鋼筋與波紋管連接用灌漿料粘結(jié)性能試驗研究

李厚榮

(中鐵二十四局集團有限公司路橋分公司 上海 200070)

1 引言

隨著我國基礎(chǔ)設施建設的蓬勃發(fā)展，施工環(huán)境與安全問題越來越受到業(yè)主、設計和施工單位的重視[1]。相比較傳統(tǒng)的現(xiàn)澆施工技術(shù)，預制拼裝橋梁建造技術(shù)可在保證施工質(zhì)量的前提下，更加快速高效、綠色節(jié)能、安全可控地建成橋梁[2-4]。預制蓋梁、立柱與承臺基礎(chǔ)之間的連接構(gòu)造，直接關(guān)系到橋梁的施工效率、耐久性、整體受力性能及抗震性能[5-6]。灌漿金屬波紋管連接因其工作性能優(yōu)越、成本經(jīng)濟、施工方便等優(yōu)勢，逐步成為目前工程界中較為常用的預制拼裝連接方式。灌漿金屬波紋管連接是指將預制墩柱的外露鋼筋插入預埋在預制蓋梁或承臺中的金屬波紋管內(nèi)，并灌注高強灌漿料，形成可靠連接[7]。該連接是通過鋼筋與灌漿料之間的粘結(jié)來實現(xiàn)力的傳遞，是保證構(gòu)件拼裝可靠連接的關(guān)鍵[8]。

國內(nèi)外學者針對鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移問題已開展了大量有價值的研究工作。張偉平等[9]采用外加電流加速鋼筋銹蝕的方法，通過鋼筋開槽、內(nèi)貼應變片的方式，開展了半梁式粘結(jié)試驗，獲得了不同錨固長度下的粘結(jié)應力分布規(guī)律和鋼筋混凝土相對滑移的變化規(guī)律，建立了綜合考慮錨固位置影響的銹后鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系，推導出了不同銹脹長度狀態(tài)下，τ-s關(guān)系沿著錨固長度方向的變化規(guī)律，并提出了能夠反映這種變化規(guī)律的位置函數(shù)。安明喆等[10]采用梁式試驗分析了保護層厚度、錨固長度、鋼纖維摻量等因素對鋼筋與混凝土間的粘結(jié)性能影響。陳俊等[11]通過對銹蝕試件和非銹蝕試件開展高溫試驗和中心拔出試驗，研究了高溫對銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)錨固性能的影響。郝吉等[12]開展了內(nèi)貼應變片鋼筋的直接拔出試驗，綜合研究了粉煤灰摻量與凍融循環(huán)雙重因素對試件粘結(jié)性能的影響。通過上述的試驗研究，均得出了珍貴的試驗數(shù)據(jù)和寶貴的試驗結(jié)論，為后續(xù)更深入的鋼筋與混凝土粘結(jié)性能研究及相關(guān)類型的試驗研究提供了借鑒，也為相關(guān)工程的應用提供了積極的指導作用。而關(guān)于帶肋鋼筋與灌漿料間的粘結(jié)滑移關(guān)系研究尚不多見，且灌漿料是一種特殊類型的混凝土，與普通混凝土的力學性能存在較大差異。為此，有必要進一步開展帶肋螺紋鋼筋與灌漿料間的粘結(jié)滑移關(guān)系研究。

為進一步研究帶肋螺紋鋼筋與灌漿料間的粘結(jié)滑移問題，設計并制作了4組8個中心拉拔試件，并基于連續(xù)荷載作用下拉拔試驗，分析了螺紋鋼筋與灌漿料之間的粘結(jié)滑移變化規(guī)律及粘結(jié)應力沿錨固長度方向的分布規(guī)律。

2 試驗概況

2.1 試件設計與制作

試件的錨固鋼筋采用直徑d為18 mm、25 mm的HRB400變形鋼筋，波紋管外徑D為63 mm。參照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》(GB/T 50152-92)的要求，試件尺寸為10d×10d×10d(15d)，錨固鋼筋與金屬波紋管設置在試件中軸線上，保證嚴格對中。在鋼筋的加載端用長度為5d的塑料套管包裹錨固區(qū)鋼筋，進行無粘結(jié)處理，消除加載裝置對試件端部的擠壓效應。為防止試件混凝土發(fā)生劈裂破壞，在灌漿金屬波紋管外圍每隔50 mm設置一道橫向箍筋。

為探究粘結(jié)應力分布沿錨固長度方向上的變化，對鋼筋進行開槽處理，槽口尺寸為3 mm×3 mm。沿鋼筋錨固長度方向，在兩半鋼筋槽內(nèi)粘貼應變片，每隔30 mm粘貼一個，交錯布置，鋼筋合龍后應變間距為15 mm。合龍時，用環(huán)氧樹脂密封槽口后將兩半鋼筋粘貼在一起，并用細鐵絲纏繞箍緊，確保兩半鋼筋粘結(jié)可靠。待兩半鋼筋粘結(jié)穩(wěn)定后，在鋼筋的加載端附近，將兩半鋼筋進行焊接，確保其共同受力。試件的具體形式見圖1，試件的設計參數(shù)見表1。

表1 試件主要參數(shù)

