HRB500鋼筋粘結(jié)性能的試驗與分析

劉 平，李艷艷，劉 坤

（1.河北工業(yè)大學 土木工程學院，天津 300401；2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401；3.河北工業(yè)大學 校園規(guī)劃處，天津 300130）

目前，在發(fā)達國家中500 MPa的鋼筋已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，而在我國HRB500級鋼筋的研究還尚未完善.因此，為盡快推廣和使用這種新型鋼筋，提高結(jié)構(gòu)的承載力，減少用鋼量，同時使我國建筑用鋼與國際相接軌，需要對其性能進行深入研究，形成完整技術(shù)數(shù)據(jù)，為HRB500級鋼筋開發(fā)及應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ).

通過對66個鋼筋混凝土試件進行單端拉拔試驗，研究鋼筋筋錨固長度、配箍率、混凝土強度、混凝土保護層厚度對粘結(jié)錨固性能的影響，并通過內(nèi)貼應(yīng)變片分析了HRB500鋼筋的粘結(jié)應(yīng)力分布情況[1].

1 試驗概括

試驗采用河北鋼鐵集團生產(chǎn)的HRB500鋼筋，其力學性能如表1所示.混凝土采用天津水泥廠生產(chǎn)的強度等級為42.5級普通硅酸鹽水泥，砂是盧龍湖砂，中砂，粗骨料為粒徑為10～20mm的碎石.試驗采用的混凝土強度等級分別為C20、C30和C40.

試件分兩次澆注，共6大組，22小組，每組3個試件.試件尺寸見圖1，具體參數(shù)及試驗結(jié)果見表2.

表1 HRB500鋼筋力學性能試驗結(jié)果Tab.1 Mechanical capacity of HRB500 steelbar

表2 試件主要參數(shù)及試驗結(jié)果Tab.2 The primary parametersof Specimen and test result

通過制作的反力架，利用SANS公司生產(chǎn)的30 t電液伺服萬能試驗機進行試驗.拉拔力由機器讀出，自由端和受力端位移通過電子位移計讀出[2].具體試驗裝置見圖2.

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 HRB500鋼筋荷載-滑移曲線及受力階段

試件C2-1的荷載-滑移曲線和 - 曲線分別如圖3和圖4所示.試件的混凝土強度=44.1MPa，配箍率1.62，保護層厚度25mm.

通過試驗量測和觀察分析可知，錨固鋼筋的受力分為微滑移段、滑移段、劈裂段、下降段和殘余段5個階段.

1）微滑移段：在加載初期，拉拔力較小，此階段粘結(jié)應(yīng)力由膠結(jié)力提供.膠結(jié)力逐漸由加載段向自由段傳遞.

2）滑移段：當加載達到極限菏載的20%左右，由于膠結(jié)力損失殆盡，自由端出現(xiàn)滑移.錨固長度較短時，其自由端和加載端滑移逐漸接近.

3）劈裂段：當加載達到極限荷載的75%～80%左右，荷載滑移曲線斜率減小，錨固鋼筋滑移速度大于加載速度，表現(xiàn)出顯著的非線性狀態(tài).此時，試件沿著混凝土保護層處發(fā)生縱向劈裂，裂縫的發(fā)展方向為由加載端向自由端延伸直至貫通.劈裂后，荷載幾乎不增長或有衰減.

4）下降段：達到峰值后荷載迅速下降，滑移大幅增長.

5）殘余段：當鋼筋滑移發(fā)展到特定的程度時，荷載將在一個狹小的區(qū)域內(nèi)波動而再沒有大的降低，直至錨固鋼筋被拔出，發(fā)生刮犁破壞.錨固長度較長時，如 gt;15 d時，自由端不發(fā)生滑移，加載端滑移的增加在發(fā)展到某程度后表現(xiàn)為鋼筋的長度增加，而試件仍然完好，破壞原因是錨筋屈服.

圖1 尺寸示意圖Fig.1 Diagram of specimen size

2.2 試驗現(xiàn)象

試件的破壞形態(tài)包括3種：混凝土的劈裂破壞，混凝土拉裂錨筋拔出破壞，錨筋屈服破壞.前兩者屬粘結(jié)破壞，后者屬于非粘結(jié)破壞.

