大直徑鋼筋混凝土受軸拉及偏心拉拔的握裹行為研究

袁芙蓉

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，楊凌　712100)

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大直徑鋼筋混凝土受軸拉及偏心拉拔的握裹行為研究

袁芙蓉

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，楊凌712100)

本研究主要在透過(guò)握裹試驗(yàn)，探討混凝土與各號(hào)鋼筋間的握裹力學(xué)行為；并對(duì)混凝土保護(hù)層與有裂縫產(chǎn)生的混凝土間的力學(xué)行為進(jìn)行研析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示預(yù)裂偏心試體應(yīng)力皆明顯小于偏心拉拔試體，顯示混凝土保護(hù)層出現(xiàn)裂縫時(shí)，其混凝土與鋼筋間的握裹力變差。由有限元素法的應(yīng)力分析，可知最大主應(yīng)力及最大剪應(yīng)力會(huì)隨著保護(hù)層與鋼筋直徑比(c/d)而遞減，此趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)所得的平均握裹強(qiáng)度，完全一致。由趨勢(shì)回歸分析可得知，偏心試體的握裹強(qiáng)度隨鋼筋直徑增大之折減率，較軸拉試驗(yàn)為大。

握裹力學(xué)； 音射監(jiān)測(cè)； 有色元素法

1　引　言

將放射性物質(zhì)置于多層安全防御屏障之中，以阻止其與外界環(huán)境接觸而進(jìn)入生物圈，此設(shè)計(jì)的最終防線即是厚實(shí)的鋼筋混凝土圍阻體結(jié)構(gòu)，而大號(hào)鋼筋即多使用在此類(lèi)大型混凝土結(jié)構(gòu)的興建。圍阻體及其周邊次結(jié)構(gòu)除需能滿(mǎn)足正常運(yùn)轉(zhuǎn)下的載重以及工作性之外，當(dāng)核電廠遇到天災(zāi)或意外時(shí)，圍阻體亦須有能力承受各種可能的外力及沖擊，以確保發(fā)揮其生物屏蔽的功能。一般圍阻體多采用鋼筋混凝土建造，主要?dú)w因于其材料在屏蔽效果、氣密性及耐久性上的優(yōu)良表現(xiàn)，同時(shí)亦符合工程經(jīng)濟(jì)性要求。核設(shè)施圍阻體特有的大號(hào)鋼筋及其對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)，不同于一般傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有充分的經(jīng)驗(yàn)值可作依循。若圍阻體混凝土對(duì)于大號(hào)鋼筋握裹不足，將導(dǎo)致混凝土局部區(qū)域損害及加速老劣化，故針對(duì)大號(hào)鋼筋與混凝土間的握裹行為，實(shí)有必要了解及確認(rèn)。

2　試　驗(yàn)

2.1試驗(yàn)方案

本研究將采用混凝土[1]強(qiáng)度為34.3 MPa；埋置長(zhǎng)度60 cm 的D19、D32、D43及D57 等四種鋼筋；并分三類(lèi)試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，其說(shuō)明如下。

(1)軸拉強(qiáng)度試驗(yàn)：

尺寸規(guī)劃為26 cm x26 cm x26 cm，以最大號(hào)數(shù)D57鋼筋及保護(hù)層10 cm 設(shè)計(jì)；鋼筋置中拉拔，每一式試體制作三件，合計(jì)12只試體。

(2)偏心拉力握裹試驗(yàn)

尺寸規(guī)劃為26 cm x26 cm x21 cm，修改(1)試體的設(shè)計(jì)，縮小一側(cè)面保護(hù)層為5 cm；在此偏心拉拔試體保護(hù)層側(cè)面外，另外黏貼一片26 cm x26 cm x5 cm的防傾墊塊，防偏心彎矩造成傾倒，預(yù)期裂縫將由此測(cè)產(chǎn)出，結(jié)果并與(1)的拉拔強(qiáng)度進(jìn)行比較分析；每一試體制作三件，合計(jì)12只試體。

(3)預(yù)裂偏心拉力握裹試驗(yàn)(ECN)：

尺寸規(guī)劃為26 cm x 26 cm x 21 cm，試體同(2)，但沿著鋼筋方向保護(hù)層內(nèi)，預(yù)埋深長(zhǎng)為5 cm 平行裂縫，用以評(píng)估及比對(duì)現(xiàn)存裂縫的鋼筋與混凝土構(gòu)件間的握裹力損失情形，每一試體至少制作二件，合計(jì)8只試體。

