鋼筋混凝土拉拔力學性能影響因素敏感性分析

秦瑤

摘? ?要：鋼筋混凝土的抗拉性能受到多種因素的影響。結合室內試驗與數字圖像分析技術，研究了鋼筋屈服強度、鋼筋直徑、鋼筋表面形狀對鋼筋混凝土試件的破壞形態、極限抗拉承載力、試件表面應變的影響規律。結果表明，鋼筋混凝土試件拉拔試驗破壞形態主要有拔出破壞、拉斷破壞、劈裂破壞3種，上述3種破壞形態對應的試件極限抗拉承載力依次增加;各因素對拉拔力學性能的影響程度從強至弱依次為鋼筋屈服強度、鋼筋直徑、鋼筋表面形狀;試件拉拔過程中的混凝土表面應變規律為：在抗拉承載力-位移曲線上升階段對應的試件表面為拉應變，其下降階段的試件表面從中心到四周由拉應變逐漸變為壓應變。研究成果可為鋼筋混凝土的結構設計提供理論依據。

關鍵詞：鋼筋混凝土;拉拔試驗;鋼筋直徑;鋼筋屈服強度;破壞形態;數字圖像技術

國內外學者對影響鋼筋混凝土拉拔力學性能的因素進行了大量試驗研究及數值模擬研究。然而，關于鋼筋表面形狀、鋼筋直徑、鋼筋屈服強度對鋼筋混凝土結構拉拔力學性能的敏感性研究較少。本研究采用室內試驗比較了鋼筋表面形狀、鋼筋直徑、鋼筋屈服強度對試件極限抗拉承載力、最大滑移值、表面應變的影響敏感性，為鋼筋混凝土的結構設計提供參考。

1? ? 試驗材料及試驗方法

1.1? 試件材料參數

試驗選取C40高強混凝土，試件采用150 mm×150 mm× 150 mm規格，試件材料參數如下。

鋼筋：采用3類共6種鋼筋，HPB235光圓鋼筋，直徑12 mm，16 mm，長度250 mm;HRB335螺紋鋼筋直徑12 mm，16 mm，長度250 mm;HRB400螺紋鋼筋直徑12 mm，16 mm，長度250 mm。

膠凝材料：選取重慶江津區生產的拉法基瑞安普通硅酸鹽水泥，水泥標號為P.O42.5。

骨料：采用經過篩分、水洗、烘干，保證粒徑在5 mm以下及粒徑處于5～20 mm的碎石，比例為4∶6。

砂：采用重慶市內普通的細河沙，河沙內的石子較多需要篩分和烘干。

水：采用生活自來水。

試件配合比如表1所示。

1.2? 試驗方案

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）要求制備試件，并依照《混凝土結構試驗方法標準》（GB 50512—2012）采用萬能試驗機進行拉拔試驗。

2? ? 數字圖像技術的基本原理

數字圖像相關技術（Digital Image Correlation Method，DICM）始于20世紀80年代[1]。其簡單流程算法歸結為：讀取實驗對象變形前后的圖像→對照片進行去畸變處理→進行基于相關系數的圖像匹配→計算圖片像素點的位移量→利用標定像素當量的結果得到實際變形量。本研究采用VIC-3D數字圖像技術分析試件拉拔過程中試件表面的應變分布規律。

3? ? 拉拔試驗結果分析

3.1? 試件破壞形態分析

本次試驗試件拉拔破壞形態主要有拔出、拉斷破壞、劈裂破壞。不同鋼筋種類試件破壞形態如表2所示，試件破壞規律如下：（1）不同鋼筋表面形狀。HPB235光圓試件統一為拔出破壞，螺紋試件主要劈裂破壞伴隨部分拉斷破壞。（2）不同直徑。在HRB335組發現直徑增加，試件破壞程度漸進式地加重，拔出破壞—拉斷破壞—劈裂破壞。（3）不同鋼筋屈服強度。對比HRB335與HRB400試件組，試件破壞形態也出現加重，拉斷破壞—劈裂破壞。伴隨破壞形態加劇，其抗拉承載力都有一定程度的提高。

3.2? 不同類型鋼筋試件的拉拔性能分析

從圖1中發現：（1）隨著破壞形態由拔出破壞—拉斷破壞—劈裂破壞，試件抗拉承載力依次提高。（2）鋼筋屈服強度對鋼筋混凝土拉拔力學性能影響程度遠大于鋼筋表面形狀。

拉拔過程可分為4個階段：線性階段、局部脫黏階段、內部擁塞階段、完全脫黏階段。

表3為不同鋼筋種類試件的極限抗拉承載力，可以得出以下結論：（1）螺紋鋼筋試件的極限抗拉承載力比光圓鋼筋試件增加約17%。（2）鋼筋直徑從12 mm增加到16 mm鋼筋混凝土試件極限抗拉承載力均增加，光圓鋼筋HPB235提高近25%，螺紋鋼筋HRB335提高近24%，螺紋鋼筋HRB400提高近41%。（3）提高鋼筋屈服強度能極大程度地提高試件極限抗拉承載力。直徑12 mm 的螺紋鋼筋HRB400比HRB335提高約170%，直徑16 mm 的螺紋鋼筋HRB400比HRB335提高約213%。綜上表明，各因素對鋼筋混凝土試件拉拔力學性能影響程度由強至弱為：鋼筋屈服強度>鋼筋直徑>鋼筋表面形狀。

4? ? 基于VIC-3D數字圖像技術的試件表面應變分析

數值圖像分析流程如下：（1）處理試件并制作散斑點。（2）調節儀器配合萬能試驗機拍攝試件拉拔過程。（3）運用系統圖像分析軟件得到試件拉拔過程三維應變圖等。

分析發現，在線性階段，鋼筋混凝土界面沒有發生相對滑移，拉拔端受壓、自由端受拉;當出現黏結滑移，由于黏結界面混凝土破碎、變細，混凝土表面更多區域出現受拉;隨著黏結滑移由拉拔端向自由端發展，試件拉拔結束時大多數區域受力接近于零，由于拉拔過程中混凝土碎屑隨著鋼筋積聚，部分碎屑積聚處對應的混凝土表現出了受壓的情況。

5? ? 結語

通過對不同鋼筋表面形狀、鋼筋直徑、鋼筋屈服強度試件的拉拔試驗及數值圖像分析得到以下結論：

不同鋼筋表面形狀、鋼筋直徑、鋼筋屈服強度試件拉拔破壞形態主要有拔出破壞、拉斷破壞、劈裂破壞3種，上述破壞形態試件對應的極限抗拉承載力依次增加;鋼筋表面形狀由光圓變為螺紋、鋼筋直徑由12 mm變為16 mm、鋼筋屈服強度由HRB335變為HRB400均能有效增加試件極限抗拉承載力，各因素對鋼筋混凝土試件拉拔力學性能影響由強至弱依次為鋼筋屈服強度、鋼筋直徑、鋼筋表面形狀。

不同鋼筋種類試件在拉拔過程中試件混凝土表面應變變化規律為：在未發生黏結滑移的線性階段，試件混凝土表面拉拔端受拉、自由端受壓，隨著鋼筋混凝土界面黏結滑移區域擴展，受拉區域面積增加，待拉拔結束時大部分區域受力趨近于零，中心小部分區域受壓。

[參考文獻]

[1]蘇? ?勇，張青川，伍小平.數字圖像相關技術的一些進展[J].中國科學：物理學、力學、天文學，2018（9）：23-27.