高強不銹鋼絞線網在ECC中的搭接性能

朱俊濤，趙奎，鄒旭巖，王新玲，李可，張哲

(1.鄭州大學 土木工程學院，鄭州 450001；2. 鄭州工程技術學院 土木工程學院，鄭州 450044)

工程水泥基復合材料(Engineered Cementitious Composites，ECC)是一種新型的水泥基復合材料。與普通混凝土相比，由于纖維的橋聯作用，使其具有拉伸應變硬化和多縫開裂的特點，提高了結構的延性和耗能能力[1]，但強度較低，需要結合增強材料來充分發揮其工作性能。普通鋼筋強度低，難以充分發揮ECC的優異性能；纖維編織網性能優越，但經濟性和施工性能較差[2-7]。而高強不銹鋼絞線具有強度高、耐久性好及運輸、施工方便等優點，常與環氧樹脂或聚合物砂漿組合用于混凝土結構加固[8]。因此，基于兩種材料(高強不銹鋼絞線、ECC)的優點，提出高強不銹鋼絞線網增強ECC這一新型復合材料[9-11]，既充分發揮了ECC和高強不銹鋼絞線的優點，又克服了相應增強材料的缺點。

考慮實際工程施工，增強材料在基體中需要截斷、搭接，而截斷、搭接削弱了基體對增強材料的握裹作用，因此，需要對增強材料的搭接性能進行研究，以確保構件受力的安全性。學者們對增強材料在基體中的搭接性能開展了廣泛研究[12-16]。Choi等[17]通過拉伸試驗，研究了不同抗壓強度的混雜纖維增強SHCC中搭接鋼筋的粘結性能，并考慮搭接長度等多種因素影響，提出局部最大粘結應力和平均粘結應力計算公式。Metelli等[18]對纖維混凝土梁交錯搭接鋼筋進行試驗研究，得出纖維摻量及截面搭接鋼筋百分比對鋼筋搭接性能的影響規律。方志等[19]研究了活性粉末混凝土中帶肋鋼筋搭接連接的受力性能，確定了活性粉末混凝土中縱筋的搭接長度。惠慧[20]通試驗研究了不同因素(搭接長度、保護層厚度、混凝土強度、配箍率以及GFRP筋直徑)對GFRP筋在混凝土中搭接性能的影響規律，提出了GFRP筋在混凝土中的搭接粘結強度計算公式及搭接長度計算公式。

綜上所述，目前對各種筋材的搭接受力性能、破壞特點以及搭接長度等已有深入研究，中國現行規范也對搭接構造要求進行了相關規定。然而，對鋼絞線網在ECC中搭接性能鮮有研究。因此，本文以橫向鋼絞線間距、相對搭接長度、鋼絞線直徑為試驗參數，對39個搭接連接試件進行中心對拉試驗，以探究高強不銹鋼絞線網在ECC中的搭接連接性能影響規律，進而確定其臨界搭接長度及相關構造措施。

1 試驗方案設計

1.1 試件設計

共制作了39個拉拔試件，考慮不同試驗工況分為4組，每組3個試件。試件設計圖如圖1所示。圖中，a為試件長度，l0為非粘結段長度，la為搭接長度，c為試件的厚度。試件設計參數如表1所示。

圖1 高強不銹鋼絞線網增強ECC試件圖(mm)Fig.1 Detail diagram of high-strength stainless steel strainer reinforced ECC specimen (mm)

表1 試件參數Table 1 Parameters of ECC specimen

1.2 加載方式及量測方案

由于試驗機尺寸限制，搭接試驗在圖2所示的自制鋼吊籃中進行。試驗采用穿心液壓千斤頂進行手動加載，整個裝置橫臥式放置，左端為加載端，右端采用兩塊打孔的鋼板對鋼絞線端頭進行固定。在試件上下兩側放置鋼管保證試件處于裝置中心位置，避免偏心受拉。

圖2 試驗裝置及示意圖Fig.2 Test equipment and schematic diagram

試驗采用力加載方式，每級荷載按照5%的最大荷載進行遞增。試驗時，鋼絞線被拉斷或者拔出即停止加載。分別測量加載端B點和C點的相對位移。考慮AB、CD段受力較大且有一定長度，因此，B、C兩點的實際位移可用A、D兩點的位移分別去除AB、CD段的變形表示。

