不同试验方法对630MPa级高强钢筋粘结-锚固影响研究*

王毅红, 张俊旗, 田桥罗, 马晓斌, 姚圣法, 刘 喜

(1 长安大学建筑工程学院，西安 710055；2 西安市浐灞生态区住房和城乡建设局，西安 710024；3 江苏天舜金属材料集团有限公司，扬中 212200)

0 引言

钢筋与混凝土共同工作的基础之一是二者之间的粘结作用,我国现行规范中用于钢筋混凝土结构构件的钢筋最高强度为500MPa,630MPa钢筋用于混凝土构件,需要研究其粘结锚固性能。目前研究钢筋与混凝土粘结性能的试验方法主要有两种,即梁式试验和中心拉拔试验[1-3],对于高强钢筋与混凝土的粘结锚固性能及试验方法已有一些研究。杜峰等[4]从不同的粘结试验系统阐述了不同试验方法的区别。王晨霞等[5]、Long Xu等[6]基于梁式试验,得到影响粘结性能的不同因素。薛伟辰[7]通过梁式试验和中心拉拔试验对GFRP筋与混凝土的粘结性能进行了研究。闫伟等[8]研究了钢筋-地聚物混凝土粘结性能,并将梁式试验结果与中心拉拔试验结果进行了对比。孙明德等[9]研究了HRB500钢筋粘结长度、保护层厚度、高强钢筋屈服强度、钢筋直径、箍筋等因素对粘结性能的影响规律。谢剑等[10]通过HRB500钢筋与高强混凝土(C80)粘结锚固试件的拉拔试验,分析了高强钢筋与高强混凝土粘结锚固性能和影响粘结强度的主要因素。目前,高强和高性能材料越来越多地被应用于实际工程结构中,但500MPa级以上的高强钢筋与混凝土的粘结性能研究还较少[11],因此研究高强钢筋与混凝土的粘结性能,是具有理论和工程应用价值的。

在实际工程中,钢筋混凝土构件使用高强钢筋低碳节能、优势明显。本次试验用630MPa级高强钢筋,采用拉拔试验方法和梁式试验方法分别制作了15根试件进行试验测试,得到不同试验方法下各类试件的平均粘结强度和粘结-滑移曲线,对比研究不同试验方法下高强钢筋与混凝土的粘结锚固性能和粘结-滑移曲线。分析不同试验方法对于630MPa级高强钢筋粘结锚固性能的影响程度。

1 试验设计

1.1 试验材料

试验使用江苏天舜金属材料集团有限公司生产的630MPa级高强钢筋,直径为16、22、25mm。按《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》(GB/T 228.1—2010)[12]对630MPa级高强钢筋(简称T63钢筋)进行拉伸试验,T63钢筋材性结果见表1,T63钢筋力学性能满足规范《钢筋混凝土用钢 第2部分:热轧带肋钢筋》(GB/T 1499.2—2007)[13]。

表1 T63钢筋力学性能试验结果

试验使用28d强度达到31MPa的混凝土,水泥使用32.5级普通硅酸盐水泥,分两批制作拉拔试件和梁式试件,在标准条件下养护28d。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)[14]规定,分别在龄期7、14、28d时测试混凝土试块强度,测量结果见表2。

表2 混凝土立方体抗压强度试验结果

1.2 拉拔试件分组及加载装置

本次试验试件形式参考《混凝土结构试验方法标准》(GB 50152—2012)[15]。试件尺寸及加载装置如图1所示。试件编号及相关参数见表3。

图1 拉拔试件及加载装置图

表3 试件分组信息

拉拔试验采用YDL-1000型电液伺服万能试验机,加载最大量程为1 000kN。加载规则参考相关规范[15],先采用力控制加载,速率为6kN/min,加载至最大荷载的60%左右,然后采用位移加载方式,加载速率为0.2mm/min,直至加载结束。架设位移计,通过DH3820采集仪采集位移数据。

1.3 梁式试件分组及加载装置

对于梁式试件,采用截面尺寸为150mm×240mm×1260mm的试件,钢筋保护层厚度为20mm,架立钢筋和腰筋均采用HRB400级钢筋,直径10mm,箍筋采用直径8mm的HRB335级钢筋,间距取50mm。试件编号和数量见表3括号内,各参数与拉拔试件相同。与混凝土无粘结部分通过外套PVC管将两种材料分隔,端口用泡沫胶进行密封。梁式试件在两半梁自由端、加载端分别设置位移计,在钢筋上预焊固定钢片作为位移计接触点,便于直接测得两端钢筋与混凝土间产生的相对滑移值,在梁底加载端位置处分别设置纵向位移计以测量加载时两半梁产生的挠度,在两个支座处分别设置位移计实测加载过程中支座的沉降。试件尺寸及相关位移计具体位置见图2,其中P为峰值荷载,Ⅰ为位移计,Ⅱ为PVC套管,Ⅲ为测试钢筋,Ⅳ为非受力钢筋,Ⅴ为预埋钢铰。

