鋼筋混凝土動態(tài)粘結(jié)性能試驗研究現(xiàn)狀

劉磊，楊旋

（1重慶市綦江區(qū)建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站，重慶 401420；2重慶市建設(shè)崗位培訓中心，重慶 400015）

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不可避免地會受到風荷載、地震荷載、沖擊或爆炸荷載等動態(tài)荷載的作用，開展動態(tài)粘結(jié)性能研究對控制構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的承載能力、變形能力以及結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)具有重大意義。

1 試驗研究方法

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，外力主要依靠阻止兩者相互滑移的粘結(jié)力進行有效傳遞。考慮到滑移面具有復(fù)雜的幾何條件和力平衡條件，因此常將試驗分析作為主要的研究方法。其中，常用試驗裝置有MTS萬能試驗機、落錘試驗機和分離式霍普金森壓桿試驗機三種，如圖1所示；基本試件類型有軸拉試件、拔出試件和梁式試件；主要測量手段為加載裝置測量外荷載和滑移、開槽貼應(yīng)變片測量主筋應(yīng)變、彩色樹脂或墨水監(jiān)測裂縫發(fā)展。

圖1 動態(tài)粘結(jié)性能研究基本試驗裝置

2 鋼筋混凝土動態(tài)粘結(jié)性能國外研究成果

國外學者對鋼筋混凝土動態(tài)粘結(jié)性能的試驗和理論研究取得了大量成果。1962年，Hansen和Liepins[1]在避免混凝土劈裂破壞的情況下，探究了變形鋼筋在靜態(tài)和沖擊拉拔荷載下的粘結(jié)性能。試驗發(fā)現(xiàn)，動荷載作用下的粘結(jié)強度與混凝土強度和鋼筋直徑有關(guān)，動態(tài)加載的鋼筋要比靜態(tài)加載的鋼筋承載能力大，并認為該承載能力的增加完全是由動荷載作用下鋼筋強度的增加所致。

1976年，Hjorth[2]進行了沖擊荷載下的拉拔試驗，發(fā)現(xiàn)加載速率對光圓鋼筋的影響很小，對變形鋼筋的影響顯著。變形鋼筋的粘結(jié)強度隨著加載速率的提高而增大，滑移量隨著加載速率的提高而降低。Hjorth還通過布置的應(yīng)變片測量了鋼筋的應(yīng)力分布和增長規(guī)律，但并未發(fā)現(xiàn)粘結(jié)應(yīng)力分布的不同。

雖然Hansen和Hjorth得到了加載速率對變形鋼筋動態(tài)粘結(jié)性能的影響規(guī)律，但并未提出加載速率對粘結(jié)性能的影響機理，也沒有定量地分析粘結(jié)強度提高的程度，使之無法直接應(yīng)用到理論分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計當中。

考慮到粘結(jié)性能與混凝土強度和裂縫開展速率有很大關(guān)系，1985年，Mindess[3-4]從混凝土變形特性的角度解釋了加載速率對粘結(jié)力的影響，認為粘結(jié)強度與混凝土強度類似于裂縫開展，對應(yīng)變速率變化敏感。Cheng Y[5]將主筋開槽布置應(yīng)變片以測量鋼筋的應(yīng)變變化規(guī)律，布置螺旋箍筋以防止劈裂破壞。通過大量的落錘試驗發(fā)現(xiàn)，粘結(jié)強度隨加載速率的提高增強了30%～50%，粘結(jié)應(yīng)力的分布也趨于不均勻。

Vos[6]通過采用分離式霍普金森壓桿技術(shù)進行了大量的中心拉拔試驗和中心壓入試驗，探究加載速率、混凝土強度和鋼筋類型對粘結(jié)性能的影響。試驗發(fā)現(xiàn)提高加載速率能夠增強變形鋼筋與混凝土間的粘結(jié)強度和粘結(jié)剛度，但提高的幅度隨混凝土強度的提高而降低。Vos還采用了表示加載速率與混凝土強度關(guān)系的Mihashi模型以描述加載速率對粘結(jié)性能的影響，該模型基于斷裂力學建立，如式1和圖2所示。

