鋼筋黏結性能對鋼筋混凝土梁抗剪性能影響

楊 成,張瀚引,熊 文,薛 昕

(廈門大學建筑與土木工程學院,福建廈門361005)

鋼筋黏結性能對鋼筋混凝土梁抗剪性能影響

楊 成,張瀚引,熊 文,薛 昕*

(廈門大學建筑與土木工程學院,福建廈門361005)

和傳統鋼筋相比,廣泛應用于耐腐蝕工程中的表面涂層加工鋼筋的黏結性能必然會發生變化,由此產生的對鋼筋混凝土(以下簡稱RC)梁構件的承載機制和破壞模式的影響還未被揭示.另外,還存在由于箍筋銹蝕引起的黏結退化對RC梁的抗剪性能的影響,以及以往的研究存在的分歧.鑒于此,通過實驗就表面涂層縱向受拉鋼筋的黏結性能變化以及不同形式箍筋的黏結退化對RC梁的抗剪性能的影響展開研究.研究結果表明:表面涂層加工縱向受拉鋼筋的黏結性能的變化基本上對RC梁的承載機制、破壞模式以及承載力等承載性能不產生影響;箍筋形式以及其黏結退化與否對RC梁的承載力影響不大,但相對于開口型箍筋,閉合型箍筋對斜裂縫開口變化有更好的約束作用.

黏結性能;表面涂層鋼筋;抗剪性能;破壞形態

近年來,具有良好耐腐蝕性的表面涂層鋼筋被廣泛用于耐腐蝕結構中.常見的表面涂層鋼筋有環氧樹脂涂層鋼筋、鍍鋅鋼筋和復合涂層鋼筋.由于上述鋼筋是在鋼材表層涂覆環氧樹脂、鋅等材料,與普通鋼筋相比其黏結性能必然會發生變化[1].鋼筋和混凝土之間的黏結性能直接關系到鋼筋和混凝土之間的協同工作能力,進而影響到鋼筋混凝土(RC)構件的承載機制和破壞模式,所以在使用表面涂層鋼筋時,應從其黏結性能的變化對RC構件承載性能的影響進行合理的評價.關于環氧樹脂涂層鋼筋的黏結性能,有研究[2-3]表明其黏結強度對涂層厚度很敏感,黏結強度與普通鋼筋差別較大;而有的研究[4-6]則認為其黏結強度與普通鋼筋差別不大,通過實驗得到的2種鋼筋的黏結強度基本一致.以往的研究主要集中在表面涂層鋼筋黏結性能等材料層面,而對于其黏結性能變化對承載機制和破壞模式等結構性能影響的研究較少,因此有必要對其進行深入探討.

鋼筋銹蝕可能引起以下3種現象:鋼筋斷面減小;混凝土中銹脹裂縫出現;鋼筋和混凝土之間的黏結性能退化.在相同銹蝕程度下,鋼筋與混凝土間黏結性能所受的影響更為明顯.關于箍筋銹蝕,以往的研究在“箍筋銹蝕引起的黏結退化是否會影響到RC梁的抗剪性能”這一問題上存在分歧.有研究指出箍筋銹蝕引起的黏結退化降低了箍筋的斜裂縫抑制效果,從而導致混凝土承擔剪力的下降[7-8];然而,也有研究通過對銹蝕梁承載過程中斜裂縫的變化進行分析,認為箍筋銹蝕對混凝土承擔剪力沒有太大影響[9-10].另外,笠松等[11]對人工環境銹蝕RC梁進行的調查結果也表明,只要箍筋不發生錨固破壞,箍筋的銹蝕對梁的承載機制幾乎沒有影響.我們推測引起上述分歧的原因之一可能是箍筋加工形式的影響,需要通過實驗進行進一步驗證.

基于以上背景,本研究采用人工模擬箍筋黏結退化的方法,通過實驗對表面涂層縱向受拉鋼筋的黏結性能變化以及不同加工形式箍筋的黏結退化對RC梁的抗剪性能的影響展開深入研究.

