龔永智 徐興偉 吳雨源 丁發(fā)興

(中南大學(xué)土木建筑學(xué)院 長沙 410075)

懸臂梁-柱植筋節(jié)點的疲勞性能試驗研究*

龔永智 徐興偉 吳雨源 丁發(fā)興

(中南大學(xué)土木建筑學(xué)院 長沙 410075)

針對目前實際工程中沒有較好的方法來評價化學(xué)植筋的疲勞性能，文中通過對3個植筋懸臂梁-柱試件以及1個現(xiàn)澆懸臂梁-柱試件的疲勞加載對比試驗，研究在疲勞荷載作用下不同的植筋深度、不同的應(yīng)力幅對植筋試件疲勞壽命、破壞模式，以及剛度的影響.研究表明，植筋試件的疲勞壽命低于現(xiàn)澆試件的疲勞壽命，同時植筋深度、鋼筋應(yīng)力幅對植筋試件的疲勞壽命有一定影響；疲勞加載后的植筋試件的極限承載力為設(shè)計強度的67%～78%，破壞時受拉區(qū)植筋未屈服，出現(xiàn)了復(fù)合型破壞形式.

化學(xué)植筋；懸臂梁-柱節(jié)點；疲勞荷載；拉-剪應(yīng)力；破壞模式

0 引 言

歐美國家，對于化學(xué)植筋的研究起步較早，已經(jīng)形成一套相對成熟的植筋錨固理論，以及一系列成熟的設(shè)計與施工規(guī)范.我國對于化學(xué)植筋的理論及應(yīng)用研究起步相對較晚，國內(nèi)部分學(xué)者對于化學(xué)植筋單向拉拔受力狀態(tài)下的力學(xué)性能進行了大量試驗研究[1-5]，總結(jié)出了植筋破壞形態(tài)以及承載力理論計算公式.但是這些理論研究大多基于將鋼筋或螺桿植入混凝土塊體中，對其施加單向靜力極限荷載，以研究極限拉拔承載力及其受力機理.對于梁-柱植筋節(jié)點疲勞性能研究則相對較少[6-8].

近年來，在這些承受動荷載作用的結(jié)構(gòu)中，許多部位的化學(xué)植筋受力復(fù)雜，且處于高應(yīng)力狀態(tài)下工作，這使得化學(xué)植筋錨固的疲勞性能成為不可忽視的問題.我國2013年頒布的《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》(JCJ145—2013)(以下簡稱《規(guī)程》)也指出“對于承受疲勞荷載和沖擊荷載的后錨固連接設(shè)計應(yīng)進行試驗驗證”.目前，實際工程中還沒有較好的方法來考慮疲勞荷載對化學(xué)植筋錨固受力性能的影響，存在一定的安全隱患.針對此種情況，本文設(shè)計了一種試驗方法對植筋結(jié)構(gòu)的疲勞性能進行探索性研究.通過對3個植筋懸臂梁-柱植筋節(jié)點試件以及現(xiàn)澆懸臂梁-柱植筋節(jié)點試件施加疲勞荷載，研究在疲勞荷載作用下不同的植筋深度、不同的應(yīng)力幅對植筋試件疲勞壽命、破壞模式，以及剛度的影響，并與現(xiàn)澆懸臂梁-柱植筋節(jié)點試件疲勞試驗結(jié)果進行對比分析.

1 試驗方案

1.1 試驗設(shè)計

試件制作.本次試驗共制作了4個試件，作為相互對比試件，3個植筋試件，1個現(xiàn)澆試件.植筋試件由懸臂梁與柱體組成，植筋試件制作分3步進行：柱體制作及養(yǎng)護、植筋及軋制懸臂梁鋼筋骨架、懸臂梁澆筑及養(yǎng)護，具體試件尺寸見圖1.依據(jù)《規(guī)程》，植筋試件的梁體上部受拉區(qū)設(shè)置2個植筋深度：實際工程中采用植筋深度15d=210 mm(d=14 mm)；根據(jù)《規(guī)程》進行破壞形態(tài)驗算為植筋鋼材破壞時的植筋深度347 mm；梁底受壓區(qū)植筋深度均為規(guī)范規(guī)定的設(shè)計深度15d=180 mm(d=12 mm).四組試驗試件編號見表1.

試件材料：后澆懸臂梁采用C35混凝土，實測混凝土立方體抗壓強度40.84 MPa；柱體采用低于懸臂梁強度的C30自密實混凝土.懸臂梁上部受拉區(qū)鋼筋為直徑14 mm的HRB335熱軋鋼筋，實測屈服強度366.25 MPa，實測極限抗拉強度540 MPa；梁底受壓區(qū)采用直徑12的HRB335熱軋鋼筋.試件構(gòu)造上為防止懸臂梁混凝土發(fā)生劈裂破壞，在懸臂梁范圍內(nèi)布置箍筋Φ8@100.

