劉 平，李艷艷，劉 坤

（1.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401；3.河北工業(yè)大學(xué) 校園規(guī)劃處，天津 300130）

目前，在發(fā)達(dá)國(guó)家中500 MPa的鋼筋已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，而在我國(guó)HRB500級(jí)鋼筋的研究還尚未完善.因此，為盡快推廣和使用這種新型鋼筋，提高結(jié)構(gòu)的承載力，減少用鋼量，同時(shí)使我國(guó)建筑用鋼與國(guó)際相接軌，需要對(duì)其性能進(jìn)行深入研究，形成完整技術(shù)數(shù)據(jù)，為HRB500級(jí)鋼筋開(kāi)發(fā)及應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ).

通過(guò)對(duì)66個(gè)鋼筋混凝土試件進(jìn)行單端拉拔試驗(yàn)，研究鋼筋筋錨固長(zhǎng)度、配箍率、混凝土強(qiáng)度、混凝土保護(hù)層厚度對(duì)粘結(jié)錨固性能的影響，并通過(guò)內(nèi)貼應(yīng)變片分析了HRB500鋼筋的粘結(jié)應(yīng)力分布情況[1].

1 試驗(yàn)概括

試驗(yàn)采用河北鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)的HRB500鋼筋，其力學(xué)性能如表1所示.混凝土采用天津水泥廠生產(chǎn)的強(qiáng)度等級(jí)為42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，砂是盧龍湖砂，中砂，粗骨料為粒徑為10～20mm的碎石.試驗(yàn)采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為C20、C30和C40.

試件分兩次澆注，共6大組，22小組，每組3個(gè)試件.試件尺寸見(jiàn)圖1，具體參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.

表1 HRB500鋼筋力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Mechanical capacity of HRB500 steelbar

表2 試件主要參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The primary parametersof Specimen and test result

通過(guò)制作的反力架，利用SANS公司生產(chǎn)的30 t電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn).拉拔力由機(jī)器讀出，自由端和受力端位移通過(guò)電子位移計(jì)讀出[2].具體試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2.

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 HRB500鋼筋荷載-滑移曲線及受力階段

試件C2-1的荷載-滑移曲線和 - 曲線分別如圖3和圖4所示.試件的混凝土強(qiáng)度=44.1MPa，配箍率1.62，保護(hù)層厚度25mm.

通過(guò)試驗(yàn)量測(cè)和觀察分析可知，錨固鋼筋的受力分為微滑移段、滑移段、劈裂段、下降段和殘余段5個(gè)階段.

1）微滑移段：在加載初期，拉拔力較小，此階段粘結(jié)應(yīng)力由膠結(jié)力提供.膠結(jié)力逐漸由加載段向自由段傳遞.

2）滑移段：當(dāng)加載達(dá)到極限菏載的20%左右，由于膠結(jié)力損失殆盡，自由端出現(xiàn)滑移.錨固長(zhǎng)度較短時(shí)，其自由端和加載端滑移逐漸接近.

3）劈裂段：當(dāng)加載達(dá)到極限荷載的75%～80%左右，荷載滑移曲線斜率減小，錨固鋼筋滑移速度大于加載速度，表現(xiàn)出顯著的非線性狀態(tài).此時(shí)，試件沿著混凝土保護(hù)層處發(fā)生縱向劈裂，裂縫的發(fā)展方向?yàn)橛杉虞d端向自由端延伸直至貫通.劈裂后，荷載幾乎不增長(zhǎng)或有衰減.

4）下降段：達(dá)到峰值后荷載迅速下降，滑移大幅增長(zhǎng).

5）殘余段：當(dāng)鋼筋滑移發(fā)展到特定的程度時(shí)，荷載將在一個(gè)狹小的區(qū)域內(nèi)波動(dòng)而再?zèng)]有大的降低，直至錨固鋼筋被拔出，發(fā)生刮犁破壞.錨固長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，如 gt;15 d時(shí)，自由端不發(fā)生滑移，加載端滑移的增加在發(fā)展到某程度后表現(xiàn)為鋼筋的長(zhǎng)度增加，而試件仍然完好，破壞原因是錨筋屈服.