2.2試驗(yàn)材料

(1)水：一般自來(lái)水，符合CNS拌合水的要求；

(2)水泥：符合CNS61[2]要求；

(3)粗細(xì)骨材：骨材采用天然砂石，粗、細(xì)骨材的各項(xiàng)基本性質(zhì)；

(4)強(qiáng)塑劑：采用某公司產(chǎn)品 HICON MTP-A40，其比重 1.109～1.130，pH=6～8，外觀為黃褐色；

(5)鋼筋:采用D19、D32、D43 及D57四種號(hào)數(shù)鋼筋.四種號(hào)數(shù)鋼筋其中D43和D57號(hào)鋼筋非一般工程所使用的號(hào)數(shù)并符合 ASTM A615 GR60 RO[2]熱軋規(guī)范。

2.3試驗(yàn)儀器

(1)50 噸材料試驗(yàn)系統(tǒng)MTS;(2)KYOWA UCAM-60A 資料擷取器;(3)全自動(dòng)抗壓試驗(yàn)機(jī);(4)音射監(jiān)測(cè)設(shè)備介紹;

音射監(jiān)測(cè)上，由于混凝土具有多孔隙的特性，本研究采用的音射監(jiān)測(cè)設(shè)備其系統(tǒng)主機(jī)采用National Instruments的NI PXI-1042及EmbeddedController PXI-8176。

2.4試驗(yàn)配比與方法

2.4.1配比設(shè)計(jì)

如表1混凝土配比表。

表1　混凝土配比

2.4.2混凝土基本力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

混凝土抗壓強(qiáng)度經(jīng)常被用為質(zhì)量管理的標(biāo)準(zhǔn)，亦為混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。本試驗(yàn)將混凝土圓柱試體依其齡期由養(yǎng)護(hù)池中取出，并用石膏予以蓋平，至石膏硬化后置于油壓試驗(yàn)機(jī)，以每秒1.4～3.4 的荷重速率，加壓至試體破壞，求出試體抗壓強(qiáng)度。

2.4.3混凝土拉拔試驗(yàn)

本試驗(yàn)參考ASTM C234[3]拉拔試驗(yàn)方式，測(cè)試鋼筋與混凝土間的握裹性質(zhì)，故需建立具代表性數(shù)量的握裹實(shí)驗(yàn)試件；混凝土試體經(jīng)過(guò)28天的養(yǎng)護(hù)齡期之后，進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，另外量測(cè)鋼筋與混凝土的相對(duì)位移，以及音射監(jiān)測(cè)四顆探頭來(lái)判斷初裂點(diǎn)以及尖峰載重的預(yù)測(cè)，試驗(yàn)以將混凝土試體塊加載至破壞為止。

3　結(jié)果與討論

3.1鋼筋混凝土握裹力學(xué)行為

本研究的混凝土使用 34.3MPa，其實(shí)際測(cè)試的抗壓強(qiáng)度依軸拉試驗(yàn)(AC)、偏心試驗(yàn)(EC)、預(yù)裂偏心試驗(yàn)(ECN)分別為33.5 MPa、33.4 MPa 以及 34.4 MPa。

本研究主要探討大尺寸鋼筋混凝土握裹力行為，并參考 ASTM C234[3]規(guī)范，測(cè)試鋼筋與混凝土間的握裹性質(zhì)如表2，試體初裂與極限載重 或 與鋼筋直徑關(guān)系并不明顯，而軸拉試體(AC)與偏心拉拔試體(EC)的 大約在76%至89%的間，預(yù)裂偏心試體(ECN) 則大約在51%至65%之間；混凝土握裹力越高，其初裂載重越接近極限強(qiáng)度。在相同的混凝土中鋼筋直徑越大，拉拔試體的初裂強(qiáng)度與極限握裹強(qiáng)度，卻隨著鋼筋直徑增加而降低；而握裹強(qiáng)度三種試驗(yàn)混凝土以 表示，皆隨著鋼筋直徑增加而遞減。

表2　鋼筋混凝土握裹試體的力學(xué)性質(zhì)

3.2鋼筋混凝土握裹試驗(yàn)的鋼筋應(yīng)力分析

3.2.1鋼筋應(yīng)力的比較

不同試驗(yàn)的初裂點(diǎn)與極限點(diǎn)的鋼筋應(yīng)力比較中，鋼筋直徑越大，其鋼筋應(yīng)力越小，三種試驗(yàn)皆呈現(xiàn)類(lèi)似結(jié)果。另外軸拉試體(AC)與偏心拉拔試體(EC)的應(yīng)力比非常接近，顯示保護(hù)層減??；對(duì)鋼筋應(yīng)力的發(fā)展，差異不大。另外，可發(fā)現(xiàn)預(yù)裂偏心試體(ECN)應(yīng)力皆小于偏心拉拔試體(EC)，顯示混凝土保護(hù)層出現(xiàn)裂縫時(shí)，其混凝土與鋼筋間的握裹力變差，鋼筋所承受的應(yīng)力也變小。