图2 梁式试件尺寸及装置图

梁式试件通过电液伺服作动器及反力门架进行加载,分配横梁对称分配,加载设备通过计算机控制,可自动绘制荷载-位移曲线,其最大量程为1 000kN,位移采集使用DH3820采集仪,该数据采集系统可以自动进行数据采集,为保证采集数据时力与位移数据相互对应,试验过程中采集频率均取为2Hz,并同时开始采集。试验先采用力控制加载,速率为0.1kN/s,当钢筋自由端出现滑移后即改为相对滑移控制加载,速率为0.2mm/min,当滑移达到3mm后或荷载下降至峰值荷载的50%以下时,荷载-位移曲线已接近水平,整个试验结束。

2 试件破坏形态

2.1 拉拔试件破环形态

拉拔试件的破环形态,可以分成三类:钢筋拔出、混凝土劈裂和钢筋拉断。

(1)钢筋拔出:当锚固长度为5d和7d、钢筋直径为16mm时,如P16-5d、P16-7d试件为钢筋拔出破坏(图3(a)),在加载初期,荷载增长速度快,荷载-位移曲线呈直线上升,接近峰值荷载时,荷载增速放缓,达到峰值荷载后,荷载开始下降,起初下降速度较快,当荷载下降至峰值荷载的50%后,荷载-位移曲线开始变缓;当荷载下降至峰值荷载的30%左右时,荷载-位移曲线接近水平,此阶段荷载不再下降,滑移量持续增大,钢筋被缓慢拔出。加载结束后,混凝土表面仍保持完好。有部分试件拔出时钢筋也达到屈服,但加载现象和最终形态和钢筋未屈服基本相同。

图3 拉拔试件破坏形态

(2)混凝土劈裂:当钢筋直径为22、25mm时,如P22-7d和P25-7d试件发生劈裂破坏,这类试件在加载时荷载-位移曲线基本呈直线上升,在荷载达到峰值前,自由端和加载端基本未见滑移,当达到峰值荷载时,试件混凝土突然发生破环,并有较大声响,试件破坏分为劈成三块和劈成两半(图3(b)、(c)),脆性性质明显,取破坏后试件进行观察发现劈裂面上留有钢筋纵横肋印记,钢筋肋前附有混凝土粉末。

(3)钢筋拉断:锚固长度为10d的试件钢筋被拉断(图3(d)),如P16-10d试件,试件钢筋基本没有滑移,当荷载达到峰值荷载时,加载试件发生较大声响。观察破坏后的试件,发现钢筋的断点均位于焊接钢片处,钢片是为了架设测量变形的仪表而设置的辅助装置,此处由于钢筋外形受损导致应力集中,断裂时的钢筋应力小于钢筋极限抗拉强度,是焊接对钢筋的力学性能产生的不利影响,除了钢筋被拉断外,混凝土表面基本保持完好。

2.2 梁式试件破环形态

梁式试件的破环形态分为两类:钢筋拔出破坏、混凝土劈裂破坏。

(1)钢筋拔出:B16-5d、B16-7d试件发生此类破环,其粘结长度较短,钢筋直径较小,加载结束时,试件表明未出现明显的可见裂缝,两半梁之间间距变大,试件自由端有较大滑移,整体试件有较大挠度。此种破坏形式如图4所示。

图4 钢筋拔出破坏

(2)混凝土劈裂破坏:B16-10d、B22-7d、B25-7d试件发生此种破坏形式,其粘结长度较长、钢筋直径较大。此类试件加载在到达峰值荷载前,基本无明显现象,到达峰值荷载后,试件发生突然劈裂,脆性明显,劈裂裂缝出现在试件顶部的受力点,先垂直向下,后沿45°斜向延伸,并逐步加大延伸至梁底形成贯通裂缝,同时,钢铰下端位置混凝土压碎脱落,内部钢筋暴露在外,但因箍筋约束作用,试件未能劈裂成两部分,破坏形态如图5所示。

图5 混凝土劈裂破坏

经比较,除了一组拉拔试件由于裸钢筋段焊接辅助钢片,应力集中导致钢筋拉断外,拉拔试验和梁式试验两种方法有类似的破坏形态,即钢筋拔出和混凝土劈裂。

3 试验结果分析

3.1 极限粘结强度计算

通过试验采集系统,分别得到两种试验方法下各个试件的极限荷载,通过下式计算其粘结强度:

