大直径钢筋混凝土受轴拉及偏心拉拔的握裹行为研究

袁芙蓉

(杨凌职业技术学院，杨凌　712100)



大直径钢筋混凝土受轴拉及偏心拉拔的握裹行为研究

袁芙蓉

(杨凌职业技术学院，杨凌712100)

本研究主要在透过握裹试验，探讨混凝土与各号钢筋间的握裹力学行为；并对混凝土保护层与有裂缝产生的混凝土间的力学行为进行研析。实验结果显示预裂偏心试体应力皆明显小于偏心拉拔试体，显示混凝土保护层出现裂缝时，其混凝土与钢筋间的握裹力变差。由有限元素法的应力分析，可知最大主应力及最大剪应力会随着保护层与钢筋直径比(c/d)而递减，此趋势与实验所得的平均握裹强度，完全一致。由趋势回归分析可得知，偏心试体的握裹强度随钢筋直径增大之折减率，较轴拉试验为大。

握裹力学； 音射监测； 有色元素法

1　引　言

将放射性物质置于多层安全防御屏障之中，以阻止其与外界环境接触而进入生物圈，此设计的最终防线即是厚实的钢筋混凝土围阻体结构，而大号钢筋即多使用在此类大型混凝土结构的兴建。围阻体及其周边次结构除需能满足正常运转下的载重以及工作性之外，当核电厂遇到天灾或意外时，围阻体亦须有能力承受各种可能的外力及冲击，以确保发挥其生物屏蔽的功能。一般围阻体多采用钢筋混凝土建造，主要归因于其材料在屏蔽效果、气密性及耐久性上的优良表现，同时亦符合工程经济性要求。核设施围阻体特有的大号钢筋及其对应设计，不同于一般传统结构有充分的经验值可作依循。若围阻体混凝土对于大号钢筋握裹不足，将导致混凝土局部区域损害及加速老劣化，故针对大号钢筋与混凝土间的握裹行为，实有必要了解及确认。

2　试　验

2.1试验方案

本研究将采用混凝土[1]强度为34.3 MPa；埋置长度60 cm 的D19、D32、D43及D57 等四种钢筋；并分三类试验进行测试，其说明如下。

(1)轴拉强度试验：

尺寸规划为26 cm x26 cm x26 cm，以最大号数D57钢筋及保护层10 cm 设计；钢筋置中拉拔，每一式试体制作三件，合计12只试体。

(2)偏心拉力握裹试验

尺寸规划为26 cm x26 cm x21 cm，修改(1)试体的设计，缩小一侧面保护层为5 cm；在此偏心拉拔试体保护层侧面外，另外黏贴一片26 cm x26 cm x5 cm的防倾垫块，防偏心弯矩造成倾倒，预期裂缝将由此测产出，结果并与(1)的拉拔强度进行比较分析；每一试体制作三件，合计12只试体。

(3)预裂偏心拉力握裹试验(ECN)：

尺寸规划为26 cm x 26 cm x 21 cm，试体同(2)，但沿着钢筋方向保护层内，预埋深长为5 cm 平行裂缝，用以评估及比对现存裂缝的钢筋与混凝土构件间的握裹力损失情形，每一试体至少制作二件，合计8只试体。

2.2试验材料

(1)水：一般自来水，符合CNS拌合水的要求；

(2)水泥：符合CNS61[2]要求；

(3)粗细骨材：骨材采用天然砂石，粗、细骨材的各项基本性质；

(4)强塑剂：采用某公司产品 HICON MTP-A40，其比重 1.109～1.130，pH=6～8，外观为黄褐色；

(5)钢筋:采用D19、D32、D43 及D57四种号数钢筋.四种号数钢筋其中D43和D57号钢筋非一般工程所使用的号数并符合 ASTM A615 GR60 RO[2]热轧规范。

2.3试验仪器

(1)50 吨材料试验系统MTS;(2)KYOWA UCAM-60A 资料撷取器;(3)全自动抗压试验机;(4)音射监测设备介绍;

音射监测上，由于混凝土具有多孔隙的特性，本研究采用的音射监测设备其系统主机采用National Instruments的NI PXI-1042及EmbeddedController PXI-8176。

2.4试验配比与方法

2.4.1配比设计

如表1混凝土配比表。

表1　混凝土配比

2.4.2混凝土基本力学性质试验

混凝土抗压强度经常被用为质量管理的标准，亦为混凝土结构设计的重要依据。本试验将混凝土圆柱试体依其龄期由养护池中取出，并用石膏予以盖平，至石膏硬化后置于油压试验机，以每秒1.4～3.4 的荷重速率，加压至试体破坏，求出试体抗压强度。