AB段變形:

(1)

式中：F為外荷載，即拉拔力；lAB為AB段的長度；ES、AS分別為鋼絞線的彈性模量和實測截面面積。

從而可以得到試件左端的實際滑移Sl。

Sl=SA-SAB

(2)

式中：SA為A點的位移。

試件右端實際滑移Sr與左端滑移Sl計算方法相同。

粘結段的實際滑移量S：

S=Sl+Sr

(3)

平均粘結應力τ：

(4)

式中：d為鋼絞線的公稱直徑；la為搭接長度。

1.3 材料性能試驗結果

鋼絞線：每種直徑的鋼絞線均取3個試樣，其拉伸試驗結果取平均值，見表2；其測得的應力-應變曲線如圖3所示。

表2 鋼絞線材料屬性Table 2 Steel strand material properties

圖3 鋼絞線應力-應變試驗曲線Fig.3 Stress-strain test curve of steel strand

ECC力學性能：ECC受壓性能由70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體試塊經28 d標準養護測得；其拉伸性能由薄板長條試件的單軸拉伸試驗測得，試件尺寸為280 mm×40 mm×15 mm。ECC受拉應力-應變曲線如圖4所示。其抗壓強度、極限抗拉強度及對應的伸長率分別為32.45 MPa、2.83 MPa、2.2%。

圖4 ECC拉伸應力-應變試驗曲線Fig.4 ECC tensile stress-strain test curve

2 試驗現象及結果

2.1 試驗現象

試驗結果表明，鋼絞線搭接的破壞模式分為兩種：鋼絞線拔出破壞和拉斷破壞,其破壞模式如圖5所示。

鋼絞線拔出破壞(P)：A、B1、B2部分試件、C1、C2、D1、D2組試件鋼絞線被拔出。從圖6可以看出，試件加載初期，兩端位移均緩慢增加，隨著荷載增加，荷載-滑移曲線逐漸呈非線性，當接近峰值荷載時，荷載增速放緩，滑移增加較大，達到峰值荷載后，試件一側縱向鋼絞線突然被拔出約10 mm，同時，荷載降至峰值荷載的40%左右。

圖5 試件破壞模式Fig.5 Failure mode of ECC specimens enhanced by high strength stainless steel stranding

圖6 鋼絞線破壞時的典型荷載-滑移曲線Fig.6 Typical load-slip curve when steel strand breaks

鋼絞線拉斷破壞(R)：B2剩余試件、B3、C3、D3組試件鋼絞線被拉斷。荷載-滑移曲線如圖6所示，試件加載初期，兩端位移均緩慢增加，隨著荷載增加，荷載-滑移曲線逐漸呈非線性，當接近峰值荷載時，荷載增速放緩，滑移增加較大，達到峰值荷載前，滑移曲線非線性較為明顯。隨后，荷載達到鋼絞線的極限承載力(4.5、3.2、2.4 mm鋼絞線的極限承載力分別為14.4、7.8、4.3 kN)，整根鋼絞線被拉斷。

搭接試件發生上述破壞(鋼絞線拔出、鋼絞線拉斷)時，荷載均迅速下降，破壞過程較為突然，脆性較大。此后，位移計所測數據產生較大偏差，因此，后續分析中僅考慮滑移曲線的上升段，不再考慮其下降段。