2.1.1 無箍筋試件破壞

A、B試件全部中心置筋，無箍筋，鋼筋直徑由14 mm到22 mm，相對保護層厚度由2.9mm到4.9mm.

由試驗結(jié)果可以看到，當錨固長度不足，小于臨界錨固長度時，錨筋周圍的砼保護層厚度對稱而不足，內(nèi)裂縫將同時發(fā)展到混凝土的對稱兩側(cè)表面，因此，試件的破壞主要為混凝土的短時間的劈裂破壞.破壞時的主裂縫位于混凝土的保護層厚度相對較小的對稱面，裂縫為對稱貫穿裂縫，部分試件被劈裂為3塊.當錨固長度足夠大且超過其臨界錨固長度時，試件的錨筋破壞主要為屈服破壞.破壞時，錨筋自由端沒有相對滑移，混凝土表面一般完好.

2.2.2 配箍筋試件破壞現(xiàn)象及分析

C，D均為配箍試件，其中，當錨固長度較小時，試件主要發(fā)生混凝土先開裂錨筋后拔出的破壞.破壞形式是在薄保護層一側(cè)出現(xiàn)貫穿裂縫.當加載到試件開裂荷載時，保護層厚度較小一側(cè)的砼表面上出現(xiàn)裂縫，繼續(xù)加載，裂縫快速延伸并貫通整個截面.此時若無箍筋的約束作用，混凝土將會立即破裂而喪失承載力.由于箍筋對混凝土的約束作用，絕大部分混凝土在貫通裂縫產(chǎn)生后失去承載力，錨固鋼筋對砼擠壓力的徑向分力便傳給箍筋，因此試件仍然可以承受較大荷載.最后，混凝土對錨筋縱向約束力不足從而導致錨筋從混凝土中緩慢拔出而發(fā)生破壞.故試件具有良好的延性.

對鋼筋拔出的試件打開觀看，發(fā)現(xiàn)肋間混凝土均被刮犁破壞.

當錨固長度較長時發(fā)生錨筋屈服破壞，此時混凝土大部分完好無損，部分出現(xiàn)細微裂縫.

3 HRB500鋼筋的粘結(jié)錨固性能影響因素[3]

3.1 混凝土強度影響

試驗表明，粘結(jié)錨固強度隨混凝土強度的提高而提高，而且與其抗拉強度成正比，這是因為無論內(nèi)裂、劈裂、擠壓或是摩阻都與混凝土的質(zhì)量特別是其抗裂性有聯(lián)系.由試驗值與相應(yīng)抗拉強度統(tǒng)計回歸得到關(guān)系式 ( 1)所示

3.2 保護層厚度的影響

因為錨筋直徑的大小對粘結(jié)錨固強度的影響相對較小，所以使用相對保護層厚度 /作為影響因素并分析其影響.采用加大砼保護層厚度的措施，可以提高外圍混凝土抗劈裂能力，可增大試件劈裂應(yīng)力和極限粘結(jié)強度.但當混凝土保護層厚度大于4.5時，試件將不會發(fā)生劈裂破壞，而鋼筋沿橫肋外圍切斷混凝土拔出，因此粘結(jié)強度將不再增加.

3.3 錨固長度對粘結(jié)錨固強度的影響

C類試件4組12個，加上CX類4組12個，一共24個，錨固深度 = 70～250mm， /=5～18.

試件中鋼筋埋深越大，其受力后粘結(jié)應(yīng)力分布越不均勻，破壞時平均粘結(jié)強度 和最大實際粘結(jié)應(yīng)力比值越?。▓D7）.

試驗結(jié)果表明，平均粘結(jié)錨固強度隨錨固長度的增加，拉拔力的增加而減小.因為應(yīng)力分布不均勻，當錨固長度較小時，高應(yīng)力區(qū)相對較大，應(yīng)力曲線較豐滿，平均粘結(jié)應(yīng)力相對較大；當錨固長度較長時，高應(yīng)力區(qū)相對較小，平均粘結(jié)應(yīng)力相對較小.極限粘結(jié)應(yīng)力變化隨著錨固長度的增加而趨于平緩.當鋼筋錨固長度 /gt;10時，鋼筋加載端屈服而不被拔出.