表1 試件編號

1.2 試驗方法

本試驗采用的加載方式參照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50152—2012中加固梁采用疲勞加載方式.本試驗在試件懸臂梁懸挑末端垂直施加等幅正弦波疲勞荷載，加載頻率為試驗機正常使用頻率5 Hz，本試驗在中南大學(xué)先進材料與耐久性試驗室進行，采用PMS-500數(shù)顯式液壓脈動試驗機上進行疲勞加載.防止局壓破壞，加載端預(yù)埋50 mm×50 mm鋼板.

本試驗取應(yīng)力比為0.2，應(yīng)力幅的限值為150 MPa,同時設(shè)置一組試件施加荷載應(yīng)力幅為超過普通鋼筋疲勞應(yīng)力幅30 MPa，從而確定疲勞荷載上下限，荷載取值見表2.本試驗根據(jù)試驗實際情況并參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)以及我國的《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50152—2012)規(guī)范要求：加載N=1次、1萬次、10萬次、50萬次、100萬次、200萬次停機加靜載，并適當(dāng)在試件趨于破壞時，加密靜載次數(shù).疲勞試驗過程中，如果循環(huán)加載達到預(yù)定次數(shù)時，暫停終止試驗并逐級加載靜載，量測懸臂梁的撓度以及裂縫發(fā)展情況等，測點布置如圖2所示.

表2 試驗參數(shù)及試驗加載方案

圖1 試驗用懸臂梁-柱節(jié)點構(gòu)造(單位：mm)

圖2 測點布置圖(單位：mm)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試件結(jié)果描述

植筋試件疲勞破壞呈脆性破壞，破壞之前沒有明顯征兆.試驗中，植筋試件疲勞破壞時植筋均出現(xiàn)了較大滑移，導(dǎo)致新舊混凝土界面出現(xiàn)較大開裂.三個植筋試件的最終極限靜力加載破壞形式均趨向于一致，即懸臂梁受拉區(qū)鋼筋均出現(xiàn)復(fù)合型破壞，表現(xiàn)為試件破壞時端部有明顯的淺錐體混凝土，鋼筋未出現(xiàn)屈服，膠-鋼筋粘合性較好，未發(fā)生膠-混界面發(fā)生破壞，破壞時強度為設(shè)計強度的67%～78%，低于設(shè)計強度.試件B4在100萬次的加載過程中，試件基本處于彈性階段，最終靜載破壞，破壞形式為適筋梁破壞.具體的破壞情況見表3，最終破壞形式如圖3所示.

2.2 撓度結(jié)果及分析

圖4所示為4個試件在不同的荷載循環(huán)次數(shù)

表3 疲勞試驗結(jié)果

圖3 疲勞試驗梁疲勞破壞形式

下?lián)隙茸兓闆r.通過圖中的撓度曲線可以發(fā)現(xiàn)，在植筋試件第一次加載時的荷載-撓度曲線相比完成多次荷載循環(huán)后的荷載-撓度曲線明顯要陡，表明疲勞循環(huán)加載對植筋試件的剛度有較大的影響.隨著疲勞加載的進行，梁的荷載-撓度曲線斜率基本保持一致，說明在梁體開裂后，剛度受到削弱，在鋼筋未發(fā)生粘結(jié)滑移之前，疲勞加載對于懸臂梁剛度影響不明顯；但在試驗后期，鋼筋發(fā)生粘結(jié)滑移后，梁的剛度急劇下降.在疲勞荷載作用初期，植筋試件靜力加載時殘余變形較小，隨著疲勞加載進行，植筋試件的靜力加載時殘余變形有增大趨勢.特別是通過觀察試件B2與試件B3的荷載-位移曲線發(fā)現(xiàn)，殘余變形隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大趨勢，鋼筋發(fā)生了粘結(jié)滑移，在極限靜載時最終曲線趨于水平.試件B1和B3的剛度退化明顯大于試件B2，說明植筋深度和應(yīng)力幅對植筋粘結(jié)構(gòu)件的疲勞性能有較大的影響.

現(xiàn)澆混凝土與植筋試件相比，經(jīng)過100萬次疲勞荷載循環(huán)之后，殘余變形明顯小于植筋試件，說明在同等應(yīng)力條件下，隨著疲勞荷載的進行，現(xiàn)澆試件的剛度退化情況要明顯優(yōu)于植筋試件.

