李承昌，何偉南，蘆 杰，耿會(huì)濤

(1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；2.紹興市公路管理局，浙江 紹興 312035；3.鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450001)

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不銹鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能

李承昌1，何偉南2，蘆 杰2，耿會(huì)濤3

(1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；2.紹興市公路管理局，浙江 紹興 312035；3.鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450001)

為探討不銹鋼筋與混凝土的黏結(jié)力及分布，進(jìn)行了不銹鋼帶肋鋼筋、普通帶肋鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)力、黏結(jié)力分布對(duì)比試驗(yàn)。不銹鋼帶肋鋼筋、普通帶肋鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)力試驗(yàn)表明，各種鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)應(yīng)力都隨著混凝土強(qiáng)度的增大而增大，鋼筋強(qiáng)度對(duì)鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)應(yīng)力影響不明顯，說(shuō)明不銹鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)應(yīng)力與普通鋼筋沒(méi)有明顯差別。不銹鋼帶肋鋼筋、普通帶肋鋼筋與混凝土的黏結(jié)力分布試驗(yàn)表明，二者與混凝土的黏結(jié)應(yīng)力分布規(guī)律相近，其黏結(jié)應(yīng)力峰值出現(xiàn)在加載端附近; 隨著荷載的不斷增大，應(yīng)力峰值顯著增大，但位置基本不變，有效黏結(jié)長(zhǎng)度增加緩慢，僅在試樣瀕臨破壞時(shí)，應(yīng)力峰值才向自由端有些許移動(dòng)。分析了兩種鋼筋與混凝土黏結(jié)的相似規(guī)律及存在的差異，提出了不銹鋼筋應(yīng)用于混凝土構(gòu)件時(shí)初步的黏結(jié)力計(jì)算方法及構(gòu)造措施。

橋梁工程；不銹鋼筋與混凝土黏結(jié)；黏結(jié)力試驗(yàn)；平均黏結(jié)力；黏結(jié)力分布

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不銹鋼筋混凝土已進(jìn)行了不少的理論和試驗(yàn)研究，但大多集中在不銹鋼筋混凝土的抗腐蝕性能方面[1-8]，對(duì)于不銹鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能的研究較少。不銹鋼筋與混凝土的黏結(jié)是不銹鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，只有了解不銹鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)性能，才能合理確定不銹鋼筋的錨固、搭接等構(gòu)造措施。

1 鋼筋外形尺寸及力學(xué)性能

國(guó)內(nèi)沒(méi)有成品不銹鋼筋，參考《鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》(GB1499.2—2007)的碳素鋼筋外形尺寸，設(shè)計(jì)出與碳素鋼筋相同的不銹鋼筋的孔型尺寸參數(shù)，形狀尺寸示意見(jiàn)圖1，孔型尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。用022Cr22Ni5Mo3N(2205)鋼坯進(jìn)行了試軋，發(fā)現(xiàn)由于不銹鋼熱塑性差，不銹鋼筋表面存在折疊、肋根部存在微裂縫等問(wèn)題。為方便與普通鋼筋比較，保持表面形狀基本不變，僅適當(dāng)增大肋根部圓弧半徑等軋制孔型參數(shù)，解決了這些問(wèn)題。用022Cr22Ni5Mo3N(2205)分別軋制了φ12，φ16，φ32共3種規(guī)格，用06Cr17Ni12Mo2(316L)鋼坯軋制了φ12一種規(guī)格，同時(shí)購(gòu)買(mǎi)了相同孔型尺寸的φ12，φ16，φ32共3種規(guī)格的HRB335鋼筋[9-12]。各規(guī)格鋼筋力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)值及實(shí)測(cè)值見(jiàn)表2。

表1 不銹螺紋鋼的孔型尺寸參數(shù)(單位：mm)

表2 各種鋼筋的力學(xué)性能

圖1 不銹鋼鋼筋的形狀尺寸示意Fig.1 Schematic diagram of shape and dimensions of stainless steel bar