經(jīng)統(tǒng)計回歸后得錨固長度的影響關(guān)系如下：

3.4 橫向配箍率對粘結(jié)強度的影響

D類試件共4組12個，DX類4組12個，另有C2，CX2組共6個試件，配箍率=1.35～2.26.

在拔出試件中配置橫向箍筋，能夠推遲和約束徑向—縱向劈裂縫發(fā)展，防止發(fā)生劈裂破壞，增大其極限粘結(jié)強度，而且下降段平緩，粘結(jié)延性好（圖8）.

經(jīng)統(tǒng)計回歸后得配箍率的影響關(guān)系如下：

4 HRB500鋼筋粘結(jié)錨固強度的計算公式

根據(jù)上述分析，考慮影響鋼筋粘結(jié)強度主要因素，經(jīng)簡化統(tǒng)計回歸后得到HRB500鋼筋極限粘結(jié)強度

4.1 錨固設(shè)計的建議公式

4.1.1 錨固承載力極限狀態(tài)

混凝土中的錨固鋼筋，可能由于鋼筋屈服而失效，也可能因為拉拔力的作用發(fā)生錨固破壞；當屈服力與錨固力數(shù)值相等時，鋼筋屈服和錨固破壞失效同時發(fā)生，這種狀態(tài)稱為錨固承載力極限狀態(tài).由平衡條件可得錨固承載力極限狀態(tài)方程

4.1.2 臨界錨固長度計算公式

從表3中可看出，按照現(xiàn)行規(guī)范計算，HRB500鋼筋的錨固長度大于試驗得到的臨界錨固長度，說明現(xiàn)行規(guī)范有更多的安全余量，但從經(jīng)濟效益，節(jié)約材料，方便施工來看，應(yīng)適當減少HRB500鋼筋的錨固長度.

表3 HRB500鋼筋的錨固長度Tab.3 Anchoring length of HRB500 stellbar

5 HRB500鋼筋的粘結(jié)應(yīng)力分布

為獲得粘結(jié)應(yīng)力在試件內(nèi)部的分布情況，研究 - s 本構(gòu)關(guān)系，取CX組和DX組試件，采用鋼筋內(nèi)貼片方式以量測鋼筋應(yīng)力沿錨長的分布.

具體做法：將鋼筋在銑床上沿上線剖開一個3 mm×3 mm凹槽，把電阻片（2mm×3mm）按20mm的間隔貼在槽內(nèi)，應(yīng)變片端線和導線與鋼筋之間用膠帶絕緣，導線從鋼筋自由端引出.接好導線后用環(huán)氧樹脂填滿凹槽以防潮保護[4-5].如圖9和圖10所示.

圖11和圖12為粘結(jié)應(yīng)力分布.

在加載初期，粘結(jié)應(yīng)力主要集中在加載端，隨著外加荷載的增大，粘結(jié)應(yīng)力曲線峰值逐漸向自由端移動，荷載逐漸向自由端傳遞.在/=0.6位置處達到峰值并穩(wěn)定在此附近（圖11和圖12）.

當錨固長度比較短時，粘結(jié)應(yīng)力曲線相對豐滿，因此平均粘結(jié)錨固強度高；同普通月牙肋鋼筋粘結(jié)應(yīng)力分布一致[6].

6 結(jié)論

1）HRB500鋼筋的粘結(jié)錨固強度隨著混凝土抗拉強度增長而增長；

3）錨固長度越長，粘結(jié)錨固強度越小，因此盲目增加錨固長度沒有意義；

4）配置橫向箍筋可以改善構(gòu)件性能，由脆性破壞轉(zhuǎn)化為延性破壞，同時增加粘結(jié)錨固強度；

5）設(shè)計錨固長度按現(xiàn)行規(guī)范計算有更多的安全余量，可進一步研究；

6）通過內(nèi)貼片測量內(nèi)部鋼筋應(yīng)變，得到的粘結(jié)應(yīng)力在鋼筋各個部位的分布，與普通月牙肋鋼筋相似，但峰值點有所前提，大約在處.

[1]毛達嶺.HRB500鋼筋粘結(jié)錨固性能的試驗研究 [D].鄭州：鄭州大學，2004.

[2]A lay-Fard M，Marzouk H.Bond of High-Strenghth ConcreatunderMonotonic Pull-Out Loading[J].Magazineof ConcreatResearch，2004，56（9）：545-557.

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[7]GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 [S].