2.4.3混凝土拉拔试验

本试验参考ASTM C234[3]拉拔试验方式，测试钢筋与混凝土间的握裹性质，故需建立具代表性数量的握裹实验试件；混凝土试体经过28天的养护龄期之后，进行拉拔试验，另外量测钢筋与混凝土的相对位移，以及音射监测四颗探头来判断初裂点以及尖峰载重的预测，试验以将混凝土试体块加载至破坏为止。

3　结果与讨论

3.1钢筋混凝土握裹力学行为

本研究的混凝土使用 34.3MPa，其实际测试的抗压强度依轴拉试验(AC)、偏心试验(EC)、预裂偏心试验(ECN)分别为33.5 MPa、33.4 MPa 以及 34.4 MPa。

本研究主要探讨大尺寸钢筋混凝土握裹力行为，并参考 ASTM C234[3]规范，测试钢筋与混凝土间的握裹性质如表2，试体初裂与极限载重 或 与钢筋直径关系并不明显，而轴拉试体(AC)与偏心拉拔试体(EC)的 大约在76%至89%的间，预裂偏心试体(ECN) 则大约在51%至65%之间；混凝土握裹力越高，其初裂载重越接近极限强度。在相同的混凝土中钢筋直径越大，拉拔试体的初裂强度与极限握裹强度，却随着钢筋直径增加而降低；而握裹强度三种试验混凝土以 表示，皆随着钢筋直径增加而递减。

表2　钢筋混凝土握裹试体的力学性质

3.2钢筋混凝土握裹试验的钢筋应力分析

3.2.1钢筋应力的比较

不同试验的初裂点与极限点的钢筋应力比较中，钢筋直径越大，其钢筋应力越小，三种试验皆呈现类似结果。另外轴拉试体(AC)与偏心拉拔试体(EC)的应力比非常接近，显示保护层减小；对钢筋应力的发展，差异不大。另外，可发现预裂偏心试体(ECN)应力皆小于偏心拉拔试体(EC)，显示混凝土保护层出现裂缝时，其混凝土与钢筋间的握裹力变差，钢筋所承受的应力也变小。

3.2.2混凝土钢筋握裹应力发展与钢筋直径的比较

试体的初裂与极限握裹应力状态中，混凝土握裹应力与钢筋应力的比值皆随着钢筋直径增加有递减的趋势；而由于混凝土内部先握裹失败造成钢筋与混凝土握裹破坏，在观察三种试验的比较中，初裂状态及极限状态钢筋应力皆未达降伏强度；且混凝土多为劈裂的破坏模式。

3.2.3握裹力试验的音射监测

本试验的试体在试验过程中都会进行音射监测，当试体承载应力时，混凝土与钢筋内部会产生摩擦以及开裂讯号，这些摩擦以及开裂的声波可藉由音射监测的探头来接收声波，再透过AE撷取设备和计算机系统来产生讯号图型[4]，讯号经计算统计，获得每秒讯号密度，并绘成讯号密度图。

'3.2.4钢筋标称握裹应力

以相同的混凝土强度不同的混凝土保护层以及预埋裂缝做比较，三者比较平均拉拔力发现AC>EC>ECN。显示预裂偏心试体(ECN)极限握裹力与偏心试体(EC)极限握裹比值，依D19、D32、D43、D57分别为83%、65%、76%、68%。

本研究的标称握裹应力采用拉拔实验的极限荷重(Pu)做计算，以Pa制为单位。标称握裹应力是假设握裹应力沿钢筋埋入长度方向作均匀分布，则平均握裹应力公式如(1)式所示：

(1)

其中d-钢筋标称直径;l-钢筋埋深长度。

本研究将此公式转为Pa单位，且不考虑箍筋效应；故将公式简化如(2)式所示，即。

(2)

本研究的试验结果，经采用的(1)式与(2)的公式。

混凝土握裹强度实验值(1)式与(2)式的比较，两个公式所得混凝土握裹强度都随着钢筋直径增加而降低的趋势；三种试验都有类似结果。另外， 很明显大于 ，此现象可能因为 的计算是以梁为主体，其钢筋周围包裹束制条件，较拉拔试体为佳，所以(2)式用在握裹拉拔试体上较保守，套用此公式所求得的 值较大，求得的钢筋混凝土握裹强度，并不是适用所有的状况。

4　有限元素仿真分析

本研究除了试验工作之外，亦同时利用 ANSYS 软件进行有限元素分析，模拟各种技术或实验之结果，ANSYS 有限元软件是一个多用途的有限元法计算器设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。ANSYS 主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。

4.1假设条件

本研究使用有限元素分析软件[5]ANSYS 13.0版中的 Workbench 采用3D作分析模拟，Analysis Systems以Static Structural作为分析模态，设定Engineering Data中选择材料钢筋Structural Steel弹性模数为200 GPa，柏松比为0.2；混凝土Concrete NL 弹性模数为30 GPa，柏松比为0.18，作为材料参数的设定。