圖2 Vos試驗中加載速率與粘結(jié)應(yīng)力關(guān)系

式中：t為動荷載作用下達到某特定滑移量時的平均粘結(jié)應(yīng)力；t0為靜荷載作用下達到某特定滑移量時的平均粘結(jié)應(yīng)力；ν和ν0為相應(yīng)的加載速率，采用粘結(jié)應(yīng)力變化率度量；h為表示材料和環(huán)境特性的參數(shù)，用混凝土強度和鋼筋滑移量的函數(shù)表示。

隨后，Hawkins[7]在1987年進行了反復(fù)加載狀態(tài)下的粘結(jié)試驗，提出在反復(fù)荷載作用下鋼筋與混凝土間局部粘結(jié)應(yīng)力-滑移關(guān)系曲線，并應(yīng)用于框架邊節(jié)點的受力性能分析。2003年，John[8]采用圓柱體拉拔試驗發(fā)現(xiàn)試件的極限承載能力隨加載速率的提高而增大，其增幅還與混凝土保護層厚度、主筋直徑和橫肋形狀有關(guān)。

2010年George采用分離式霍普金森壓桿試驗分別得到了靜載和動載作用下試件的荷載-滑移關(guān)系全曲線，試驗發(fā)現(xiàn)：得益于鋼筋和混凝土材料的動力特性，混凝土強度越低，加載速率對粘結(jié)強度的提高幅度越大。

2012年Dongming Yan通過位移控制加載的拉拔試驗得到了試件在不同加載速率下的粘結(jié)-滑移曲線和峰值荷載-位移對數(shù)關(guān)系曲線。試驗發(fā)現(xiàn)，加載速率對粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線的彈性上升段和整體形狀的影響都很小。隨加載速率的提高，峰值荷載增大，達到峰值荷載所需的滑移量減小，耗能性能也提高。同時峰值荷載與對應(yīng)滑移量的對數(shù)大致呈線性關(guān)系，通過回歸擬合提出了表達該關(guān)系的表達式，見式2。

式中：f為達到峰值荷載時主筋橫截面上的應(yīng)力；ε為應(yīng)變。

3 鋼筋混凝土動態(tài)粘結(jié)性能國內(nèi)研究成果

在國外學者研究成果的基礎(chǔ)上，國內(nèi)學者對鋼筋混凝土動態(tài)粘結(jié)性能也開展了一系列研究工作，并取得了一定的研究成果。1994年付恒菁[9]通過154個試件的拉壓反復(fù)加載試驗，研究了錨固鋼筋的粘結(jié)強度和粘結(jié)剛度在反復(fù)荷載作用下逐漸減小的速率及影響因素。試驗發(fā)現(xiàn)：加載的應(yīng)力水平及循環(huán)次數(shù)與粘結(jié)強度和粘結(jié)剛度的退化情況有很大影響。為避免重復(fù)荷載下粘結(jié)性能的退化降低結(jié)構(gòu)的安全性，應(yīng)當采取有效的機械錨固措施或增加鋼筋的設(shè)計錨固長度保證結(jié)構(gòu)的安全使用。

2001年，洪小健[10]采用荷載控制加載，通過半梁式試件探究了加載速率對銹蝕鋼筋粘結(jié)性能的影響。試驗發(fā)現(xiàn)：粘結(jié)強度隨加載速率的提高而提高，但構(gòu)件表面的裂縫隨加載速率的提高而趨于細窄，并認為該現(xiàn)象是由高加載速率下的應(yīng)變發(fā)展滯后效應(yīng)、混凝土強度的提高和裂縫開展速率的降低共同導(dǎo)致。此外，還提出了考慮鋼筋銹蝕量和加載速率的極限粘結(jié)強度計算公式，如式3。