圖1 尺寸示意圖Fig.1 Diagram of specimen size

2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象

試件的破壞形態(tài)包括3種：混凝土的劈裂破壞，混凝土拉裂錨筋拔出破壞，錨筋屈服破壞.前兩者屬粘結(jié)破壞，后者屬于非粘結(jié)破壞.

2.1.1 無(wú)箍筋試件破壞

A、B試件全部中心置筋，無(wú)箍筋，鋼筋直徑由14 mm到22 mm，相對(duì)保護(hù)層厚度由2.9mm到4.9mm.

由試驗(yàn)結(jié)果可以看到，當(dāng)錨固長(zhǎng)度不足，小于臨界錨固長(zhǎng)度時(shí)，錨筋周?chē)捻疟Ｗo(hù)層厚度對(duì)稱(chēng)而不足，內(nèi)裂縫將同時(shí)發(fā)展到混凝土的對(duì)稱(chēng)兩側(cè)表面，因此，試件的破壞主要為混凝土的短時(shí)間的劈裂破壞.破壞時(shí)的主裂縫位于混凝土的保護(hù)層厚度相對(duì)較小的對(duì)稱(chēng)面，裂縫為對(duì)稱(chēng)貫穿裂縫，部分試件被劈裂為3塊.當(dāng)錨固長(zhǎng)度足夠大且超過(guò)其臨界錨固長(zhǎng)度時(shí)，試件的錨筋破壞主要為屈服破壞.破壞時(shí)，錨筋自由端沒(méi)有相對(duì)滑移，混凝土表面一般完好.

2.2.2 配箍筋試件破壞現(xiàn)象及分析

C，D均為配箍試件，其中，當(dāng)錨固長(zhǎng)度較小時(shí)，試件主要發(fā)生混凝土先開(kāi)裂錨筋后拔出的破壞.破壞形式是在薄保護(hù)層一側(cè)出現(xiàn)貫穿裂縫.當(dāng)加載到試件開(kāi)裂荷載時(shí)，保護(hù)層厚度較小一側(cè)的砼表面上出現(xiàn)裂縫，繼續(xù)加載，裂縫快速延伸并貫通整個(gè)截面.此時(shí)若無(wú)箍筋的約束作用，混凝土將會(huì)立即破裂而喪失承載力.由于箍筋對(duì)混凝土的約束作用，絕大部分混凝土在貫通裂縫產(chǎn)生后失去承載力，錨固鋼筋對(duì)砼擠壓力的徑向分力便傳給箍筋，因此試件仍然可以承受較大荷載.最后，混凝土對(duì)錨筋縱向約束力不足從而導(dǎo)致錨筋從混凝土中緩慢拔出而發(fā)生破壞.故試件具有良好的延性.

對(duì)鋼筋拔出的試件打開(kāi)觀看，發(fā)現(xiàn)肋間混凝土均被刮犁破壞.

當(dāng)錨固長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)發(fā)生錨筋屈服破壞，此時(shí)混凝土大部分完好無(wú)損，部分出現(xiàn)細(xì)微裂縫.

3 HRB500鋼筋的粘結(jié)錨固性能影響因素[3]

3.1 混凝土強(qiáng)度影響

試驗(yàn)表明，粘結(jié)錨固強(qiáng)度隨混凝土強(qiáng)度的提高而提高，而且與其抗拉強(qiáng)度成正比，這是因?yàn)闊o(wú)論內(nèi)裂、劈裂、擠壓或是摩阻都與混凝土的質(zhì)量特別是其抗裂性有聯(lián)系.由試驗(yàn)值與相應(yīng)抗拉強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)回歸得到關(guān)系式 ( 1)所示