2 平均黏結(jié)應(yīng)力對(duì)比試驗(yàn)

鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)力采用無(wú)橫向配筋的立方體中心拔出試驗(yàn)方法，試件混凝土塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，022Cr22Ni5Mo3N(2205)，06Cr17Ni12Mo2(316L)，HRB335這 3種鋼筋均同樣埋于混凝土中心，試件構(gòu)造見(jiàn)圖2，為避免混凝土試塊局部破壞，在混凝土的兩端各25 mm用塑料套管將鋼筋與混凝土隔離?；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度分別為C30，C40，C50，實(shí)測(cè)混凝土試塊強(qiáng)度平均值見(jiàn)表3。

圖2 平均黏結(jié)力試件尺寸(單位:mm)Fig.2 Dimensions of specimen with average bonding force(unit:mm)

混凝土標(biāo)號(hào)C30C40C50抗壓強(qiáng)度/MPa525561166991

平均黏結(jié)力試驗(yàn)試件破壞形式有拔出和劈裂兩種(圖3)，小直徑鋼筋以拔出破壞為主，大直徑鋼筋全部為劈裂破壞，破壞形式與鋼筋種類沒(méi)有明顯關(guān)系。拔出破壞是在鋼筋拉拔過(guò)程中試塊沒(méi)有開(kāi)裂，鋼筋與混凝土試塊在接合面發(fā)生相對(duì)滑移，鋼筋直接從混凝土試塊中拔出；劈裂破壞是在鋼筋拉拔過(guò)程中隨拉拔力逐漸增大，首先在混凝土試塊拉拔端側(cè)面出現(xiàn)裂縫，裂縫很快向自由端發(fā)展，直至試塊劈裂，鋼筋與混凝土黏結(jié)力消失。

圖3 平均黏結(jié)力試驗(yàn)試件破壞形式Fig.3 Specimen failure modes in average bond force test

不銹鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，表中不銹鋼筋與混凝土平均黏結(jié)應(yīng)力τ由式(1)計(jì)算

(1)

式中，τ為鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)應(yīng)力；F為破壞荷載；d為鋼筋直徑；la為鋼筋和混凝土的黏結(jié)長(zhǎng)度。

(2)

式中,τi為同編號(hào)各試件鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)應(yīng)力；n為同編號(hào)試件數(shù)量。

各規(guī)格鋼筋在不同混凝土強(qiáng)度下的平均黏結(jié)應(yīng)力的平均值見(jiàn)圖4，由表4、圖4可知，各規(guī)格鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)應(yīng)力都隨著混凝土強(qiáng)度的增大而增大；同直徑的3種鋼筋雖然強(qiáng)度相差較大，但與混凝土的平均黏結(jié)應(yīng)力相差不大，即鋼筋強(qiáng)度對(duì)鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)應(yīng)力影響不明顯，說(shuō)明不銹鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)應(yīng)力與普通鋼筋沒(méi)有明顯差別?？紤]到不銹鋼筋試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不足，不銹鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)應(yīng)力可暫按規(guī)范中普通鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)應(yīng)力計(jì)算。

圖4 各規(guī)格鋼筋在不同混凝土強(qiáng)度下的平均黏結(jié)應(yīng)力的平均值(單位：MPa)Fig.4 Average values of average bonding stresses for all sized steel bars with different concrete strengths(unit:MPa)

直徑16 mm鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)應(yīng)力最大，直徑12 mm鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)應(yīng)力次之，直徑32 mm鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)應(yīng)力最小。這是由于鋼筋直徑越大，鋼筋與混凝土黏結(jié)應(yīng)力在混凝土試塊中的影響范圍越大，一般認(rèn)為可以影響到10倍鋼筋直徑的范圍，而試樣的混凝土尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，對(duì)于直徑32 mm的鋼筋與混凝土平均黏結(jié)應(yīng)力試塊，鋼筋與混凝土的黏結(jié)應(yīng)力影響范圍已超出了混凝土試塊尺寸，因此其黏結(jié)應(yīng)力明顯小于直徑為12 mm和16 mm的鋼筋的黏結(jié)應(yīng)力。

