钢筋肋纹尺寸对钢筋-混凝土抗拔性能数值分析

徐 进 周逸枫 赵宴增

（南京工业大学， 江苏 南京 211816）

0 引言

地下结构物长期处于地下水环境，若混凝土存在一定裂缝，地下水和空气能沿着裂缝侵入构件内部[1]，在氯离子扩散模型中通过修正Fick 第二定律扩散方程的氯离子扩散系数[2]，并产生铁锈等锈胀物。在锈胀应力作用下，混凝土裂缝进一步发展，锈蚀速率随之加快[3]。随着锈胀裂缝的展开，混凝土和钢筋之间的接触面积减小[4]，导致钢筋与混凝土的界面粘结强度与咬合性能大幅降低[5]，严重影响着地下结构物的承载力和耐久性。不少学者通过数值软件模拟钢筋锈蚀对地下结构物的承载力影响，其技术路径通常为修正钢筋与混凝土之间的弹簧模型刚度[6]，使其发生一定的衰减，进而实现钢筋与混凝土粘结强度降低的模拟。钢筋与混凝土之间的粘结强度主要由钢筋与混凝土间的胶结力、摩擦力以及钢筋肋纹与混凝土机械咬合力三部分组成，其中机械咬合力起主导作用[7]。在钢筋-混凝土试件拉拔的数值模拟过程中，研究人员往往忽略了钢筋肋纹的高度和宽度对钢筋-混凝土抗拔性能的影响，然而，钢筋制成运往施工现场后，往往因受潮而发生初始锈蚀[8]，钢筋肋纹的高度和宽度已有一定程度的降低，存在钢筋肋纹初始损耗。由于钢筋肋纹是钢筋-混凝土粘结界面机械咬合力的关键因素，若是在分析钢筋锈蚀对钢筋-混凝土抗拔性能时忽略了钢筋肋纹的初始锈损，将对数值模拟结果产生较大的影响。

针对钢筋肋纹存在初始锈损而尺寸有所下降的情况，本文将采用Abaqus 数值软件进行钢筋-混凝土拉拔试块的三维数值建模，通过动力显式算法模拟钢筋拉拔过程中钢筋、混凝土的大变形特性，并引入混凝土损伤模型模拟混凝土受力损伤开裂，分析钢筋肋纹退化情况下钢筋-混凝土抗拔性能，得到了相应的拉拔端拉力与位移曲线，研究了钢筋-混凝土机械咬合力对其粘结强度影响规律。

1 数值试验模型

本文根据常规钢筋-混凝土拉拔试验的情况，确定了Abaqus 数值模型试件的尺寸，其中混凝土试块为150×150×150mm，钢筋直径为16mm，钢筋加载端长度为150mm，钢筋-混凝土粘结段的长度为80mm，具体布置如图1 所示。该模型采用了C30 混凝土和Q235 钢筋，其中混凝土考虑损伤塑性，钢筋考虑塑性损伤。混凝土密度为2420kg/m3，弹性模量为34554MPa，泊松比为0.2，膨胀角为30°，粘结参数为0.001，摩擦系数为0.667；钢筋密度为7890kg/m3，弹性模量为20.6GPa，泊松比为0.3。

图1 带肋钢筋-混凝土模型

在《钢筋混凝土用钢第2 部分：热轧带肋钢筋》（GB/T 1499.2-2018）[9]中规定，钢筋肋纹间距不得大于钢筋公称直径的0.7 倍。本数值模型采用的钢筋直径为16mm，根据该规范的要求，取钢筋肋纹之间的距离为10mm。在保持肋纹间距不变的情况下，分别模拟了钢筋-混凝土拉拔过程中钢筋肋纹高宽为1mm、2mm、3mm 的情况，并进一步从砂浆应力、钢筋加载端荷载与位移关系等方面研究钢筋肋纹尺寸对钢筋-混凝土粘结强度的影响。

2 钢筋-混凝土拉拔数值模拟结果

图2 给出了钢筋拉拔0.6mm 时混凝土的应力云图。在同样的拉拔位移情况下，随着钢筋肋纹尺寸的增加，混凝土中的应力逐渐增大，其应力影响范围也逐渐扩大。这主要归因于钢筋肋纹尺寸增大后，肋纹与混凝土之间的咬合面积有所增大，钢筋与混凝土间的咬合力增强，从而导致带动了钢筋周边更大范围内的混凝土发生变形，混凝土的强度得到更好的利用，进而增大了钢筋-混凝土之间的粘结强度。

图2 钢筋-混凝土拉拔位移0.6mm 时不同肋纹尺寸下混凝土应力云图

图3 给出了不同螺纹尺寸下钢筋应力。随着钢筋肋纹尺寸增加，钢筋与砂浆的机械咬合力增加，钢筋与砂浆被锚固得更牢固，从而可以承受外界施加的更大的力，钢筋自由端的应力增大，达到增强钢筋-砂浆粘结应力的目的。

图3 钢筋-混凝土拉拔过程中不同肋纹尺寸下钢筋应力云图

图4 给出了不同钢筋肋纹尺寸下钢筋加载端力与位移曲线。从图中可以看出，随着钢筋肋纹尺寸的增加，在同等拉拔位移情况下，钢筋所能承受的拉力逐渐增加。肋纹高宽为3mm 所对应的钢筋峰值拉力约为肋纹高宽1mm 的2 倍，进而说明了施工过程中应注意保护钢筋肋纹，避免钢筋肋纹的初始锈损引起的钢筋-混凝土拉拔性能的降低。

图4 钢筋-混凝土拉拔过程中不同肋纹尺寸下钢筋加载端力与位移曲线

3 结束语

本文针对钢筋肋纹尺寸对钢筋-混凝土拉拔性能的影响，通过Abaqus 数值软件建立钢筋-混凝土试块拉拔的三维模型，通过显式动力学开展了钢筋拉拔大变形数值模拟分析。在给定的钢筋、混凝土材料参数和尺寸，在相同的拉拔情况下，分别选取钢筋肋纹高度和宽度为1mm、2mm、3mm 的情况，分析了混凝土应力分布和钢筋加载端力与位移曲线的变化。结果表明，随着钢筋肋纹尺寸的增加，钢筋周围混凝土参与承载工作的范围增大，钢筋-混凝土抗拉性能也在逐渐增强，说明工程中应注意保护钢筋肋纹避免钢筋-混凝土强度的折损。