3.2 保護(hù)層厚度的影響

因?yàn)殄^筋直徑的大小對(duì)粘結(jié)錨固強(qiáng)度的影響相對(duì)較小，所以使用相對(duì)保護(hù)層厚度 /作為影響因素并分析其影響.采用加大砼保護(hù)層厚度的措施，可以提高外圍混凝土抗劈裂能力，可增大試件劈裂應(yīng)力和極限粘結(jié)強(qiáng)度.但當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度大于4.5時(shí)，試件將不會(huì)發(fā)生劈裂破壞，而鋼筋沿橫肋外圍切斷混凝土拔出，因此粘結(jié)強(qiáng)度將不再增加.

3.3 錨固長(zhǎng)度對(duì)粘結(jié)錨固強(qiáng)度的影響

C類(lèi)試件4組12個(gè)，加上CX類(lèi)4組12個(gè)，一共24個(gè)，錨固深度 = 70～250mm， /=5～18.

試件中鋼筋埋深越大，其受力后粘結(jié)應(yīng)力分布越不均勻，破壞時(shí)平均粘結(jié)強(qiáng)度 和最大實(shí)際粘結(jié)應(yīng)力比值越?。▓D7）.

試驗(yàn)結(jié)果表明，平均粘結(jié)錨固強(qiáng)度隨錨固長(zhǎng)度的增加，拉拔力的增加而減小.因?yàn)閼?yīng)力分布不均勻，當(dāng)錨固長(zhǎng)度較小時(shí)，高應(yīng)力區(qū)相對(duì)較大，應(yīng)力曲線較豐滿(mǎn)，平均粘結(jié)應(yīng)力相對(duì)較大；當(dāng)錨固長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，高應(yīng)力區(qū)相對(duì)較小，平均粘結(jié)應(yīng)力相對(duì)較小.極限粘結(jié)應(yīng)力變化隨著錨固長(zhǎng)度的增加而趨于平緩.當(dāng)鋼筋錨固長(zhǎng)度 /gt;10時(shí)，鋼筋加載端屈服而不被拔出.

經(jīng)統(tǒng)計(jì)回歸后得錨固長(zhǎng)度的影響關(guān)系如下：

3.4 橫向配箍率對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響

D類(lèi)試件共4組12個(gè)，DX類(lèi)4組12個(gè)，另有C2，CX2組共6個(gè)試件，配箍率=1.35～2.26.

在拔出試件中配置橫向箍筋，能夠推遲和約束徑向—縱向劈裂縫發(fā)展，防止發(fā)生劈裂破壞，增大其極限粘結(jié)強(qiáng)度，而且下降段平緩，粘結(jié)延性好（圖8）.

經(jīng)統(tǒng)計(jì)回歸后得配箍率的影響關(guān)系如下：

4 HRB500鋼筋粘結(jié)錨固強(qiáng)度的計(jì)算公式

根據(jù)上述分析，考慮影響鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度主要因素，經(jīng)簡(jiǎn)化統(tǒng)計(jì)回歸后得到HRB500鋼筋極限粘結(jié)強(qiáng)度

4.1 錨固設(shè)計(jì)的建議公式

4.1.1 錨固承載力極限狀態(tài)

混凝土中的錨固鋼筋，可能由于鋼筋屈服而失效，也可能因?yàn)槔瘟Φ淖饔冒l(fā)生錨固破壞；當(dāng)屈服力與錨固力數(shù)值相等時(shí)，鋼筋屈服和錨固破壞失效同時(shí)發(fā)生，這種狀態(tài)稱(chēng)為錨固承載力極限狀態(tài).由平衡條件可得錨固承載力極限狀態(tài)方程

4.1.2 臨界錨固長(zhǎng)度計(jì)算公式

從表3中可看出，按照現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算，HRB500鋼筋的錨固長(zhǎng)度大于試驗(yàn)得到的臨界錨固長(zhǎng)度，說(shuō)明現(xiàn)行規(guī)范有更多的安全余量，但從經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)約材料，方便施工來(lái)看，應(yīng)適當(dāng)減少HRB500鋼筋的錨固長(zhǎng)度.