式中:τu为平均极限粘结强度,MPa;Fu为作用于钢筋上的极限拉力,kN;la为锚固长度,mm。

其中对于拉拔试件,作用在钢筋上的极限拉力Fu即为加载的峰值荷载P。对于梁式试件,需要将梁上的荷载转换为钢筋轴线拉力,取左半梁部分为隔离体进行受力分析,如图6所示。F为右半梁通过钢铰对左半梁的作用力。对钢铰中心线与F交点处取矩,由力矩平衡条件可得:

图6 左半梁受力示意图

式中:l1为钢铰中心点到拉拔钢筋中心的垂直距离;l2为钢铰中心点到支座中线的水平距离。

梁式试件的峰值荷载下的钢筋拉力由式(2)计算,计算结果见表4。

表4 梁式试件钢筋拉力转换

3.2 不同试件粘结强度的对比

中心拉拔试验和梁式试验高强钢筋与混凝土的粘结强度试验结果分别见表5、6,两种试验方法所得的粘结强度对比见表7。

表5 拉拔试件钢筋与混凝土粘结锚固试验结果

表6 梁式试件钢筋与混凝土粘结锚固试验结果

表7 拉拔试件与梁式试件粘结强度对比

由表5～7可以看出,对于P16-10d和B16-10d试件,由于其破坏形态不相同,故不具有对比意义,其余构件的试验结果表明在相同条件下试件采用中心拉拔试验方法测得的粘结强度要高于梁式试验方法。拉拔试件粘结强度与梁式试件粘结强度比值平均数为1.34,变异系数为0.0804。各组试件数据离散程度较小,稳定性好。

经分析,这一现象可以通过试验钢筋周围的应力状态来解释。梁式试验试件钢筋周围混凝土基体的径向拉伸应力状态会降低混凝土与钢筋间的粘结强度。而拉拔试件中钢筋外围混凝土没有荷载作用下的拉应力,有利于钢筋与混凝土的粘结,相关文献[16-17]也有类似的试验结果。

3.3 影响粘结性能的因素分析

国内外众多试验[4-5,9]研究显示,钢筋直径、钢筋外形、钢筋锚固长度、钢筋保护层厚度、配置箍筋情况、混凝土强度等是钢筋与混凝土粘结性能的主要影响因素。因为试验试件数量有限,所以本试验主要以钢筋直径以及锚固长度这两种因素对两种试验得到的粘结性能进行了对比。

本次试验结果显示,对于630MPa级钢筋,两种试验方法得到的粘结强度随锚固长度和钢筋直径的增加而减小,这与普通钢筋与混凝土的经典粘结锚固理论吻合,此文不再赘述。

3.4 粘结应力-滑移曲线对比

拉拔试件中混凝土劈裂破坏和钢筋拉断破坏试件的完整粘结应力-滑移曲线无法测得,本次试验在相同参数及类似破坏形态试件中进行对比研究,见图7,对锚固长度5d,直径16mm的拉拔试件和梁式试件的钢筋与混凝土的粘结应力-滑移曲线进行对比。

图7 梁式试件与拉拔试件粘结应力-滑移曲线对比

两类试件曲线趋势基本相同,试件均有明显的上升和下降段,曲线上升段在梁式试件曲线转折之前,基本无异,下降段的趋势也基本一致。拉拔试件未配箍筋,随着拉拔力增加,钢筋表面粘结应力迅速增大,化学胶结力瞬间失效,钢筋与混凝土随即发生相对滑移;而梁式试件为配箍试件,初期化学胶结力持续效应较拉拔试件长,故曲线上升段刚度略大,下降段略平缓,达到峰值荷载时,滑移略小,表明梁式试件的粘结延性略强。

4 结论

(1)梁式试件和拉拔试件在同等条件下有类似的破坏形态,绝大多数试件发生钢筋拔出破坏和混凝土劈裂破坏。

(2)在相同的条件下试件采用中心拉拔试验方法测得的粘结强度要高于梁式试验方法测得的粘结强度,拉拔试件粘结强度与梁式试件粘结强度比值平均为1.34,可为两种试验测得的粘结强度数据换算提供参考。

(3)梁式试件和拉拔试件钢筋与混凝土的平均粘结强度均随钢筋锚固长度和钢筋直径的增大而减小,两种试验方法所得结果均符合普通钢筋与混凝土的粘结锚固性能规律。

(4)拉拔试件与梁式试件的粘结应力-滑移曲线变化规律相近,梁式试件比拉拔试件在达到峰值荷载时的滑移量略小,梁式试件的粘结应力-滑移曲线下降段较拉拔试件略平缓,表明梁式试件的粘结延性略强。

(5)梁式试验试件制作和装置较为复杂,但其符合实际受力情况,试验数据精度较高。拉拔试验方法和装置较为简单经济,且在相同条件下可以取得不低于梁式试验精度的数据。本文对比了梁式试验和拉拔试验,可为采用不同试验方法研究钢筋与混凝土粘结锚固性能提供参考。