表4 混凝土平均黏結(jié)力試驗(yàn)結(jié)果

3 黏結(jié)力分布對(duì)比試驗(yàn)

鋼筋與混凝土的黏結(jié)力分布同樣采用無(wú)橫向配筋的立方體中心拔出試驗(yàn)方法，C30混凝土試塊尺寸160 mm×160 mm×160 mm，試塊中心埋設(shè)直徑16 mm的022Cr22Ni5Mo3N(2205)不銹鋼帶肋鋼筋和HRB335普通帶肋鋼筋，滿足混凝土試塊尺寸是鋼筋直徑10倍的標(biāo)準(zhǔn)要求，試件構(gòu)造見(jiàn)圖5。為避免混凝土試塊局部破壞，在混凝土的兩端各20 mm用塑料套管將鋼筋與混凝土隔離。實(shí)測(cè)3個(gè)混凝土試塊強(qiáng)度平均值為50.09 MPa。

為減少鋼筋表面變化對(duì)接合界面的影響，022Cr22Ni5Mo3N(2205)不銹鋼筋和HRB335普通鋼筋均沿縱軸線將其切割成兩瓣，每瓣鋼筋的中心銑出一個(gè)凹槽，在槽內(nèi)貼應(yīng)變片并引出導(dǎo)線，再用環(huán)氧樹(shù)脂把兩半鋼筋粘在一起，恢復(fù)原貌(圖6)，應(yīng)變片在試件中的位置及編號(hào)見(jiàn)圖7。

圖5 黏結(jié)力分布試驗(yàn)試塊示意圖(單位：mm)Fig.5 Schematic diagram of block specimen for bonding force distribution test(unit:mm)

圖6 鋼筋開(kāi)槽內(nèi)貼應(yīng)變片示意圖(單位：mm)Fig.6 Schematic diagram of built-in strain gauge of open slotted steel bar(unit:mm)

圖7 應(yīng)變片分布示意圖(單位:mm)Fig.7 Schematic diagram of strain gauge distribution(unit:mm)

各試件沿長(zhǎng)度方向分布的鋼筋應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，由表看出兩種鋼筋的應(yīng)力沿長(zhǎng)度方向的分布大致相同，試件C30BF16/3(022Cr22Ni5Mo3N(2205)不銹鋼筋)、C30PF16/1(HRB335普通鋼筋)在不同荷載下鋼筋應(yīng)力沿長(zhǎng)度方向的分布對(duì)比見(jiàn)圖8，加載端鋼筋應(yīng)力最大，自由端鋼筋應(yīng)力最小，鋼筋應(yīng)力隨加載端距離的增大而迅速減小。

各荷載下不同位置處鋼筋與混凝土的黏結(jié)應(yīng)力τs可根據(jù)式(3)求得

(3)

式中，τs為鋼筋與混凝土的黏結(jié)應(yīng)力；σi，σi+1為相鄰應(yīng)變片的鋼筋應(yīng)力；As為鋼筋面積；u為鋼筋周長(zhǎng)；l為第i，i+1應(yīng)變片間的距離；d為鋼筋直徑；Δσ為相鄰應(yīng)變片的鋼筋應(yīng)力差。

圖8 不同荷載下不銹鋼筋、普通鋼筋應(yīng)力分布對(duì)比Fig.8 Comparison of stress distributions of stainless steel bar and ordinary steel bar under different loads

