钢筋混凝土拉拔力学性能影响因素敏感性分析

秦瑶

摘   要：钢筋混凝土的抗拉性能受到多种因素的影响。结合室内试验与数字图像分析技术，研究了钢筋屈服强度、钢筋直径、钢筋表面形状对钢筋混凝土试件的破坏形态、极限抗拉承载力、试件表面应变的影响规律。结果表明，钢筋混凝土试件拉拔试验破坏形态主要有拔出破坏、拉断破坏、劈裂破坏3种，上述3种破坏形态对应的试件极限抗拉承载力依次增加;各因素对拉拔力学性能的影响程度从强至弱依次为钢筋屈服强度、钢筋直径、钢筋表面形状;试件拉拔过程中的混凝土表面应变规律为：在抗拉承载力-位移曲线上升阶段对应的试件表面为拉应变，其下降阶段的试件表面从中心到四周由拉应变逐渐变为压应变。研究成果可为钢筋混凝土的结构设计提供理论依据。

关键词：钢筋混凝土;拉拔试验;钢筋直径;钢筋屈服强度;破坏形态;数字图像技术

国内外学者对影响钢筋混凝土拉拔力学性能的因素进行了大量试验研究及数值模拟研究。然而，关于钢筋表面形状、钢筋直径、钢筋屈服强度对钢筋混凝土结构拉拔力学性能的敏感性研究较少。本研究采用室内试验比较了钢筋表面形状、钢筋直径、钢筋屈服强度对试件极限抗拉承载力、最大滑移值、表面应变的影响敏感性，为钢筋混凝土的结构设计提供参考。

1    试验材料及试验方法

1.1  试件材料参数

试验选取C40高强混凝土，试件采用150 mm×150 mm× 150 mm规格，试件材料参数如下。

钢筋：采用3类共6种钢筋，HPB235光圆钢筋，直径12 mm，16 mm，长度250 mm;HRB335螺纹钢筋直径12 mm，16 mm，长度250 mm;HRB400螺纹钢筋直径12 mm，16 mm，长度250 mm。

胶凝材料：选取重庆江津区生产的拉法基瑞安普通硅酸盐水泥，水泥标号为P.O42.5。

骨料：采用经过筛分、水洗、烘干，保证粒径在5 mm以下及粒径处于5～20 mm的碎石，比例为4∶6。

砂：采用重庆市内普通的细河沙，河沙内的石子较多需要筛分和烘干。

水：采用生活自来水。

试件配合比如表1所示。

1.2  试验方案

按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）要求制备试件，并依照《混凝土结构试验方法标准》（GB 50512—2012）采用万能试验机进行拉拔试验。

2    数字图像技术的基本原理

数字图像相关技术（Digital Image Correlation Method，DICM）始于20世纪80年代[1]。其简单流程算法归结为：读取实验对象变形前后的图像→对照片进行去畸变处理→进行基于相关系数的图像匹配→计算图片像素点的位移量→利用标定像素当量的结果得到实际变形量。本研究采用VIC-3D数字图像技术分析试件拉拔过程中试件表面的应变分布规律。

3    拉拔试验结果分析

3.1  试件破坏形态分析

本次试验试件拉拔破坏形态主要有拔出、拉断破坏、劈裂破坏。不同钢筋种类试件破坏形态如表2所示，试件破坏规律如下：（1）不同钢筋表面形状。HPB235光圆试件统一为拔出破坏，螺纹试件主要劈裂破坏伴随部分拉断破坏。（2）不同直径。在HRB335组发现直径增加，试件破坏程度渐进式地加重，拔出破坏—拉断破坏—劈裂破坏。（3）不同钢筋屈服强度。对比HRB335与HRB400试件组，试件破坏形态也出现加重，拉断破坏—劈裂破坏。伴随破坏形态加剧，其抗拉承载力都有一定程度的提高。

3.2  不同类型钢筋试件的拉拔性能分析

从图1中发现：（1）随着破坏形态由拔出破坏—拉断破坏—劈裂破坏，试件抗拉承载力依次提高。（2）钢筋屈服强度对钢筋混凝土拉拔力学性能影响程度远大于钢筋表面形状。

拉拔过程可分为4个阶段：线性阶段、局部脱黏阶段、内部拥塞阶段、完全脱黏阶段。

表3为不同钢筋种类试件的极限抗拉承载力，可以得出以下结论：（1）螺纹钢筋试件的极限抗拉承载力比光圆钢筋试件增加约17%。（2）钢筋直径从12 mm增加到16 mm钢筋混凝土试件极限抗拉承载力均增加，光圆钢筋HPB235提高近25%，螺纹钢筋HRB335提高近24%，螺纹钢筋HRB400提高近41%。（3）提高钢筋屈服强度能极大程度地提高试件极限抗拉承载力。直径12 mm 的螺纹钢筋HRB400比HRB335提高约170%，直径16 mm 的螺纹钢筋HRB400比HRB335提高约213%。综上表明，各因素对钢筋混凝土试件拉拔力学性能影响程度由强至弱为：钢筋屈服强度>钢筋直径>钢筋表面形状。

4    基于VIC-3D数字图像技术的试件表面应变分析

数值图像分析流程如下：（1）处理试件并制作散斑点。（2）调节仪器配合万能试验机拍摄试件拉拔过程。（3）运用系统图像分析软件得到试件拉拔过程三维应变图等。

分析发现，在线性阶段，钢筋混凝土界面没有发生相对滑移，拉拔端受压、自由端受拉;当出现黏结滑移，由于黏结界面混凝土破碎、变细，混凝土表面更多区域出现受拉;随着黏结滑移由拉拔端向自由端发展，试件拉拔结束时大多数区域受力接近于零，由于拉拔过程中混凝土碎屑随着钢筋积聚，部分碎屑积聚处对应的混凝土表现出了受压的情况。

5    结语

通过对不同钢筋表面形状、钢筋直径、钢筋屈服强度试件的拉拔试验及数值图像分析得到以下结论：

不同钢筋表面形状、钢筋直径、钢筋屈服强度试件拉拔破坏形态主要有拔出破坏、拉断破坏、劈裂破坏3种，上述破坏形态试件对应的极限抗拉承载力依次增加;钢筋表面形状由光圆变为螺纹、钢筋直径由12 mm变为16 mm、钢筋屈服强度由HRB335变为HRB400均能有效增加试件极限抗拉承载力，各因素对钢筋混凝土试件拉拔力学性能影響由强至弱依次为钢筋屈服强度、钢筋直径、钢筋表面形状。

不同钢筋种类试件在拉拔过程中试件混凝土表面应变变化规律为：在未发生黏结滑移的线性阶段，试件混凝土表面拉拔端受拉、自由端受压，随着钢筋混凝土界面黏结滑移区域扩展，受拉区域面积增加，待拉拔结束时大部分区域受力趋近于零，中心小部分区域受压。

[参考文献]

[1]苏   勇，张青川，伍小平.数字图像相关技术的一些进展[J].中国科学：物理学、力学、天文学，2018（9）：23-27.