劉桂榮,肖颯,閆磊源,王亞宇
(華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045)
近年來,建筑火災(zāi)發(fā)生頻繁,場景觸目驚心. 當鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)后,雖然鋼筋的強度能得到較大程度的恢復(fù)[1],但混凝土的強度和彈性模量、鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)強度均明顯降低[2-3],導(dǎo)致火災(zāi)后鋼筋混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的損傷不可恢復(fù).研究表明,鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)作用是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力和使用性能的重要因素之一[4]. 目前,針對高溫后混凝土與鋼筋黏結(jié)性能的研究主要考慮了混凝土保護層、升溫速率、溫度等級及混凝土強度等影響因素[5-7]. 由于影響?zhàn)そY(jié)性能的因素較多,破壞機理復(fù)雜[8],對高溫后混凝土與鋼筋黏結(jié)-滑移模型定量研究較少,尚缺少受溫度影響的黏結(jié)-滑移模型.
本文考慮箍筋約束的影響,在鋼筋中心拔出試驗的基礎(chǔ)上,分析了試件的破壞形態(tài)、溫度對黏結(jié)-滑移曲線的影響規(guī)律,并給出了相關(guān)系數(shù)的取值建議.
混凝土的配合比為:水泥∶水∶砂∶石子=1.00∶0.46∶1.29∶1.93(質(zhì)量比). 水泥采用新鄉(xiāng)天瑞42.5 級普通硅酸鹽水泥.細骨料選用石灰?guī)r質(zhì)巖石破碎機制砂,細度模數(shù)為3.82. 粗骨料采用5 ~20 mm連續(xù)粒級的碎石,堆積密度為1 680.4 kg/m3.混凝土中摻入TX - 102 緩凝減水劑(摻量為0.2%),設(shè)計坍落度為150 mm.
黏結(jié)試件主筋選用直徑為16.0 mm 的帶肋鋼筋,其屈服強度為473.86 MPa,極限強度為639.07 MPa.箍筋采用直徑為6.5 mm 的光圓鋼筋,其屈服強度為445.96 MPa,極限強度為638.46 MPa.
采用中心拔出試驗方法,試件采用普通混凝土澆筑,主筋選用直徑為16 mm 的螺紋鋼筋. 由于加熱裝置空間有限,鋼筋長度為350 mm,端部車成絲扣以便加載.為考慮實際構(gòu)件中箍筋的約束影響,在試件中部布置兩道箍筋,箍筋選用直徑為6.5 mm的光圓鋼筋,混凝土保護層厚20 mm.試件黏結(jié)段長度為5d(其中d 為縱向鋼筋的直徑)[9],即80 mm.為消除加載時試件端部應(yīng)力集中的影響,主筋兩端各80 mm 為非黏結(jié)段.試件的尺寸和配筋如圖1 所示.其中,主筋位置處預(yù)埋一個K 型熱電偶,以測量中心溫度值.黏結(jié)-滑移試驗考慮的加熱溫度分別為100、300、500、700 ℃.每組3 個試件.
圖1 試件的尺寸及配筋(單位:mm)
鋼筋混凝土黏結(jié)試件采用箱式電阻爐加熱.爐膛凈空間尺寸為500 mm ×600 mm×500 mm,額定功率為20 kW,最高加熱溫度為1 200 ℃,溫度控制精度為±2 ℃.每次試驗并排放置3 個試件.爐內(nèi)溫度按照20 ℃/min 的升溫速率緩慢上升至設(shè)定溫度,然后保持恒溫6 h 左右.當黏結(jié)試件的中心溫度達到預(yù)定溫度后,取出黏結(jié)試件,放在空氣中自然冷卻.
單調(diào)加載試驗采用穿心千斤頂加載,在千斤頂和試件之間布置位移傳感器和荷載傳感器,在自由滑移端布置位移傳感器.根據(jù)儀器操作規(guī)程,在正式加載前實行預(yù)加載,加載值控制為3 ~5 kN.正式加載時,加載速度要緩慢,同時觀察試驗現(xiàn)象并做好試驗記錄.
當加熱溫度為700 ℃時,爐溫及黏結(jié)試件的內(nèi)部溫度隨時間的變化情況如圖2 所示.
圖2 混凝土內(nèi)部溫度和爐溫隨時間變化規(guī)律
由圖2 可知:爐內(nèi)溫度在較短的時間內(nèi)升至預(yù)定溫度值并維持在此溫度;由于混凝土的熱惰性,黏結(jié)試塊的中心溫度緩慢上升,當溫度升高至100 ℃左右時,出現(xiàn)了明顯的溫度“平臺階”,這是由于混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)及水蒸氣向混凝土內(nèi)部遷移所導(dǎo)致的;爐溫維持最高溫度6 h 后,黏結(jié)試塊中心達到了預(yù)定的溫度值. 在加熱時,3 個試件水平并排放置,而爐內(nèi)溫度并不是絕對均勻,因而不同位置的試塊的內(nèi)部溫度并不是完全相同,但經(jīng)歷了長時間加熱后,可以認為其溫度基本一致.