各試件在不同荷載下的黏結(jié)應(yīng)力τs的分布計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6，試件C30BF16/3(022Cr22Ni5Mo3N(2205)不銹鋼筋)、C30PF16/1(HRB335普通鋼筋)黏結(jié)應(yīng)力的分布對(duì)比見(jiàn)圖9。由圖看出，022Cr22Ni5Mo3N(2205)不銹鋼筋和HRB335普通鋼筋與混凝土的黏結(jié)應(yīng)力分布規(guī)律相近，其峰值出現(xiàn)在加載端附近，隨著荷載的不斷增大，有效黏結(jié)長(zhǎng)度緩慢增加，應(yīng)力峰值顯著增大，但應(yīng)力峰值位置基本不變，僅在試樣瀕臨破壞時(shí)，應(yīng)力峰值才向自由端有些許移動(dòng)。這些規(guī)律與其他普通鋼筋和混凝土的黏結(jié)應(yīng)力分布試驗(yàn)相同，因此不銹鋼筋與混凝土的黏結(jié)力分布可暫按普通鋼筋與混凝土黏結(jié)應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行計(jì)算。

表5 不同荷載下鋼筋的應(yīng)力分布

表6 不同荷載下鋼筋與混凝土黏結(jié)應(yīng)力分布

圖9 不同荷載下不銹鋼筋、普通鋼筋與混凝土黏結(jié)應(yīng)力分布對(duì)比Fig.9 Comparison of distribution of bonding stresses between stainless steel bar, ordinary steel bar and concrete under different loads

4 結(jié)論

022Cr22Ni5Mo3N(2205)、06Cr17Ni12 Mo2 (316L)不銹鋼筋這兩種鋼筋與HRB335普通鋼筋相比，前者強(qiáng)度高, 沒(méi)有明顯屈服點(diǎn), 屈強(qiáng)比大, 彈模低。不銹鋼筋、普通鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)應(yīng)力都隨著混凝土強(qiáng)度的增大而增大，同規(guī)格不銹鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)力比普通鋼筋的稍大，兩者與混凝土的平均黏結(jié)應(yīng)力沒(méi)有明顯差別。兩種鋼筋與混凝土黏結(jié)力分布規(guī)律基本相同，考慮到不銹鋼筋應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不足，建議不銹鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)力、黏結(jié)力分布暫按普通鋼筋進(jìn)行計(jì)算，并按不銹鋼筋強(qiáng)度調(diào)整不銹鋼筋的錨固、搭接等構(gòu)造措施尺寸。

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Bonding Performance of Stainless Steel Bars and Concrete

LI Cheng-chang1，HE Wei-nan2，LU Jie2，GENG Hui-tao3

(1. Research Institute of Highway, Ministry of Transport, Beijing 100088, China;2. Shaoxing Highway Administration Bureau, Shaoxing Zhejiang 312035, China;3. Zhengzhou University, Zhengzhou Henan 450001, China)

In order to discuss the bonding force and distribution between stainless steel bar and concrete, the comparative test on the average bonding force, the bonding force distribution between ribbed stainless steel bar, ordinary ribbed steel bar and concrete is carried out. The test result of the average bonding forces between these ribbed steel bars and concrete shows that the average bonding forces between all kinds of steel bars and concrete increase with the increase of concrete strength, while the effect of the steel bar strength on the average bond stress between steel bar and concrete is not obvious, indicating that there is no significant difference between the average bonding stress of stainless steel bar and concrete and that of ordinary steel bar and concrete. The test result of the bonding force distribution between ribbed stainless steel bar, ordinary ribbed steel bar and concrete shows that (1) the distribution law of bonding stress between stainless steel bar and concrete is similar to that between ordinary steel bar and concrete, and the peak of the bonding stress appeares near the loading end; (2) with the constant increase of the load, the peak value of the stress increases, but the position is almost the same, and the effective bonding length increases slowly, the stress peak moves to the free end slightly only when the specimen is near to failure. The similarities and differences of the bonding between the two kinds of bar and concrete are analyzed. The calculation method of initial bonding force and the construction measures for the stainless steel bar applied to the concrete members are put forward.

bridge engineering; bonding between stainless steel bar and concrete; bonding force test; average bonding force; bonding force distribution

2016-02-26

交通運(yùn)輸部科技項(xiàng)目(2011 318 223 880)

李承昌(1963-)，男，山東新泰人，工程應(yīng)用研究員.(chch.li@rioh.cn)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.12.003

U448.34

A

1002-0268(2016)12-0015-06