1 實驗概況

1.1試件概況

實驗梁試件總數為11根,根據剪跨比可分為長梁B3.0系列和短梁B1.5系列.2個系列中各有1根使用普通鋼筋的標準梁用于參照對比.試件幾何尺寸、配筋情況參照圖1和表1,圖1中,D表示鋼筋直徑,l表示試件剪跨長度.梁的截面尺寸均為160 mm×250 mm,截面有效高度為235 mm.縱向受拉鋼筋采用直徑22 mm的HRB400級螺紋鋼筋,根據表面有無涂層分為無涂層的普通鋼筋和廈門新鋼金屬有限公司提供的表面涂層鋼筋.根據鋼筋表面的涂覆材料,將涂層鋼筋分為環氧樹脂鋼筋、鍍鋅鋼筋以及復合涂層鋼筋,環氧樹脂鋼筋涂層厚度在180～300μm內,鍍鋅鋼筋涂層厚度大于70μm,復合涂層鋼筋的涂層厚度介于175～400μm之間.環氧樹脂鋼筋的黏結強度略低于普通鋼筋(根據國家標準[12]應大于85%的普通鋼筋黏結強度);鍍鋅鋼筋表面布滿細微金屬顆粒,較為粗糙,可以推定其與混凝土的黏結強度應不小于普通鋼筋;由于復合涂層鋼筋是在鍍鋅鋼筋的表面再涂覆環氧樹脂,肋紋的高度降低且表面變得光滑,所以其黏結強度應為最低.受壓區架立筋采用直徑16 mm的HPB235級光圓鋼筋,箍筋采用直徑6 mm的HPB235級光圓鋼筋,配筋間距為100 mm,箍筋形狀分為開口型和閉口型2種.B3.0-sa梁和B3.0-sb梁剪跨區內分別使用閉合箍筋和開口箍筋并且都進行了黏結失效處理.B3.0-sc梁左側剪跨區內使用開口箍筋,右側剪跨區內使用閉合箍筋但均未進行黏結失效處理.混凝土的設計抗壓強度為40 N/mm2.對箍筋的黏結失效模擬采用如下人工模擬方法:按照設計圖紙,對中跨內箍筋包裹玻璃紙,在混凝土澆筑前還要在表面涂潤滑機油以達到大幅降低箍筋與混凝土之間黏結強度的效果.黏結失效模擬對象為剪跨區內所有箍筋.為了測定箍筋在加載過程中的應變變化以及最終的屈服狀態,在剪跨區內可能與受剪斜裂縫相交的箍筋豎向兩側粘貼電阻應變片進行加載過程的應變實時測定.

圖1　試件配筋圖(a)和參數(b)(單位:mm)Fig.1 Reinforcement details(a)and geometry of specimens(b)(unit:mm)

1.2加載方案

如圖2(a)所示,本研究采用跨中加載的三點加載方式.加載過程中采用0.3 mm/min的位移控制,峰值點過后荷載下降幅度超過最大荷載的10%時即停止加載.在加載過程對荷載值、撓度值(通過沿跨長布置的6個位移計,參照圖2(a))、箍筋應變值(通過箍筋應變片,布置位置參照圖2(b)和圖2(c))進行連續實時監測.另外,每間隔一定的時間再對受彎裂縫和受剪裂縫的變化進行測定.

表1　試件設計參數表Tab.1 Details of specimens

圖2　加載實驗布置圖Fig.2 Layout of loading test

2 長梁實驗結果及分析

長梁加載實驗結果如表2所示.