模型适用ANSYS 完全参照实际试验试体大小建立轴拉试体验(AC)与偏心试体(EC)的模型，蓝色(B)施加束制及红色(A)加载拉力的设定，拉力加载按照实验数据值所设。在模型试体中的混凝土试体网格大小设3 mm的三角网格，钢筋模型用方型较致密网格；试体内部与钢筋握裹的地方网格设自动致密，由于试体网格的自动化设置，造成轴拉试体会有一点不对称。

4.2混凝土握裹应力分析

模型求解后，轴拉试体(AC)与偏心试体(EC)的最大主应力都是在钢筋拉拔端附近并向钢筋自由端逐渐的递减，由此可知钢筋破坏开裂点在钢筋拉拔端混凝土面靠近钢筋周围。偏心试体(EC)混凝土较薄保护层的应力分布较厚保护层的应力还大，由此可知偏心试体(EC)最大破坏开裂点都在较薄保护层短边靠钢筋拉拔端的地方。

另一方面，拉拔试验产生的劈裂破坏的应力，造成拉拔试体破坏的机制，主要为混凝土与钢筋间的黏结力、摩擦力和竹节的支承力三部分，尤其以各竹节斜向压迫混凝土造成的劈裂破坏及剪力破坏。

4.3拉拔试体裂缝发展

由ANSYS数值模拟分析可得知，在拉拔过程中试体中的应力是从拉拔端向自由端递减；而由实验来印证ANSYS模拟分析，裂缝的延伸是下面拉拔端的较大开裂宽度一直往上到自由端逐渐缩小；由此可知试体内部的应力越大，所造成的裂缝宽度就会越宽，分析结果与试验结果一致。

5　结　论

(1)在相同钢筋号数当中混凝土的握裹越高，拉拔承载力就越大；但钢筋的极限握裹应力却跟着钢筋的直径增加而降低;

(2)轴拉试体(AC)与偏心拉拔试体(EC)的应力比非常接近，显示在保护层由10 cm减为5 cm情形下；对钢筋应力的发展，差异不大;

(3)由偏心试体发现，混凝土拉拔试体预裂后的应力皆小于无预裂的试体，显示混凝土保护层出现裂缝时，其混凝土与钢筋间的握裹力变差，钢筋所承受的应力也变低;

(4)经有限元素分析结果显示最大主应力与最大剪应力；皆随着c/d而递减；与实验所得的极限握裹应力亦随c/d而递减，就分析讨论结果完全一致;

(5)由回归分析可得知，偏心试体的主应力、剪应力与极限握裹应力皆随钢筋直径增大之折减率，较轴拉试体为大；由此可知偏心试体比轴拉试体较容易破坏;

(6)由实验与ANSYS分析可知试体内部的应力越大，所造成的裂缝宽度就会越宽，分析结果与试验结果一致。

[1] 张耀庭,邱继生.ANSYS在预应力钢筋混凝土结构非线性分析中的应用[J].华中科技大学学报(城市科学版),2003,(04)：1-3.

[2] 刘虹,姜克隽.我国钢铁与水泥行业利用CCS技术市场潜力分析[J].中国能源,2010,(02)：12-13.

[3] 张松.聚丙稀纤维混凝土力学性能的试验研究[J].价值工程,2011,(06)：16-18.

[4] Soroushian,Parviz C,Ki-Bong.Local bond of deformed bars with different diameters in confined concrete[J].ACIStructuralJournal,1989：3-5.

[5] 齐锋,张有才,汤广田.用ANSYS模拟钢筋混凝土的常见问题与对策[J].焦作工学院学报(自然科学版),2003,(04)11-13.

Pull the Shaft and Eccentric Behavior Bond Pullout of Large Diameter Reinforced Concrete

YUANFu-rong

(Yangling Vocational and Technical College,Yangling 712100,China)

This study in the wrap through the grip test, investigate the mechanical behavior of concrete and reinforced the bond between each number; and a protective layer of concrete and there are mechanical behavior of concrete between the cracks generated by Analysis and Research. When the results showed that the stress test Presplit eccentric eccentric drawing are significantly smaller than the test body, showing cracks in the protective layer of concrete, its bond strength between concrete and reinforcement deterioration. The stress finite element method of analysis, we can see the maximum principal stress and maximum shear stress is reinforced with a protective layer with a diameter ratio (c / d) while decreasing the average income of this trend with the experimental bond strength, exactly the same. Regression analysis can be learned by the trend, the bond strength increases with the bar diameter reduction rate of the test specimen eccentric than axial tensile test was great.

bonding mechanics;sound radio monitoring;colored element method

袁芙蓉(1982-)，女，讲师.主要从事工程结构设计与施工方面的研究.

TU526

A

1001-1625(2016)04-1327-05