鋼筋混凝土粘結(jié)性能的研究現(xiàn)狀

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院 山東 青島 266033)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑中應(yīng)用廣泛，在20世紀(jì)中后期，一直被認(rèn)為是非常耐久的混凝土結(jié)構(gòu)在使用中受到各種環(huán)境因素影響出現(xiàn)過早損壞，于是學(xué)者們對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行了大量的研究。干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、鋼筋銹蝕、溫度變化等都可直接引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能的降低，進(jìn)而影響鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)性能，因此，對鋼筋混凝土粘結(jié)性能的研究對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究有重大意義。

一、影響粘結(jié)性能的因素

鋼筋和混凝土兩種材料的性質(zhì)不同，卻能協(xié)同工作，原因是鋼筋和混凝土之間有一定的粘結(jié)力。粘結(jié)應(yīng)力是鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)段剪應(yīng)力的平均值，主要由機(jī)械咬合力、化學(xué)膠結(jié)力和摩擦組成。不但鋼筋的種類、混凝土的強(qiáng)度、粘結(jié)段的長度等一些自身因素能影響鋼筋和混凝土之間粘結(jié)性能，而且許多外界因素，如溫度、銹蝕、凍融、持續(xù)荷載和氯離子侵蝕等粘結(jié)性能也有影響。

(1)溫度：隨著溫度的升高，鋼筋與混凝土的粘結(jié)性下降。王朝陽[1]等通過試驗得出鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能隨溫度的升高呈下降趨勢的結(jié)論，他還給出了高溫下鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的本構(gòu)模型，并驗證了模型的適用性。

(2)鋼筋的銹蝕：鋼筋輕微的銹蝕可以增大鋼筋和混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度，但嚴(yán)重的銹蝕會降低粘結(jié)強(qiáng)度。張白[2]等通過電化學(xué)銹蝕的方法，獲得了不同銹蝕率下(0～4.84%)高強(qiáng)鋼筋與混凝土的粘結(jié)-滑移曲線，通過研究發(fā)現(xiàn)，鋼筋銹蝕率較低時(≤2.22%)，粘結(jié)強(qiáng)度、粘結(jié)剛度均隨銹蝕率的增長而增強(qiáng)；當(dāng)鋼筋銹蝕率超過3.46%時，試件出現(xiàn)銹脹裂紋，粘結(jié)強(qiáng)度、粘結(jié)剛度出現(xiàn)明顯衰退。

(3)凍融循環(huán)：凍融循環(huán)會降低鋼筋混凝土的粘結(jié)性。李新明[3]通過對試件進(jìn)行0、25、50和75次凍融循環(huán)，通過中心拔出試驗發(fā)現(xiàn)隨著凍融次數(shù)的增加，試件表面的混凝土剝落越來越嚴(yán)重，粗骨料暴露的越來越多，鋼筋混凝土之間的粘結(jié)性能越來越低。

(4)持續(xù)荷載：王志恒[4]研究了干濕循環(huán)條件下持載的耦合效應(yīng)，他發(fā)現(xiàn)，滑移增量并不隨著持載等級增加而增加，滑移增量的最大值出現(xiàn)在持載等級為50%極限荷載時。

二、粘結(jié)性能的試驗研究方法

鋼筋在混凝土內(nèi)粘結(jié)段受力狀態(tài)復(fù)雜、不均勻，很難用一種試驗準(zhǔn)確模擬應(yīng)力狀態(tài)，目前世界各國對于粘結(jié)性的研究主要通過靜力試驗法中的梁式試驗和中心拔出試驗進(jìn)行。

(一)梁式試驗。梁式試驗的試件是分為兩段制作，加載端和自由端都有一定長度的無粘結(jié)段，中間鋼筋的粘結(jié)段長度為10d(d為鋼筋直徑)，梁跨中受拉區(qū)的鋼筋為試驗用鋼筋，受壓區(qū)用鉸相連，可以由加載的荷載計算出鋼筋上的拉力，可以很好地模擬鋼筋在梁端的粘結(jié)錨固情況。

(二)中心拔出試驗。中心拔出試驗試件制作相對簡單，鋼筋放置在中心穿過試件，水平澆筑立方體試件；試驗時，試件放置在帶孔的鋼墊板上，使用試驗機(jī)夾緊鋼筋外露的加載端，然后增加荷載，直至試件被破壞。

三、粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系

世界各國的學(xué)者在不同條件下做了大量粘結(jié)試驗，提出了許多鋼筋和混凝土之間粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系的表達(dá)式，但影響鋼筋和混凝土之間粘結(jié)性能的因素有很多，不可能用一個表達(dá)式表達(dá)出所有情況下的本構(gòu)關(guān)系，特別是對多種因素耦合作用下的本構(gòu)關(guān)系，需要做特定的試驗才能得出最符合試驗規(guī)律的表達(dá)式。

徐有鄰[5]通過拉拔變形鋼筋，提出了基于鋼筋錨固位置函數(shù)ψ(x)的粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式τ=ψ(x)·φ(s)，經(jīng)過分析精簡，又提出了三段式的簡化模型：

(式1)

(式2)

限于篇幅，各個參數(shù)的具體含義見文獻(xiàn)[5]。這種分段式的表達(dá)式雖然能精確的描述試件變形各階段的粘結(jié)滑移關(guān)系，但表達(dá)式冗長，使用不便。

滕智明[6]采用四階多項式，提出了粘結(jié)強(qiáng)度隨裂縫間距、保護(hù)層厚度和鋼筋直徑的變化規(guī)律：

(式3)

式中，τ為粘結(jié)強(qiáng)度(N/mm2),x為到最近裂縫的橫向距離(mm)，l為裂縫間距(mm)，c為保護(hù)層厚度(mm)，d為鋼筋直徑(mm)。

宋啟根[7]用三階多項式提出了以下表達(dá)式：

τ=6.58×102s-2.12×104s2+2.15×105s3

(式4)

式中，τ為粘結(jié)強(qiáng)度(N/mm2)，s為滑移量(mm)。

Nilson[8]通過拉拔試驗，得出以下表達(dá)式：

τ=10×103s-58.5×106s2+8.53×109s3

(式5)

式中，τ為粘結(jié)強(qiáng)度(N/mm2)，s為滑移量(mm)。

可以看出，用多項式擬合鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系形式非常簡單?？傊?，目前很難用一種統(tǒng)一的公式來表達(dá)出所有因素影響下鋼筋混凝土粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系式，因此在進(jìn)行有限元分析時，應(yīng)盡量選擇符合影響因素的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式。

四、結(jié)語

能夠影響鋼筋與混凝土之間粘結(jié)性的因素有許多，目前學(xué)者們通過試驗研究了溫度變化、凍融循環(huán)、鋼筋銹蝕、持續(xù)荷載以及兩種或多種環(huán)境因素耦合作用下粘結(jié)性能的退化規(guī)律，并提出了不同條件下的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式，，但仍沒有公式能夠既完整又簡潔地表達(dá)出各種環(huán)境因素對鋼筋混凝土粘結(jié)滑移的影響。在進(jìn)行有限元數(shù)值模擬時，應(yīng)根據(jù)不同條件選擇不同的本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式，或者進(jìn)行特定的試驗，擬合出特定的表達(dá)式。