表2　長梁加載實驗結果Tab.2 Loading results of long specimens

2.1不同縱向受拉鋼筋影響比較分析

圖3為采用不同種類縱向受拉鋼筋RC梁的荷載-撓度曲線以及各個梁破壞時的裂縫分布圖.可以看出,圖中表示的梁除了B3.0-lc梁以外均發生了由于加載板附近混凝土壓潰導致構件承載力喪失的剪壓破壞.在加載過程中各實驗梁的剛度相差不大,斜裂縫出現后,B3.0-la梁、B3.0-lb梁和B3.0-lc梁甚至表現出比基準梁更高的剛度.進入破壞以后,B3.0-la梁破壞時表現出脆性;B3.0-lb梁的平滑段拉得較長,表現出較好的延性;B3.0-lc的平滑段拉得很長,荷載下降很慢,對照其破壞裂縫圖發現,B3.0-lc破壞時出現多條明顯的受彎裂縫,跨中的一條主要受彎裂縫甚至從梁底一直延伸到頂部,但同時主斜裂縫也延伸到承載板附近,最終都使受壓區混凝土發生壓潰后梁失去承載能力.由于沒有測定縱向受拉鋼筋的應變舉動,所以初步斷定B3.0-lc梁發生了剪壓破壞,但是不能否認有發生受彎破壞的可能性.從破壞時的裂縫分布圖來看,使用表面涂層鋼筋梁的主斜裂縫的發生位置以及傾角和使用普通鋼筋的標準梁基本一致.加載過程中觀察實驗梁裂縫變化情況,發現使用表面涂層加工鋼筋的梁的斜裂縫開口進展狀況和基準梁基本一致,所以可以認為表面涂層加工鋼筋的使用對混凝土承擔剪力基本不造成影響.

圖4表示實驗梁的箍筋屈服位置,箍筋測點布置參照圖2(c).由于箍筋測點較多,這里只列出了B3.0-la梁的箍筋應變測量情況,如圖5所示.B3.0-la梁中超過箍筋屈服分界線的③,⑥,⑧,⑩號箍筋最終達到屈服,④,⑤,⑨號位置的測點失效,從周邊箍筋的屈服狀況來看,可以推測上述位置的箍筋最終也進入屈服狀態.從箍筋屈服位置來看,B3.0-la梁、B3.0-lb梁、B3.0-lc梁與基準梁箍筋屈服位置相差不大.對照圖3中的裂縫圖可知,屈服箍筋的位置和斜裂縫分布基本一致.從箍筋的屈服狀況可以看出,表面涂層鋼筋的使用對箍筋屈服位置和根數影響不大,根據修正桁架理論[13],可以推定箍筋承擔剪力和基準梁基本一致.

綜合以上分析,可得出以下結論:RC梁中的縱向受拉鋼筋為表面涂層鋼筋時,雖然表面涂層鋼筋的黏結強度和普通鋼筋相比稍有變化,但主要斜裂縫的發生位置和傾角,以及加載過程中的裂縫開口變化和基準梁相比基本不變,由此推定RC梁的承載機制和抗剪承載力與基準梁基本相同.

圖3　不同縱向受拉鋼筋長梁的荷載-撓度曲線Fig.3 Load-deflection relationship of long specimens with different longitudinal bar

圖4　不同縱向受拉鋼筋長梁的箍筋屈服位置Fig.4 Yield position of stirrups in long specimens with different longitudinal bar

2.2箍筋形狀以及箍筋黏結性能的影響分析

圖6表示了基準梁和實驗梁的荷載-撓度曲線.從圖中可以看出,經過箍筋黏結失效處理的B3.0-sa梁和B3.0-sb梁到破壞為止的整體剛度都略低于基準梁.另外,B3.0-sa梁的承載力和基準梁相比稍有降低, B3.0-sb梁的承載力更接近于基準梁,但峰值后承載力下降更為劇烈,顯示出明顯的脆性破壞.經過無黏結失效處理,發現左右剪跨區分別采用開口箍筋和閉合箍筋的B3.0-sc梁的剛度明顯比其他梁小,但最大荷載接近于基準梁.可見B3.0-sc梁的破壞發生在配置開口型箍筋的左側剪跨區.從主裂縫性狀來看,B3.0-sc梁的裂縫分布狀況以及主斜裂縫分布位置和傾角接近于基準梁,但經過黏結失效處理的B3.0-sa梁和B3.0-sb梁除了斜裂縫總數和基準梁相比相對較少以外,主斜裂縫發生位置還稍向加載點靠近,這在剪跨區內配置開口型箍筋的B3.0-sb梁中尤為明顯.研究認為總斜裂縫數的減少主要是由箍筋的黏結退化引起.