2.2 試驗結果分析

表3為各試件的試驗結果，從表中可以看出，A、B1、B2部分試件、C1、D1組試件(搭接長度較小)均為鋼絞線拔出破壞。B2剩余試件、B3、C3、D3組試件(搭接長度較長)為鋼絞線拉斷破壞。A組試件(4.5 mm、搭接長度15d)峰值荷載基本接近，但A1組(無橫向鋼絞線)峰值荷載對應的滑移量為2.99 mm；A2-A4(橫向鋼絞線間距為20、30、40 mm)對應的滑移量分別為1.57、2.03、2.48 mm。由此可知，橫向鋼絞線的設置及間距的改變對鋼絞線網/ECC搭接時的峰值荷載影響不大，但隨著橫向鋼絞線間距的減小，各組試件峰值荷載對應的滑移逐漸較小。這表明橫向鋼絞線可以有效約束縱向鋼絞線的滑移，并且隨著橫向鋼絞線間距的減小，約束效果越明顯，但未改變其脆性破壞的性質。B1-B3試件(搭接長度由20d增至32d)的峰值荷載由11.6 kN增至14.4 kN，對應的滑移量由2.21 mm增至2.77 mm；C、D組試件類似，表明鋼絞線網的搭接長度對搭接性能影響較大。搭接長度均為20d的B1、C1、D1這3組試件(鋼絞線網直徑分別為4.5、3.2、2.4 mm)，隨著鋼絞線直徑的增大，峰值荷載由3.84 kN增長11.60 kN，而對應的滑移量由2.38 mm降至2.21 mm，這表明鋼絞線直徑對其搭接性能影響較大。

表3 試驗結果Table 3 Test results

續表3

3 搭接性能影響因素分析

3.1 橫向鋼絞線及其間距影響分析

圖7為A組試件(錨固長度為15d，A1無橫向鋼絞線，A2、A3、A4間距分別為20、30、40 mm)的荷載-滑移曲線。從圖7中可以看出，A組試件的峰值荷載較為接近，這表明橫向鋼絞線的引入對搭接時的粘結力及搭接時的極限粘結應力影響不大。但達到峰值荷載時，對應的滑移量相差較大，且同級荷載下對應的縱向鋼絞線滑移量隨著橫向鋼絞線間距的減小而減小。

由試驗結果繪制不同橫向鋼絞線間距(ld)與滑移量(sa)的關系曲線，如圖8所示。從圖8中可以看出，橫向鋼絞線的間距與峰值荷載對應的滑移量呈正相關；橫向鋼絞線間距越大，達到峰值荷載時的滑移量越大。這表明：對于搭接試件，橫向鋼絞線可以對縱向鋼絞線形成有效約束，從而減小其相同載荷下的滑移量；且橫向鋼絞線間距越小，約束作用越明顯。橫向鋼絞線的設置，對搭接試件的脆性破壞模式影響不大。該現象主要是由于搭接試件中兩根縱向鋼絞線并排放置，緊密靠攏，與粘結試件相比，鋼絞線周圍ECC的握裹作用減小，且兩縱向鋼絞線之間的ECC受到雙向擠壓，而橫向鋼絞線對其緩解作用有限。

圖7 不同橫向鋼絞線間距試件的荷載-滑移曲線Fig.7 Load-slip curve of specimens with different transverse steel wire spacing

圖8 橫向鋼絞線間距(ld)與滑移量(sa)關系曲線Fig.8 Curve of relationship between transverse steel strand spacing (ld) and slip (sa)

3.2 搭接長度影響分析

由試驗結果可知，搭接長度對鋼絞線搭接連接性能影響較大，不同搭接長度試件的荷載-滑移曲線如圖9所示。從圖9(a)中可以看出，滑移初期，4.5 mm不同搭接長度的3組試件(搭接長度分別為15d、20d、28d)的滑移量相差不大；從圖9(b)、(c)可以看出，3.2、2.4 mm不同搭接長度的3組試件(搭接長度為20d、22d和25d)，隨著搭接長度的增加，同級荷載對應的滑移量減小。滑移后期，隨著搭接長度的增加，相同荷載下產生的滑移量減小，但達到最大荷載時，滑移量變大。表明隨著搭接長度的增加，“搭接剛度”增加。

圖9 不同搭接長度試件的荷載-滑移曲線Fig.9 Load-slip curves of specimens were enhanced by different bond lengths

依據試驗結果，繪制不同鋼絞線直徑試件相對搭接長度(la相對搭接長度是指鋼絞線搭接長度與相應鋼絞線直徑的比值，為充分考慮并分析“搭接長度”單一因素對搭接性能的影響，采用相對搭接長度。)與滑移量(sa)的關系曲線，如圖10所示。從圖中可以看出，相對搭接長度與滑移量呈正相關，隨著相對搭接長度的增加，達到峰值荷載時的滑移量增大，上升段的斜率也變大。

圖10 相對搭接長度(la)與滑移量(sa)關系曲線圖Fig.10 Curve of relative lap length (la) and slip (sa)