混凝土試件在電爐中加熱,降溫取出,觀察其表面裂縫,如圖3 所示. 加熱溫度為100 ℃的試件,其表面基本無裂縫.當加熱溫度升至300 ℃時,試件表面有少量不規(guī)則的裂縫. 當溫度繼續(xù)升高至500 ℃時,裂縫明顯增多,個別試件出現(xiàn)混凝土掉角現(xiàn)象.當加熱溫度升至700 ℃時,試件表面出現(xiàn)了大量的裂縫,試件角部出現(xiàn)較大缺損.
圖3 高溫后黏結(jié)試件的裂紋
通過拔出試驗得到了不同溫度下試件的黏結(jié)-滑移曲線,曲線具有明顯的下降段.由于試件中布置了兩道箍筋,所有試件均發(fā)生了鋼筋拔出破壞,未見貫穿鋼筋和混凝土表面的裂縫.
部分試件的黏結(jié)-滑移曲線如圖4 所示.由圖4 可知:高溫后混凝土與鋼筋的黏結(jié)-滑移曲線形狀與常溫下的相似,荷載在達到極限黏結(jié)強度之前滑移量都比較小,為1 ~2 mm,然后荷載下降較快,但達到10 mm 左右后,黏結(jié)強度下降幅度明顯減緩;隨著溫度的升高,試件的極限黏結(jié)強度會下降,當試件經(jīng)過700 ℃高溫后,其極限黏結(jié)強度大約僅為常溫的35%.
高溫后混凝土與鋼筋的黏結(jié)-滑移曲線形狀與常溫下的一致,也可以分為上升段和下降段2 個階段.因此,高溫后混凝土與鋼筋的黏結(jié)-滑移曲線可利用常溫下對應(yīng)的公式進行擬合.
圖4 試驗曲線和預(yù)測曲線對比
上升段[10]
下降段[11]
式中:τ 為黏結(jié)應(yīng)力,MPa;τu為極限黏結(jié)強度,MPa,τu=Pu/(πdla);Pu為極限黏結(jié)力,kN;d 為鋼筋公稱直徑,mm;la為黏結(jié)長度,mm;s-=s/s1,s1為極限黏結(jié)強度對應(yīng)的滑移量,mm;a、b 為系數(shù).
通過分析試驗數(shù)據(jù)可知:在不同溫度下,曲線上升段變化較小,a 可統(tǒng)一取0.3;對于曲線下降段,當溫度T 不超過300 ℃時,b 取常溫時曲線下降段的系數(shù)b0,建議值為0. 5;當溫度T 介于300 ℃和700 ℃之間時,b/b0=1 +k1(T -300),由試驗數(shù)據(jù)作回歸計算可得k1=0.003 7.
將各系數(shù)取值代入式(1)、(2)中,可得到黏結(jié)強度的計算值,部分計算結(jié)果繪于圖4.比較計算值與試驗值可得,本文提出的公式具有較好的精度.
試塊的黏結(jié)強度隨溫度的變化規(guī)律如圖5 所示.
圖5 溫度對黏結(jié)強度的影響規(guī)律
由圖5 可知,隨著溫度的升高,試塊的黏結(jié)強度有下降的趨勢. 黏結(jié)強度與溫度之間的關(guān)系可表示為:
式中:τ0為常溫下鋼筋混凝土的黏結(jié)強度,MPa;T為溫度,℃;kT為溫度影響系數(shù);fcu為常溫下混凝土立方體的抗壓強度.由于本次試驗采用的是16 mm帶肋鋼筋,通過回歸計算可得到kT=0.002 9.
1)在試件加熱的過程中,試件中心位置的溫度上升慢于爐溫上升,加熱開始約6 h 后才與爐溫接近.黏結(jié)試件經(jīng)升溫與自然冷卻后,加熱溫度高于500 ℃的試件的表面裂縫明顯增多.
2)由于黏結(jié)試件受箍筋的約束,本次試驗中試件均發(fā)生帶肋鋼筋拔出破壞,黏結(jié)-滑移曲線具有明顯的下降段.根據(jù)試驗得到的黏結(jié)-滑移曲線形狀,給出了黏結(jié)-滑移曲線的關(guān)系表達式,對試驗數(shù)據(jù)進行回歸計算,給出了相關(guān)系數(shù)的取值建議.
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