圖5　B3.0-la梁荷載-箍筋應變曲線Fig.5 Load-stirrups strain of B3.0-la

圖6　不同箍筋長梁的荷載-撓度曲線Fig.6 Load-deflection relationship of long specimens with different stirrups

實驗梁的箍筋屈服位置如圖7所示.從圖中可知, 4根實驗梁的箍筋屈服位置基本相同,B3.0-sb、B3.0-sc梁的箍筋屈服范圍稍向跨中擴展.由此可知,雖然B3.0-sa梁和B3.0-sb梁主斜裂縫發生的位置及傾角出現變化,但屈服箍筋的數量和位置和基準梁基本一致.說明即使是發生了黏結退化的開口型箍筋,其端部的彎鉤在加載過程中與混凝土之間仍保持了較好的錨固作用,起到和閉合型箍筋相同的效果,所以最終箍筋都進入屈服狀態.

圖8是實驗梁的主斜裂縫開口變化圖.從圖中可知,對于箍筋無黏結失效處理的基準梁和B3.0-sc梁,兩者的主斜裂縫開口變化基本相同.與此相比,箍筋經過黏結失效處理的B3.0-sa梁和B3.0-sb梁的主斜裂縫的開口變化更為迅速,特別是采用開口型箍筋的B3.0-sb梁,主斜裂縫出現較早,且在整個加載過程中都保持較高的裂縫開口變化速度.上述結果表明,箍筋黏結失效會導致對斜裂縫發展的限制作用減弱,斜裂縫開口變化加速;和閉合型箍筋相比,開口型箍筋黏結退化導致的對斜裂縫開口變化的限制作用減弱更為明顯.

圖7　不同箍筋長梁的箍筋屈服位置Fig.7 Yield position of stirrups in long specimens with different stirrups

圖8　不同箍筋長梁的裂縫變化曲線Fig.8 Crack opening behavior of long specimens with different stirrups

綜合以上分析可以得出結論:雖然箍筋黏結失效會對斜裂縫總數、主斜裂縫發生位置和傾角以及開口變化速度產生一定的影響,但對抗剪承載機制以及抗剪承載力的影響不大.開口型箍筋和閉口型箍筋對RC梁抗剪性能的影響主要表現在峰值后的舉動:閉口型箍筋RC梁峰值后時具有較好的延性,而開口型箍筋RC梁破壞時呈相對脆性.

3 短梁實驗結果以及分析

短梁共4根實驗梁,實驗加載結果如表3所示.

表3　短梁加載實驗結果Tab.3 Loading results of short specimens

圖9表示了4根實驗梁的荷載-撓度曲線.從曲線和裂縫圖可以看出,4根梁都發生了剪壓破壞,且直至試件破壞之前,4根梁的整體剛度基本無區別.達到最大荷載之后,4根梁的荷載-撓度曲線都急劇下降,顯示出明顯的脆性破壞特征,但其抗剪承載力呈現強弱分別.基準梁和B1.5-la梁(使用環氧樹脂鍍膜鋼筋)的抗剪承載力較高,但B1.5-lb梁和B1.5-lc梁的承載力較低.和基準梁相比,縱向受拉鋼筋使用鍍鋅鋼筋的梁的承載力下降幅度甚至達到13%.鍍鋅鋼筋的黏結強度不低于普通鋼筋,理應不會對承載力造成減小的影響,出現上述結果的原因目前還無法確定,需要進一步的研究探討.

