拐點(diǎn)的拉拔荷載值越小，拐點(diǎn)處的滑移量越大。

3）經(jīng)疲勞加載后，試件在拉拔荷載作用下植入部分的鋼筋整體軸向應(yīng)變相比于未經(jīng)疲勞加載試件減小。靠近自由端的植入部分所受的影響較大，植筋末端基本不受影響。

4）小直徑植筋在疲勞荷載工況下工作時(shí)，可通過適當(dāng)增加植筋深度使植入端受荷均勻，達(dá)到減小膠筋滑移，避免粘結(jié)破壞，提升錨固性能的目的，一般以大于15d為宜。