表3 HRB500鋼筋的錨固長(zhǎng)度Tab.3 Anchoring length of HRB500 stellbar

5 HRB500鋼筋的粘結(jié)應(yīng)力分布

為獲得粘結(jié)應(yīng)力在試件內(nèi)部的分布情況，研究 - s 本構(gòu)關(guān)系，取CX組和DX組試件，采用鋼筋內(nèi)貼片方式以量測(cè)鋼筋應(yīng)力沿錨長(zhǎng)的分布.

具體做法：將鋼筋在銑床上沿上線剖開(kāi)一個(gè)3 mm×3 mm凹槽，把電阻片（2mm×3mm）按20mm的間隔貼在槽內(nèi)，應(yīng)變片端線和導(dǎo)線與鋼筋之間用膠帶絕緣，導(dǎo)線從鋼筋自由端引出.接好導(dǎo)線后用環(huán)氧樹(shù)脂填滿(mǎn)凹槽以防潮保護(hù)[4-5].如圖9和圖10所示.

圖11和圖12為粘結(jié)應(yīng)力分布.

在加載初期，粘結(jié)應(yīng)力主要集中在加載端，隨著外加荷載的增大，粘結(jié)應(yīng)力曲線峰值逐漸向自由端移動(dòng)，荷載逐漸向自由端傳遞.在/=0.6位置處達(dá)到峰值并穩(wěn)定在此附近（圖11和圖12）.

當(dāng)錨固長(zhǎng)度比較短時(shí)，粘結(jié)應(yīng)力曲線相對(duì)豐滿(mǎn)，因此平均粘結(jié)錨固強(qiáng)度高；同普通月牙肋鋼筋粘結(jié)應(yīng)力分布一致[6].

6 結(jié)論

1）HRB500鋼筋的粘結(jié)錨固強(qiáng)度隨著混凝土抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)而增長(zhǎng)；

3）錨固長(zhǎng)度越長(zhǎng)，粘結(jié)錨固強(qiáng)度越小，因此盲目增加錨固長(zhǎng)度沒(méi)有意義；

4）配置橫向箍筋可以改善構(gòu)件性能，由脆性破壞轉(zhuǎn)化為延性破壞，同時(shí)增加粘結(jié)錨固強(qiáng)度；

5）設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度按現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算有更多的安全余量，可進(jìn)一步研究；

6）通過(guò)內(nèi)貼片測(cè)量?jī)?nèi)部鋼筋應(yīng)變，得到的粘結(jié)應(yīng)力在鋼筋各個(gè)部位的分布，與普通月牙肋鋼筋相似，但峰值點(diǎn)有所前提，大約在處.

[1]毛達(dá)嶺.HRB500鋼筋粘結(jié)錨固性能的試驗(yàn)研究 [D].鄭州：鄭州大學(xué)，2004.

[2]A lay-Fard M，Marzouk H.Bond of High-Strenghth ConcreatunderMonotonic Pull-Out Loading[J].Magazineof ConcreatResearch，2004，56（9）：545-557.

[3]管品武，孟會(huì)英，李麗.鋼筋與砼間粘結(jié)錨固性能及粘結(jié)作用機(jī)理 [J].鄭州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，22（3）：65-68.

[4]過(guò)鎮(zhèn)海，時(shí)旭東.鋼筋混凝土原理和分析 [M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.146-162.

[5]徐有鄰，沈文都，汪洪.鋼筋混凝土粘結(jié)錨固性能的試驗(yàn)研究 [J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1994，15（3）：26-36.

[6]王國(guó)杰，鄭建嵐.自密實(shí)混凝土與鋼筋粘結(jié)錨固性能試驗(yàn)研究 [J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，32（3）：334-338.

[7]GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].