高強(qiáng)鋼筋高強(qiáng)混凝土粘結(jié)錨固性能研究

徐 成 吳建文 蔣明慧 丁 吉

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，德陽 618000)

1 引 言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)作用。由于載荷很少直接作用于鋼筋上，因此只有通過粘結(jié)作用，兩種材料之間才能實現(xiàn)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(jié)能力才能實現(xiàn)握裹力的提高。近年來，隨著材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與提高，出現(xiàn)了不同種類和強(qiáng)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(jié)錨固效果卻有較大的不同[3,4]。因此，高強(qiáng)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(jié)錨固性能，從而使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(qiáng)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的錨固性能，需要對鋼筋的外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)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(shù)見表1。

表1鋼筋的外形參數(shù)

Table1Theshapeparameterofsteelmm

高強(qiáng)鋼筋A(yù)BC直徑外徑7.167.187.18內(nèi)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(jié)錨固性能?？紤]拔出試驗的試驗結(jié)果離散性較大，參考《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50152—92)[3]的要求，試件混凝土強(qiáng)度等級為C50，采用復(fù)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(yǎng)護(hù)。試件在制作時，每組參數(shù)包括3個試件。共設(shè)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(hù)層厚度c/mm混凝土強(qiáng)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(yè)技術(shù)學(xué)院力學(xué)實驗室進(jìn)行。試件的加載端放置硬塑料管，留有一段無粘結(jié)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(jié)力幾乎沒有影響，兩端無粘結(jié)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(jī)上進(jìn)行，并參考《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50152—92)[5]的要求分級加載。

3 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)試件的拉拔試驗所得到的拉拔力-拉拔位移曲線，曲線的發(fā)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(jìn)行了統(tǒng)計分析，結(jié)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(qiáng)鋼筋的錨固性能

Table3Theanchorageperformanceofhighstrengthsteel

種類錨固長度/mm拉伸載荷/kN拉拔狀態(tài)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(xiàn)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(tài)下被拔出，但是有一件試件在65.5 kN時被拔斷；繼續(xù)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(xiàn)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(yōu)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(dāng)錨固長度大于300 mm的狀態(tài)下，高強(qiáng)鋼筋都可以與混凝土保持較好的粘結(jié)錨固性能。其中，高強(qiáng)螺旋肋鋼筋的粘結(jié)錨固特點為滑移值偏大，帶有一定光面鋼筋的特征，其粘結(jié)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(dāng)拉拔力較小時，加載端滑移值較小，自由端未發(fā)生滑移。膠結(jié)滑脫逐漸向內(nèi)滲透，但未達(dá)到自由端。

(2) 滑移段：當(dāng)加載至極限載荷的1/4～1/3，自由端發(fā)生滑移，說明錨固長度上的化學(xué)膠結(jié)力喪失殆盡。此后，滑移與荷載進(jìn)入一段較為短暫的穩(wěn)定增長階段，開始呈現(xiàn)非線性狀態(tài)。

(3) 開裂段：當(dāng)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(xiàn)明顯的非線性狀態(tài)。此后，荷載稍有增加，試件沿混凝土保護(hù)層最小處產(chǎn)生裂縫，裂縫由自由端逐漸向下延伸，直至底部墊塊處。當(dāng)保護(hù)層較大時，裂縫細(xì)小，甚至沒有貫通到試件的側(cè)面，只能在試件的自由端從PC棒向外發(fā)展出幾條裂紋。

(4) 下降段：達(dá)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(dāng)滑移達(dá)到一定的限值時，載荷不再下降，直至高強(qiáng)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(dá)到一定的限值后，滑移的增長部分是由高強(qiáng)鋼筋的伸長引起，試件表面完好，試驗至高強(qiáng)鋼筋拉斷而結(jié)束。

圖3所示為螺旋肋鋼筋拉拔過程中的破壞形態(tài)，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(tài)圖?？梢钥闯觯邚?qiáng)螺旋肋鋼筋的粘結(jié)錨固破壞形態(tài)大致可分為三類：①當(dāng)保護(hù)層較薄或錨固長度較短時，容易發(fā)生劈裂破壞，試件沿混凝土保護(hù)層最小處產(chǎn)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(qiáng)螺旋肋鋼筋粘結(jié)錨固的劈裂破壞一般只出現(xiàn)一條裂縫(圖3(d))，試件并未劈裂成兩半，而帶肋鋼筋粘結(jié)錨固的劈裂破壞大多出現(xiàn)2～3條裂縫，試件被劈裂成兩半或三半；②當(dāng)保護(hù)層較厚或配有橫向箍筋時，鋼筋周邊的裂縫不能發(fā)展到試件表面，高強(qiáng)螺旋肋鋼筋被緩慢拔出；③當(dāng)錨固長度較大且保護(hù)層厚度也較大時，高強(qiáng)螺旋肋鋼筋被拉斷，未發(fā)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(jié) 論

通過對不同類型鋼筋的混凝土構(gòu)件進(jìn)行了拉拔加載試驗，得出以下結(jié)論：

(1) 螺旋肋鋼筋的錨固性能在同等錨固長度的前提下，優(yōu)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(dāng)錨固長度大于300 mm的狀態(tài)下，螺旋肋鋼筋可以與混凝土保持較好的粘結(jié)錨固性能。

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