圖9 短梁荷載-撓度曲線Fig.9 Load-deflection relationship of short specimens

圖10表示短梁箍筋屈服位置,箍筋測點布置參照圖2(b).結合圖10中的裂縫分布圖來看,B1.5-la、B1.5-lb梁的主斜裂縫發生位置以及分布和基準梁幾乎一致,而B1.5-lc梁的主斜裂縫位置稍向加載點遷移,但主斜裂縫的小幅移動并未反映到箍筋屈服位置上.使用表面加工鋼筋試件的箍筋屈服位置和基準梁一致.根據以上結果,得出和長梁相同的結論,即表面處理鋼筋的使用并不影響到梁的抗剪承載機制.

圖10　短梁箍筋屈服位置Fig.10 Yield position of stirrups in short specimens

4 結 論

本研究通過實驗對表面涂層縱向受拉鋼筋的黏結性能變化以及不同形式箍筋的黏結退化對RC梁的抗剪性能的影響展開研究,得到以下結論:

1)無論長梁和短梁,環氧樹脂鋼筋、鍍鋅鋼筋以及復合涂層鋼筋的使用對RC梁的荷載-撓度關系、最終承載力以及構件破壞形態等承載性能沒有太大的影響.可以推測這是由于鋼筋表面處理導致的縱向受拉鋼筋黏結性能的整體小幅度變化對RC梁的抗剪性能影響不大.

2)箍筋黏結退化導致斜裂縫數量減少,斜裂縫發展加速,這在箍筋形式為開口型時尤為明顯.但在本研究的范圍內,無論是開口型箍筋還是閉口型箍筋,只要錨固端在承載過程中沒有失效,最終箍筋都會達到屈服,黏結退化對抗剪承載力影響都不大.

3)箍筋形式對斜裂縫的變化會產生一定的影響,相對于開口型箍筋,閉合性箍筋對斜裂縫變化有更好的限制作用,但只要錨固端在承載過程中沒有失效,則箍筋形式對梁的最終承載力影響不大.

致謝:本研究中使用的表面涂層加工鋼筋由廈門新鋼金屬制品有限公司提供,在此表示衷心的感謝!

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Effect of Bond Performance on Shear Behaviors of Reinforced Concrete Beams

YANG Cheng,ZHANG Hanyin,XIONG Wen,XUE Xin*

(School of Architecture and Civil Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

In recent years,surface-coated steel bars have been widely used in reinforced concrete(RC)structures under corrosion environments.Their bond performance is different from that of the conventional steel bars,but the effect on the structural performance of RC members has not been clarified yet.In addition,published studies have expressed different opinions on the effect of the bond deterioration on the shear performance of RC beams.This study carries out an experimental investigation on the effect of surface coated longitudinal tension bars and the bond deterioration of stirrups with different types on shear behaviors of RC beams.Test results indicate that RC beams with different surface-coated reinforcement show little difference in shear behaviors from control beams using the conventional reinforcement.The bond strength and the type of stirrups exert little influence on shear capacity of RC beams.However, comparing with opened-type stirrups,closed-type stirrups impose a better restriction on the development of diagonal cracks.

bond performance;surface coated reinforcement;shear behavior;failure mode

TU 375.1

A

0438-0479(2016)06-0906-06

10.6043/j.issn.0438-0479.201602022

2016-02-10 錄用日期:2016-04-11

福建省自然科學基金(2013J01207)

xuexin@xmu.edu.cn

楊成,張瀚引,熊文,等.鋼筋黏結性能對鋼筋混凝土梁抗剪性能影響[J].廈門大學學報(自然科學版),2016,55(6): 906-911.

YANG C,ZHANG H Y,XIONG W,et al.Effect of bond performance on the shear behavior of reinfoced concrete beams [J].Journal of Xiamen University(Natural Science),2016,55(6):906-911.(in Chinese)