不同鋼絞線直徑試件相對搭接長度(la)與極限粘結應力(τa)的關系曲線如圖11所示。從圖中可以看出，搭接長度與搭接時的極限粘結應力呈負相關；搭接長度越長，搭接時極限粘結應力越低，該現象主要是由于在拉拔過程中沿搭接長度方向的粘結應力分布不均勻，隨著搭接長度的減小，高應力區的相對長度增加，應力較為豐滿，故其極限粘結應力越高，且搭接長度越小，其平均粘結應力越接近真實粘結強度。

圖11 相對搭接長度(la)與極限粘結應力(τa)關系曲線圖Fig.11 Curve of relative lap length (la) and ultimate bond stress (τa)

3.3 鋼絞線直徑影響分析

橫向鋼絞線間距和搭接長度相同時，鋼絞線直徑不同的搭接試件的荷載-滑移曲線如圖12所示。從圖中可以看出，隨著鋼絞線直徑的增加，相同荷載下所對應的滑移量減小。且鋼絞線直徑越大，試件極限拉拔力越大。達到峰值荷載時，滑移量越小，荷載滑移曲線上升段的斜率越大，“搭接剛度”越大。

圖12 鋼絞線直徑不同試件的荷載-滑移曲線Fig.12 Load-slip curve of steel strand specimens with different diameter

圖13為峰值荷載作用下，滑移量(sa)和極限粘結應力(τa)與鋼絞線網直徑(d)的關系曲線圖。從圖中可以看出，鋼絞線直徑與滑移量和極限粘結應力均呈負相關。隨著鋼絞線直徑的增大，達到峰值荷載時的滑移量越小。鋼絞線直徑越大，搭接時極限粘結應力越低，該現象主要是由于泊松效應，鋼絞線在受拉過程中，鋼絞線沿徑向產生收縮變形降低了兩者的粘結性能，并隨著鋼絞線直徑增加，泊松效應越明顯，鋼絞線產生的徑向變形越大，從而導致鋼絞線與ECC的粘結強度降低。

圖13 峰值荷載下滑移量(sa)和極限粘結應力(τa)與鋼絞線網直徑(d)的關系曲線圖Fig.13 Curve of the relationship between the peak load slip (sa) and the ultimate bond stress (τa) and the diameter of the stranded wire mesh (d)

4 臨界搭接長度的確定

由搭接試驗結果可以看出，當4.5 mm鋼絞線在搭接長度為28d時，一個試件為鋼絞線拉斷破壞，兩個試件為鋼絞線滑移破壞；而搭接長度為32d的試件鋼絞線全部被拉斷。由此，可以將28d作為4.5 mm鋼絞線的臨界搭接長度。同理，3.2、2.4 mm鋼絞線的臨界搭接長度均為25d。

在臨界錨固長度計算公式的基礎上，引入修正系數β，得到臨界搭接長度的計算公式

(5)

式中：la為臨界搭接長度；d為鋼絞線直徑；fy為鋼絞線極限抗拉強度；ft為ECC極限抗拉強度。

將上述結果及相關材性數據代入式(5)，進行數據擬合，結果如圖14所示。基于試驗結果，確定修正系數β=1.17，近似取為1.2。

圖14 修正系數擬合Fig.14 Modified coefficient fitting

5 結論

通過對4組39個高強不銹鋼絞線網/ECC試件進行拉拔試驗，分析了橫向鋼絞線間距、鋼絞線直徑及搭接長度對其搭接性能的影響規律，得出以下主要結論：

1)對于搭接試件，橫向鋼絞線的設置可以約束縱向鋼絞線的滑移；在一定范圍內，橫向鋼絞線間距越小，達到峰值荷載時滑移量越小，但不會改變搭接破壞時的脆性特征。

2)鋼絞線網/ECC搭接時的極限粘結應力與鋼絞線直徑和搭接長度均成負相關。鋼絞線直徑越大及搭接長度越長，搭接時的極限粘結應力越小。

3)基于試驗結果，確定了鋼絞線網與ECC的臨界搭接長度；并在鋼絞線網/ECC臨界錨固長度計算公式的基礎上，提出了引入修正系數β的搭接長度計算公式。