式中：為靜載作用下粘結(jié)應(yīng)力變化率，為銹蝕鋼筋極限粘結(jié)強度；c為主筋的銹蝕率。

2006年，河海大學鄭曉燕[11]通過不同頻率的三角波加載，考慮主筋銹蝕程度和錨固長度的影響，初步探究了銹蝕鋼筋的動態(tài)粘結(jié)機理，得到了粘結(jié)強度和粘結(jié)剛度均隨加載速率提高的規(guī)律。2014年，同濟大學的張偉平[12]通過37個短錨固試件的偏心拉拔試驗探究了橫向約束和錨固長度對動態(tài)粘結(jié)性能的影響。試驗發(fā)現(xiàn)加載速率和保護層厚度可影響試件的破壞模式，箍筋的存在能夠限制徑向裂縫的發(fā)展，提高主筋的粘結(jié)強度，降低峰值荷載對應(yīng)的滑移量。2016年浙江大學李欣欣[13]通過對180個不同混凝土強度和鋼筋直徑的試件開展拉拔試驗，研究了加載速率、側(cè)壓力大小和方向、鋼筋直徑和混凝土強度對粘結(jié)強度的影響。在試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，定量評價了各種因素對粘結(jié)極限強度、殘余粘結(jié)強度和峰值粘結(jié)應(yīng)力對應(yīng)滑移量的影響。最后，提出了考慮加載速率、側(cè)壓力、混凝土強度和鋼筋直徑等因素的變形鋼筋粘結(jié)應(yīng)力-滑移關(guān)系，并對照實驗結(jié)果進行了驗證，如式4。

式中：tu為極限粘結(jié)強度，kr為殘余粘結(jié)強度與極限粘結(jié)強度的比值，b為與粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線下降段有關(guān)的參數(shù)，s為鋼筋的平均滑移量，s0為峰值粘結(jié)應(yīng)力對應(yīng)的滑移量。

加載速率對變形鋼筋粘結(jié)強度的影響必須從引起粘結(jié)力的剪切機理來解釋：對于變形鋼筋，試件破壞是鋼筋變形對混凝土的局部壓碎造成的，混凝土的強度和剛度是重要影響因素；循環(huán)荷載作用下，粘結(jié)力的損失是由混凝土的非彈性變形、開裂等引起應(yīng)力傳遞機制的退化所致；動荷載作用下的應(yīng)變分布比靜荷載引起的應(yīng)變分布復(fù)雜得多，粘結(jié)強度提高系數(shù)隨著應(yīng)變率的提高大致呈線性增加。因此，高加載速率對粘結(jié)強度的影響機理主要來自兩方面：一是鋼筋相對于混凝土的快速滑移，阻礙了混凝土中徑向裂縫的開展，降低了裂縫開展速率；二是高加載速率產(chǎn)生的高應(yīng)變率不止增強了混凝土的抗剪強度和抗壓強度，還提高了主筋屈服強度和極限強度。

4 結(jié)論與建議

本文詳細介紹了鋼筋混凝土動態(tài)粘結(jié)性能試驗研究的發(fā)展歷程，總結(jié)和討論了動態(tài)粘結(jié)性能的研究成果，主要得到以下結(jié)論：

（1）動態(tài)粘結(jié)試驗裝置主要有MTS萬能試驗機、落錘試驗機和分離式霍普金森壓桿試驗機三種，目前主要利用滲透機理探究裂縫的開展，通過測量鋼筋的應(yīng)變理解粘結(jié)應(yīng)力的發(fā)展；

（2）剪切機制是變形鋼筋發(fā)展粘結(jié)力的主要機制，高加載速率對粘結(jié)強度的提高主要歸因于鋼筋和混凝土材料的應(yīng)變率敏感性。

根據(jù)動態(tài)粘結(jié)性能研究現(xiàn)狀中存在的一些基本問題和不足，對粘結(jié)性能研究的進一步發(fā)展提出以下建議：

（1）運用能量守恒定理、斷裂力學和損傷力學等力學知識開展數(shù)值理論分析和有限元分析，從理論上探究鋼筋混凝土的粘結(jié)機理；

（2）探究主筋屈服后階段的粘結(jié)性能和動態(tài)粘結(jié)機理，全面考慮粘結(jié)性能與混凝土強度、錨固長度、主筋直徑和加載速率等因素的關(guān)系，提出考慮加載速率的動態(tài)粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系統(tǒng)一模型。