500 MPa級細晶粒熱軋帶肋鋼筋在混凝土中的錨固性能試驗研究

陳 萌，畢蘇萍

(鄭州大學土木工程學院，河南鄭州 450002)

細晶粒熱軋帶肋鋼筋是通過細化晶粒(控制軋制溫度和冷卻速度)的工藝流程來提高其強度和延性，生產(chǎn)過程中不添加或只需添加少量的釩、鈦等合金元素。現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)中新增了500 MPa級細晶粒熱軋帶肋鋼筋HRBF500，符號為F，屈服強度標準值fyk為500 MPa，在最大力下的總伸長率δgt不小于7.5%。規(guī)范根據(jù)“四節(jié)約一環(huán)保”的要求，提倡應用高強、高性能鋼筋，積極將500 MPa級鋼筋應用在高層建筑的柱和重荷載梁的縱向鋼筋中，以有效減小鋼筋用量，形成既與國際接軌又具有中國特色的建筑用鋼筋300，400和500 MPa的完整系列。近年來，高強鋼筋越來越廣泛應用于公路、鐵路(含高速鐵路)上。為加快500 MPa級細晶粒熱軋帶肋鋼筋在工程中的推廣應用，本文對其在混凝土中的粘結(jié)錨固性能展開深入的試驗研究，擬合回歸得出HRBF500鋼筋的極限粘結(jié)強度計算公式，并提出鋼筋在混凝土中的錨固長度設(shè)計建議［1-3］。

1 材料性能試驗結(jié)果

試驗用鋼筋公稱直徑分別取8，12，16和25 mm，每種直徑各取3根500 mm長鋼筋，依照《金屬拉伸試驗方法》(GB/T 228—2002)進行HRBF500細晶粒鋼筋的材料力學性能試驗，試驗結(jié)果見表1［4］。

表1 HRBF500細晶粒鋼筋的材料力學性能試驗結(jié)果

由表1可知，不同直徑鋼筋的屈服強度均＞500 MPa，極限抗拉強度均 ＞680 MPa，強屈比均＞1.25;屈服強度和抗拉強度隨直徑的增加而略有降低;除直徑8 mm鋼筋彈性模量略低于2.0×105MPa以外，其它鋼筋實測彈性模量在(2.14 ～2.18)×105MPa。試驗過程中，鋼筋頸縮現(xiàn)象明顯，斷口清晰，應力應變曲線的屈服臺階較長［5］。

2 試驗方案

考慮混凝土強度、錨筋直徑、錨固長度、保護層厚度和橫向配箍率等錨固影響因素，試驗設(shè)計了25組75個HRBF500細晶粒鋼筋在混凝土中的拉拔構(gòu)件，試驗方案如表2所示［6］。

試驗構(gòu)件加載端設(shè)置塑料膠套隔離混凝土，形成50 mm長的無粘結(jié)部分，以消除加載端墊塊對混凝土局部擠壓的影響。

在WE-30型液壓式萬能試驗機上進行錨固試驗。依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》(GB/T 50152—2012)的要求分級加載;構(gòu)件加載端設(shè)置2個百分表測定加載端滑移，構(gòu)件自由端設(shè)置1個百分表測定自由端滑移;構(gòu)件所受的拉拔力通過油壓表和荷載傳感器同時記錄，試驗裝置如圖1所示［7］。

表2 試驗方案

圖1 試驗裝置

3 錨固試驗結(jié)果分析

3.1 粘結(jié)滑移曲線

HRBF500細晶粒鋼筋粘結(jié)滑移曲線大致分為5個階段［8］:

1)微滑移階段。荷載較小時，加載端的百分表滑移值較小，百分表輕微震動;自由端百分表無變化，鋼筋未發(fā)生滑移。此時，化學膠結(jié)力逐漸沿錨固長度向內(nèi)滲透，但尚未達到自由端。

2)滑移階段。當加載至極限荷載的1/3～1/2時，自由端出現(xiàn)滑移，此時錨固長度上的化學膠結(jié)力已消失，摩擦力與機械咬合力發(fā)生作用;此后，滑移與荷載進入短暫的穩(wěn)定增長階段;隨荷載的增加，荷載滑移曲線開始呈現(xiàn)非線性狀態(tài)。

3)劈裂階段。荷載增加至極限荷載的80% ～90%時，在略加荷載甚至不增加荷載的情況下，百分表指針快速轉(zhuǎn)動，讀數(shù)困難，滑移值持續(xù)增長(肉眼可見)，呈現(xiàn)明顯的非線性狀態(tài)。當荷載稍有增加時，構(gòu)件沿混凝土保護層最小處產(chǎn)生裂縫。對不配橫向箍筋的構(gòu)件，當拉拔力達到峰值后即發(fā)生劈裂破壞;對于配橫向箍筋的構(gòu)件，只開裂不破壞。