2.3 裂縫情況分析

圖5為試驗梁表面裂縫展開圖，B1，B2，B3的裂縫分布情況基本相同，均由一條新舊混凝土界

圖4 疲勞荷載-撓度曲線

面位置處的主裂縫以及2～3條梁體裂縫組成.植筋試件在第一次進行靜力加載時新舊混凝土界面開裂，同時梁體上裂縫基本出齊；隨著循環(huán)荷載施加，梁體裂縫發(fā)展不大；現(xiàn)澆試件主裂縫出現(xiàn)在離植筋根部50 mm左右位置.

B1試件進行到大約5 000與18 000次疲勞加載時，新舊混凝土界面突然出現(xiàn)了兩次較大發(fā)展.B2試件分別在10 000次與440 000次時主裂縫出現(xiàn)了突然發(fā)展情況.B3植筋試件在兩次主裂縫大發(fā)展次數(shù)分別在大約25 000次與47 000次時.除此之外，在疲勞加載過程中，主裂縫有所發(fā)展，但發(fā)展不明顯.

從第一次加載至疲勞極限梁體上裂縫有一定發(fā)展，但是發(fā)展量不大.當(dāng)達到疲勞極限時，此時停機進行靜載試驗，當(dāng)靜載荷載增大到疲勞荷載上限左右時，植筋粘結(jié)滑移量不斷增大，新舊混凝土界面處裂縫不斷發(fā)展，最后豎向裂縫發(fā)展接近梁底.現(xiàn)澆試件裂縫在加載過程中出現(xiàn)的位置在距離植筋根部5 cm左右處出現(xiàn)，最終裂縫集中出現(xiàn)在根部50～600 mm范圍內(nèi)，均為拉-剪應(yīng)力作用產(chǎn)生的斜裂縫，裂縫形態(tài)與植筋梁裂縫情況有所不同.

圖5 疲勞試驗梁表面裂縫展開圖

3 結(jié) 論

1) 3個植筋懸臂梁均在較低的疲勞次數(shù)時就出現(xiàn)了疲勞破壞，并表現(xiàn)為脆性破壞特征，且疲勞壽命遠低于現(xiàn)澆懸臂梁，同時試件B1以及B3試件的疲勞壽命遠低于B2的疲勞壽命，試件B3比試件B1的疲勞壽命略有增加.由此可見，植筋試件的疲勞壽命遠低于現(xiàn)澆試件的疲勞壽命，同時植筋深度以及疲勞應(yīng)力幅對減植筋粘結(jié)構(gòu)件的疲勞性能有較大的影響，其中植筋深度對疲勞性能的影響更明顯.

2) 植筋粘結(jié)試件的破壞時強度僅為設(shè)計強度的67%～78%，表明疲勞荷載對植筋粘結(jié)性能有較大的影響.在疲勞荷載作用下，目前規(guī)范規(guī)定的靜載作用下植筋深度不能保證被植鋼筋強度的充分發(fā)揮，即承受疲勞荷載的植筋連接構(gòu)件其植筋深度應(yīng)大大增加.

3) 植筋試件新舊混凝土界面為構(gòu)件受力薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)該采取有效措施提高界面的粘結(jié)性能，來保證新增植筋節(jié)點的安全性.

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Experimental Research on Fatigue Behavior for Chemically Planted-bar Cantilever Beam-column

GONG Yongzhi XU Xingwei WU Yuyuan DING Faxing

(SchoolofCivilEngineering，CentralSouthUniversity,Chang’sha410075，China)

Aiming at actual engineering without good test methods to evaluate the fatigue performance of chemical adhesive steel bar, this experiment designs a method to conduct the exploratory research on the fatigue performance of the cantilever beam-column. Through adding to fatigue loading on the three cantilever beam specimens and cast-in-place cantilever beam specimens, the experiment researches on the influence on fatigue life, breakage form and stiffness of steel bar specimens from different steel bar depth and different stress amplitude in tension-shear fatigue loads, and has a comparative analysis on the fatigue test results of cast-in-place cantilever beam specimens. Research indicated that fatigue life of steel bar specimen is below the fatigue life of cast-in-place specimen , and steel bar stress amplitude and steel bar depth have effects on the fatigue life of the steel bar specimens; The ultimate bearing capacity of steel bar specimens through fatigue loading is sixty-seven percent to seventy-eight percent of the design strength. It is below the design strength, and the destroyed bar of the tension zone is not to yield, and the composite failure modes are appeared.

chemical adhesive steel bar; cantilever beam-column joints; fatigue load; tension-shear stress; breakage form

2014-12-10

*高等學(xué)校博士點學(xué)科專向基金項目(批準(zhǔn)號：20090162120034)、國家自然科學(xué)基金項目(批準(zhǔn)號：51308550)資助

TU398

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.04.008

龔永智(1978- )：男，博士，副教授，主要研究領(lǐng)域為混凝土結(jié)構(gòu)及橋梁結(jié)構(gòu)