3.2.2混凝土鋼筋握裹應(yīng)力發(fā)展與鋼筋直徑的比較

試體的初裂與極限握裹應(yīng)力狀態(tài)中，混凝土握裹應(yīng)力與鋼筋應(yīng)力的比值皆隨著鋼筋直徑增加有遞減的趨勢(shì)；而由于混凝土內(nèi)部先握裹失敗造成鋼筋與混凝土握裹破壞，在觀察三種試驗(yàn)的比較中，初裂狀態(tài)及極限狀態(tài)鋼筋應(yīng)力皆未達(dá)降伏強(qiáng)度；且混凝土多為劈裂的破壞模式。

3.2.3握裹力試驗(yàn)的音射監(jiān)測(cè)

本試驗(yàn)的試體在試驗(yàn)過(guò)程中都會(huì)進(jìn)行音射監(jiān)測(cè)，當(dāng)試體承載應(yīng)力時(shí)，混凝土與鋼筋內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生摩擦以及開(kāi)裂訊號(hào)，這些摩擦以及開(kāi)裂的聲波可藉由音射監(jiān)測(cè)的探頭來(lái)接收聲波，再透過(guò)AE擷取設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生訊號(hào)圖型[4]，訊號(hào)經(jīng)計(jì)算統(tǒng)計(jì)，獲得每秒訊號(hào)密度，并繪成訊號(hào)密度圖。

'3.2.4鋼筋標(biāo)稱(chēng)握裹應(yīng)力

以相同的混凝土強(qiáng)度不同的混凝土保護(hù)層以及預(yù)埋裂縫做比較，三者比較平均拉拔力發(fā)現(xiàn)AC>EC>ECN。顯示預(yù)裂偏心試體(ECN)極限握裹力與偏心試體(EC)極限握裹比值，依D19、D32、D43、D57分別為83%、65%、76%、68%。

本研究的標(biāo)稱(chēng)握裹應(yīng)力采用拉拔實(shí)驗(yàn)的極限荷重(Pu)做計(jì)算，以Pa制為單位。標(biāo)稱(chēng)握裹應(yīng)力是假設(shè)握裹應(yīng)力沿鋼筋埋入長(zhǎng)度方向作均勻分布，則平均握裹應(yīng)力公式如(1)式所示：

(1)

其中d-鋼筋標(biāo)稱(chēng)直徑;l-鋼筋埋深長(zhǎng)度。

本研究將此公式轉(zhuǎn)為Pa單位，且不考慮箍筋效應(yīng)；故將公式簡(jiǎn)化如(2)式所示，即。

(2)

本研究的試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)采用的(1)式與(2)的公式。

混凝土握裹強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值(1)式與(2)式的比較，兩個(gè)公式所得混凝土握裹強(qiáng)度都隨著鋼筋直徑增加而降低的趨勢(shì)；三種試驗(yàn)都有類(lèi)似結(jié)果。另外， 很明顯大于 ，此現(xiàn)象可能因?yàn)?的計(jì)算是以梁為主體，其鋼筋周?chē)茥l件，較拉拔試體為佳，所以(2)式用在握裹拉拔試體上較保守，套用此公式所求得的 值較大，求得的鋼筋混凝土握裹強(qiáng)度，并不是適用所有的狀況。

4　有限元素仿真分析

本研究除了試驗(yàn)工作之外，亦同時(shí)利用 ANSYS 軟件進(jìn)行有限元素分析，模擬各種技術(shù)或?qū)嶒?yàn)之結(jié)果，ANSYS 有限元軟件是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算器設(shè)計(jì)程序，可以用來(lái)求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題。ANSYS 主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。

4.1假設(shè)條件

本研究使用有限元素分析軟件[5]ANSYS 13.0版中的 Workbench 采用3D作分析模擬，Analysis Systems以Static Structural作為分析模態(tài)，設(shè)定Engineering Data中選擇材料鋼筋Structural Steel彈性模數(shù)為200 GPa，柏松比為0.2；混凝土Concrete NL 彈性模數(shù)為30 GPa，柏松比為0.18，作為材料參數(shù)的設(shè)定。