4)下降階段。配橫向箍筋構(gòu)件粘結(jié)滑移曲線下降段明顯。當拉拔力達到峰值出現(xiàn)裂縫后，荷載不再增加，由于橫向箍筋的約束作用，錨固試件開裂以后不會馬上破壞，持續(xù)滑移，直至鋼筋拔出，荷載滑移曲線出現(xiàn)下降段。

5)殘余階段。當滑移達到一定的數(shù)值時，荷載不再下降，直至鋼筋從混凝土中緩慢拔出，此時只有摩擦力控制荷載。

圖2為B-Ⅰ-3構(gòu)件的荷載滑移曲線，構(gòu)件未配置箍筋，當達到粘結(jié)應力峰值后構(gòu)件發(fā)生劈裂破壞，滑移曲線無下降段，對應于峰值應力的滑移值較小，自由端滑移為0.140 mm，加載端滑移為1.135 mm。

圖3為F-Ⅲ-2構(gòu)件的荷載滑移曲線，構(gòu)件配置螺旋形箍筋。當達到粘結(jié)應力峰值后滑移曲線有顯著的下降段，極限滑移值較大，自由端滑移為7.780 mm，加載端滑移為7.405 mm。

穩(wěn)心顆粒輔助治療不穩(wěn)定型心絞痛療效和安全性的Meta分析 …………………………………………… 習元堂等（22）：3158

圖2與圖3中的縱坐標為平均粘結(jié)應力，計算公式為τ=F/(πdla)，其中F為各級荷載下的拉拔力;d為錨筋的直徑;la為錨固長度。

圖2 B-Ⅰ-3構(gòu)件的荷載滑移曲線(未配置箍筋)

圖3 F-Ⅲ-2構(gòu)件的荷載滑移曲線(螺旋形箍筋)

3.2 粘結(jié)破壞形態(tài)

試驗結(jié)果表明，HRBF500細晶粒鋼筋的粘結(jié)錨固破壞形態(tài)大致可分為3類。

1)劈裂破壞。圖4(a)所示的A-I-3構(gòu)件發(fā)生劈裂破壞，大致出現(xiàn)2條裂縫，沿著裂縫構(gòu)件劈裂為兩半。當構(gòu)件的錨固長度較短或其保護層厚度較薄時常呈現(xiàn)此類破壞形態(tài)。

2)鋼筋拔出破壞。圖4(b)所示的F-Ⅳ-1構(gòu)件(配箍率ρsv=0.93%)發(fā)生鋼筋拔出破壞，由于螺旋箍筋的水平約束作用，構(gòu)件未被劈裂，破壞時鋼筋被緩慢拔出。當試驗構(gòu)件的混凝土保護層厚度較大或配置有橫向箍筋時，常呈現(xiàn)此類破壞形態(tài)。

3)鋼筋拉斷破壞。圖4(c)所示的A-Ⅳ-1構(gòu)件發(fā)生鋼筋拉斷破壞，破壞時構(gòu)件自由端滑移值僅為0.020 mm，加載端滑移值為2.995 mm，加載端滑移的增長主要由鋼筋的伸長引起，直至鋼筋達到其抗拉強度而被拉斷，未發(fā)生錨固破壞。

圖4 鋼筋破壞形態(tài)

4 錨固性能影響因素分析

4.1 混凝土抗拉強度的影響

選取A-Ⅰ，A-Ⅱ，A-Ⅲ和 A-Ⅳ共4組12個構(gòu)件。混凝土抗拉強度 ft在2.410～3.273 MPa。在錨筋公稱直徑、錨固長度和保護層厚度均相同，未配箍筋的前提下，考慮混凝土強度的影響。由試驗結(jié)果得出:HRBF500細晶粒鋼筋的粘結(jié)強度τu隨ft的提高而提高，二者大致呈線性關(guān)系，回歸得出二者的關(guān)系為

4.2 錨固長度的影響

選取 A-Ⅰ，B-Ⅰ，B-Ⅱ，B-Ⅲ和 B-Ⅳ共 5 組 15 個構(gòu)件。15個構(gòu)件錨固長度la在80～400 mm，其余參數(shù)相同，以此分析錨固長度的影響。試驗得出:構(gòu)件的相對平均粘結(jié)應力τu/ft隨著相對錨固長度la/d的增大而減小，其變化規(guī)律和普通熱軋帶肋鋼筋基本相同。回歸得出τu/ft與la/d的變化關(guān)系式為

