无机胶植筋构件粘结滑移性能研究

谢 群，赵永强，唐仕霖

（济南大学土木建筑学院，山东 济南 250022）

植筋是目前广泛应用于结构加固改造的技术，该技术采用的粘结剂通常分为无机胶和有机胶两种，后者以环氧树脂为主要成分，具有施工便捷、粘结可靠等优势，但其正常工作温度范围仅限于-10℃～40℃，在超出该温度范围的使用环境下粘结性能会显著下降而导致连接失效[1]．为解决上述问题，近年来以水泥基材料为主要成分的无机胶以耐火(高温)、耐久性好受到了较多关注，我国已有无机胶植筋构件的标准规范《混凝土结构工程无机材料后锚固技术规程》(JGJ/T271-2012)．目前无机胶已应用在植筋加固和碳纤维加固等领域，且郑州大学刘立新、湖南大学赵洪波、山东建筑大学李安起等诸位学者先后对水泥基无机胶植筋构件进行静力拉伸试验等研究，研究结果表明水泥基无机胶植筋构件的平均粘结强度和拉拔力均较高,可以满足建筑物的加固改造要求[2-5]．山东建筑大学张鑫教授采用无机胶粘贴碳纤维加固梁，并对其受弯和受剪性能进行研究，结果表明无机胶的粘结性能能够满足使用要求[6]．王欣进一步研究了无机胶植筋柱的高温性能[7-8]．目前的研究成果为无机胶植筋技术提供了有力的理论支持，但对于无机胶粘结应力分布特别是粘结滑移本构模型尚缺乏深入分析，而且粘结应力沿锚固长度是不均匀分布的，若要准确掌握粘结性能，上述模型至关重要，而且粘结滑移是进行其它理论分析的基础，因此本文将通过一系列静力拉伸试验，并结合有限元数值模拟，建立无机胶粘结滑移模型，为更加安全有效地使用该材料提供技术支持．

1 实验研究

用于拉伸试验的混凝土设计强度等级为C40，实测混凝土抗压强度为46.4 MPa．无机胶采用氯氧镁水泥基材料(MOC)，植入钢筋采用HRB400级钢筋，直径12 mm，分为两种具有代表性的锚固长度10 d和15 d(120 mm和180 mm)，按照埋深不同将试件分为2组，每组试件2个．为防止局部挤压的影响，在混凝土基材制作时加载端放置 50 mm长PVC管以形成无粘结区．试件尺寸见图1．

图1 试件的尺寸Fig.1 Specimen information

为掌握沿埋深不同位置的粘结应力分布情况，预先将钢筋沿轴线一分为二，将劈开的钢筋开槽，每部分钢筋凹槽尺寸为 3 mm×6 mm,合拢后成为6 mm×6 mm空腔，在槽内粘贴箔式电阻应变片，见图2(a)，每根钢筋内设置5个应变片，10 d试件应变片间距30mm，15d试件应变片间距45 mm，钢筋应变片从加载端到自由端编号依次为1、2、3、4、5，将导线引出后采用环氧树脂胶将两部分钢筋粘接合拢并用钢丝箍紧以保证两部分钢筋可靠连接，如图2(b)所示．钢筋应变片布置见图3．

图2 钢筋加工贴片Fig.2 Reinforcement processing

图3 应变片布置图Fig.3 Strain gauges layout

试件植筋养护完成后，在电液伺服试验机上进行拉伸试验，如图4所示．采用分级加载，以2KN为一级，每级荷载保持5min．加载初期临近加载端的钢筋应变基本呈比例发展，加载端位移很小，随着荷载的增加，加载端的钢筋应变较其它位置增长明显要快，两种埋深情况下均是加载端钢筋先达到屈服，此时的加载端位移仍很小，继续加载，直到临近破坏前试件表面均未发现开裂，钢筋出现屈服后承载力还可增加，此时钢筋其它位置处的应变逐渐加大，加载端位移发展较快，至极限荷载时发生钢筋拉断，最终破坏照片见图 5．主要试验结果见表1．

图4 加载装置图Fig.4 Loading setup

表1 主要试验结果Tab.1 Experimental results

图6为两种埋深下拉力-加载端位移曲线，可以看出各曲线的发展规律较为接近，在荷载达到50kN前基本呈线性发展，此时加载端钢筋先达到屈服，随后承载力增长明显放缓，而位移发展加快，两种埋深情况下最终均由钢筋拉伸破坏控制，粘结性能能够满足设计要求．