模型適用ANSYS 完全參照實(shí)際試驗(yàn)試體大小建立軸拉試體驗(yàn)(AC)與偏心試體(EC)的模型，藍(lán)色(B)施加束制及紅色(A)加載拉力的設(shè)定，拉力加載按照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值所設(shè)。在模型試體中的混凝土試體網(wǎng)格大小設(shè)3 mm的三角網(wǎng)格，鋼筋模型用方型較致密網(wǎng)格；試體內(nèi)部與鋼筋握裹的地方網(wǎng)格設(shè)自動(dòng)致密，由于試體網(wǎng)格的自動(dòng)化設(shè)置，造成軸拉試體會(huì)有一點(diǎn)不對(duì)稱(chēng)。

4.2混凝土握裹應(yīng)力分析

模型求解后，軸拉試體(AC)與偏心試體(EC)的最大主應(yīng)力都是在鋼筋拉拔端附近并向鋼筋自由端逐漸的遞減，由此可知鋼筋破壞開(kāi)裂點(diǎn)在鋼筋拉拔端混凝土面靠近鋼筋周?chē)?。偏心試體(EC)混凝土較薄保護(hù)層的應(yīng)力分布較厚保護(hù)層的應(yīng)力還大，由此可知偏心試體(EC)最大破壞開(kāi)裂點(diǎn)都在較薄保護(hù)層短邊靠鋼筋拉拔端的地方。

另一方面，拉拔試驗(yàn)產(chǎn)生的劈裂破壞的應(yīng)力，造成拉拔試體破壞的機(jī)制，主要為混凝土與鋼筋間的黏結(jié)力、摩擦力和竹節(jié)的支承力三部分，尤其以各竹節(jié)斜向壓迫混凝土造成的劈裂破壞及剪力破壞。

4.3拉拔試體裂縫發(fā)展

由ANSYS數(shù)值模擬分析可得知，在拉拔過(guò)程中試體中的應(yīng)力是從拉拔端向自由端遞減；而由實(shí)驗(yàn)來(lái)印證ANSYS模擬分析，裂縫的延伸是下面拉拔端的較大開(kāi)裂寬度一直往上到自由端逐漸縮小；由此可知試體內(nèi)部的應(yīng)力越大，所造成的裂縫寬度就會(huì)越寬，分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。

5　結(jié)　論

(1)在相同鋼筋號(hào)數(shù)當(dāng)中混凝土的握裹越高，拉拔承載力就越大；但鋼筋的極限握裹應(yīng)力卻跟著鋼筋的直徑增加而降低;

(2)軸拉試體(AC)與偏心拉拔試體(EC)的應(yīng)力比非常接近，顯示在保護(hù)層由10 cm減為5 cm情形下；對(duì)鋼筋應(yīng)力的發(fā)展，差異不大;

(3)由偏心試體發(fā)現(xiàn)，混凝土拉拔試體預(yù)裂后的應(yīng)力皆小于無(wú)預(yù)裂的試體，顯示混凝土保護(hù)層出現(xiàn)裂縫時(shí)，其混凝土與鋼筋間的握裹力變差，鋼筋所承受的應(yīng)力也變低;

(4)經(jīng)有限元素分析結(jié)果顯示最大主應(yīng)力與最大剪應(yīng)力；皆隨著c/d而遞減；與實(shí)驗(yàn)所得的極限握裹應(yīng)力亦隨c/d而遞減，就分析討論結(jié)果完全一致;

(5)由回歸分析可得知，偏心試體的主應(yīng)力、剪應(yīng)力與極限握裹應(yīng)力皆隨鋼筋直徑增大之折減率，較軸拉試體為大；由此可知偏心試體比軸拉試體較容易破壞;

(6)由實(shí)驗(yàn)與ANSYS分析可知試體內(nèi)部的應(yīng)力越大，所造成的裂縫寬度就會(huì)越寬，分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。

[1] 張耀庭,邱繼生.ANSYS在預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析中的應(yīng)用[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(城市科學(xué)版),2003,(04)：1-3.

[2] 劉虹,姜克雋.我國(guó)鋼鐵與水泥行業(yè)利用CCS技術(shù)市場(chǎng)潛力分析[J].中國(guó)能源,2010,(02)：12-13.

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[5] 齊鋒,張有才,湯廣田.用ANSYS模擬鋼筋混凝土的常見(jiàn)問(wèn)題與對(duì)策[J].焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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，講師.主要從事工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工方面的研究.

TU526

A

1001-1625(2016)04-1327-05