4.3 鋼筋直徑的影響

4.4 相對保護層厚度的影響

選取A-Ⅰ，D-Ⅰ，D-Ⅱ 3組9個構(gòu)件，并參考前期試驗結(jié)果，對15個構(gòu)件予以分析。構(gòu)件中保護層厚度為20～42 mm。在混凝土抗拉強度、錨筋直徑和錨固長度相同的情況下，比較構(gòu)件的相對平均粘結(jié)應力τu/ft隨相對保護層厚度的變化。試驗得出:構(gòu)件的相對平均粘結(jié)應力τu/ft隨著相對保護層厚度c/d的增大而增大。回歸得出二者的變化關(guān)系式為

4.5 橫向配箍率的影響

選取A-Ⅰ，E-Ⅴ，E-Ⅵ3組9個構(gòu)件，并參考前期試驗結(jié)果，對15個構(gòu)件予以分析。保護層厚度為20～42 mm;橫向配箍率為0～0.665%。在混凝土抗拉強度、錨筋直徑和錨固長度相同的情況下，比較構(gòu)件的相對平均粘結(jié)應力τu/ft隨橫向配箍率ρsv的變化。試驗結(jié)果得出:構(gòu)件的相對平均粘結(jié)應力τu/ft隨橫向配箍率的增大而增大，二者大致呈線性關(guān)系，經(jīng)回歸得出

5 基本錨固長度計算

考慮混凝土抗拉強度、錨固長度、鋼筋直徑、相對保護層厚度和劈裂面配箍率等錨固因素的影響，在試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，回歸得到HRBF500鋼筋極限粘結(jié)強度計算公式為［9］

對75個試驗構(gòu)件，用式(6)求得極限粘結(jié)強度計算值。極限粘結(jié)強度試驗值與計算值比值的平均值μ=1.206，變異系數(shù) δ=0.203，可見二者吻合較好。

錨固極限狀態(tài)下的平衡條件為

式中，F(xiàn)u為極限拉拔力為臨界錨固長度，fy為鋼筋的抗拉強度設(shè)計值。

當充分利用HRBF500鋼筋的抗拉強度時，取fy=435 MPa，對于C20～C60混凝土強度等級，根據(jù)式(9)計算得出 HRBF500鋼筋的臨界錨固長度，如表3所示。

表3 HRBF500鋼筋的錨固長度

由表3可知，對應于不同的混凝土強度等級，當采用HRBF500鋼筋計算錨固長度時，規(guī)范公式計算值與式(9)計算值的比值在1.067～1.087，兩者吻合較好。

6 結(jié)論

本文通過75個HRBF500細晶粒鋼筋的拉拔試驗，分析了荷載滑移曲線的特點及粘結(jié)破壞形態(tài)，主要結(jié)論如下:

1)HRBF500鋼筋的屈服強度實測值均＞500 MPa，極限抗拉強度實測值均 ＞680 MPa，強屈比均＞1.25;鋼筋頸縮現(xiàn)象明顯，斷口清晰，應力應變曲線的屈服臺階較長。

2)考慮混凝土強度、錨筋直徑、錨固長度、保護層厚度和橫向配箍率等錨固影響因素，回歸得到HRBF500鋼筋極限粘結(jié)強度計算公式，并提出HRBF500鋼筋的錨固長度設(shè)計建議，計算結(jié)果與規(guī)范公式計算值吻合較好。

［1］陳萌.中強度預應力HR鋼棒在混凝土中的錨固試驗及可靠度分析［J］.鐵道建筑，2012(11):136-139.

［2］劉立新，李殿文，陳萌.細晶粒熱軋帶肋鋼筋粘結(jié)錨固性能試驗研究［J］.工業(yè)建筑，2011，41(2):61-65.

［3］牛向陽，王全鳳，楊勇新，等.高溫后普通混凝土與細晶粒鋼筋粘結(jié)性能試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2012(3):116-118.

［4］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 228—2002 金屬拉伸試驗方法［S］.北京:中國標準出版社，2002.

［5］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 1499.2—2007 鋼筋混凝土用鋼第2部分:熱軋帶肋鋼筋［S］.北京:中國標準出版社，2007.

［6］MARTí-VARGAS J R，GARCíA-TAENGUA E，SERNA P.Influence of Concrete Composition on Anchorage Bond Behavior of Prestressing Reinforcement［J］.Construction and Building Materials，2013，48(11):1156-1164.

［7］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 50152—2012 混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［8］徐有鄰.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理及修訂規(guī)范的應用［M］.北京:清華大學出版社，2012.

［9］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50010—2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.