图5 试件破坏照片Fig.5 Failure pictures

两种埋深下钢筋应变沿埋深的变化情况见图 7，距离加载端越近，钢筋应变越大，随着荷载的加大，应变沿埋深方向的分布也由直线变为曲线，10 d埋深下曲线化分布特性更为明显．通过量测的钢筋应变差值可得到粘结应力分布如图8所示，无机胶粘结应力并非均匀分布，表现为中间部位粘结应力较高，而两端相对较小，最大值出现在距离加载端0.25l～0.3l处(l为钢筋埋深)．10 d时最大粘结应力较15 d要大，因为承载力由钢筋强度控制，10 d时埋深相对较小，相同拉力情况下必然要增大粘结强度．而且随着埋深的增加，最大粘结应力的位置也逐渐向钢筋中部转移．

图6 力-加载端位移曲线Fig.6 Force-loaded-end displacement curves

图7 钢筋应变沿锚固长度分布Fig.7 Rebar strains distribution along embedment depth

图8 粘结应力分布图Fig.8 Bond stress distribution

2 理论分析

通过上述试验发现，无机胶粘结应力沿埋深并非均匀分布，如要准确掌握某滑移量下任一位置的粘结应力τ，需要综合考虑位置函数和粘结滑移模型，其通用表达如下式所示[9-12]：

式中： f1(s)为粘结应力-滑移关系； f2(x)为位置函数，同济大学张建荣提出了有机胶植筋构件的位置函数表达式如下[13]：

在上述研究成果基础上结合本次试验数据对其进行修正，得到无机胶粘结滑移模型如式(3)所示，位置函数仍采用式(2)．

3 有限元分析

为进一步了解无机胶植筋构件的粘结性能，采用ABAQUS软件对植筋试件进行了粘结性能模拟分析，采用实体单元模拟混凝土基材和植入钢筋，无机胶的粘结作用采用非线性弹簧单元模拟[14-16]，材料性能与模型尺寸与试验相同，有限元模型见图9，采用位移控制加载．试验和数值模拟得到的承载力和破坏形式对比如下表 2，表中试验承载力取两个试件的平均值．

图9 有限元模型Fig.9 FE model

两种埋深下的力-滑移曲线如图10所示，10 d时峰值承载力为52 kN，峰值位移为2.0 mm；15 d时峰值承载力为57.5 kN，峰值位移2.3 mm，两种情况下钢筋均能达到屈服，表现为钢筋延性破坏，与试验结果吻合，说明有限元模型具有良好适用性．

图11所示为不同滑移量下钢筋应力沿埋深的分布，与试验结果相似，钢筋最大应力出现在加载端临近混凝土基材表面，由加载端到自由端逐渐减小，而且随着滑移量加大，加载端钢筋应力增长明显快于其它位置，钢筋应力曲线斜率逐渐增大，靠近自由端的钢筋应力变化很小．两种埋深下钢筋均可达到屈服，属于钢材延性破坏．在数值模型中采用修正后的粘结本构关系式(3)，以荷载为25kN时得到的粘结应力分布为例，将有限元模拟结果与试验数据对比见图12，两种埋深下有限元模拟结果与试验较为吻合，而且模拟结果低于试验值，具有较好的安全储备．

表2 试验结果和数值模拟对比Tab.2 Comparisons of experimental data and numerical results

图10 不同埋深下的力-位移曲线Fig.10 Force-displacement curves under different embedment depth

图11 钢筋应力沿埋深分布Fig.11 Rebar stress distribution along embedment depth

图12 粘结应力分布对比Fig.12 Comparison of bond stress

4 结论

本文对无机胶植筋构件的粘结性能进行研究，通过试验和数值模拟相结合的方式，重点分析了不同埋深情况下粘结应力沿埋深的变化规律，在现有的研究成果基础上，提出了基于位置函数的无机胶植筋构件粘结滑移本构模型，最后通过有限元分析进一步完善验证了理论模型的可行性，结论如下：

(1)粘结应力沿埋深的分布是不均匀的，最大粘结应力出现在距离加载端0.25～0.3l位置处．

(2)10 d和15 d两种埋深情况下破坏过程相似，均为钢筋先达到屈服，最终破坏形态为钢筋拉断，同时出现较大的钢筋滑移．

(3)在现有粘结滑移本构理论的基础上，依据试验结果进行修正，考虑了粘结应力与滑移的关系以及位置函数的影响，经有限元模拟对比该修正后的模型可作为无机胶粘结分析的依据．

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