圖1 試件與加載裝置示意

2.2 試驗材料力學性能

通過拉伸試驗，得到鋼筋的材料力學性能如表2所示。按照《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T 17671-1999)所規(guī)定的標準試驗方法，檢測得金屬波紋管灌漿料棱柱體標準試塊抗壓強度為69.8 MPa，灌漿料立方體劈裂抗拉強度為5.31 MPa。

表2 鋼筋力學性能

2.3 試驗裝置及測量方法

試驗采用30 t電液伺服式萬能試驗機以200～300 N/s的加載速率進行連續(xù)加載，直至試件發(fā)生破壞為止，試驗加載裝置見圖1。試驗過程中，在鋼筋的自由端設置1個位移計，取其滑移測量值為自由端滑移量。在鋼筋加載端附近設置2個位移計，取其滑移測量均值為測點處滑移量，則鋼筋錨固段終點的滑移量為加載端測點滑移值扣除與其之間的鋼筋伸長量。拉力由萬能試驗機測出，并與位移計保持相同的采集頻率。加載時，下夾具保持固定，上夾具帶動吊籠向上移動。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 平均粘結(jié)應力-滑移量曲線

鋼筋與灌漿料間的粘結(jié)應力τ可取錨固長度方向上的平均值進行計算，即:

式中，F(xiàn)為外荷載(kN)；la為鋼筋錨固長度(mm)；τ為平均粘結(jié)應力(MPa)。

A組試件的平均粘結(jié)應力-滑移量曲線如圖2所示。圖2中，s表示鋼筋的粘結(jié)滑移量。由圖2可知，各試件的平均粘結(jié)應力-滑移量曲線變化大致相同。試驗曲線大致可分為3個部分:上升段、下降段、水平段。鋼筋與灌漿料間的粘結(jié)力由摩擦力、化學膠著力和機械咬合力共同組成[13]。上升段初期，鋼筋與灌漿料間的粘結(jié)力主要由化學膠著力和機械咬合力來提供?；瘜W膠著力很小，在較小的荷載作用下就被克服，上升段轉(zhuǎn)由機械咬合力提供。隨著荷載的增加，鋼筋肋前灌漿料開始被壓碎，粘結(jié)應力與滑移量之間開始呈非線性變化。當荷載增至極限荷載的70%～80%，肋前灌漿料大面積被壓碎，曲線斜率繼續(xù)減小。當鋼筋的自由端達到極限粘結(jié)強度時，鋼筋與灌漿料之間的咬合齒開始不斷被剪斷，機械咬合力逐漸退出工作，粘結(jié)力開始主要由摩擦力提供。當粘結(jié)應力下降至極限粘結(jié)強度的55%～65%，粘結(jié)應力不再下降，在水平向上下波動變化。由圖2還可知，相較A2組，A1組的極限粘結(jié)強度更高，表明鋼筋與灌漿料之間的極限粘結(jié)強度受波紋管與鋼筋直徑的相對比值影響。當相對比值較大時，鋼筋的錨固承載力表現(xiàn)更佳。

圖2 平均粘結(jié)應力-滑移量曲線

3.2 粘結(jié)應力分布曲線

在不同荷載作用下，鋼筋沿錨固長度方向上的應變分布如圖3所示。圖3中，ε為鋼筋應變，x表示鋼筋錨入深度。由圖3可知，鋼筋沿錨固長度方向的應變呈不均勻分布，加載端的鋼筋應變最大，逐漸向自由端減小。錨固區(qū)中間段的應變變化較為顯著，且增長呈加快趨勢，兩端的應變變化趨于平緩。隨著荷載的增大，錨固長度范圍內(nèi)的鋼筋應變逐漸增大，但各曲線都呈現(xiàn)出基本一致的變化規(guī)律。根據(jù)鋼筋的應變分布，可獲取鋼筋與灌漿料間的粘結(jié)應力沿錨固長度方向上的變化[14]。粘結(jié)應力沿錨固長度方向上的分布如圖4所示。由圖4可知，不同荷載作用下的粘結(jié)應力分布曲線變化規(guī)律是基本吻合的，鋼筋的自由端和加載端的粘結(jié)應力均趨于零，而在距離加載端0.2～0.3倍鋼筋錨固長度處，粘結(jié)應力取得最大值。加載初期，粘結(jié)應力主要分布在加載端附近，靠近自由端區(qū)域粘結(jié)應力為零。隨著荷載的增大，力逐漸傳遞至自由端。對比B1和B2兩組試驗曲線可知，其變化規(guī)律存在一定差異性。相較B2組，B1組試件沿錨固長度方向上的粘結(jié)應力分布更為均勻，可能是受鋼筋直徑的影響。以上表明，當錨固長度較大時，應考慮鋼筋與灌漿料間粘結(jié)應力分布變化的影響。

圖3 鋼筋應變分布曲線

圖4 粘結(jié)應力分布曲線

4 鋼筋錨固長度建議取值

類型Ⅰ:根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB 50010-2010)第8.3節(jié)可知，受拉鋼筋錨固長度la按式(2)和(3)計算:

式中，各參數(shù)根據(jù)試驗結(jié)果和規(guī)范取值；la取值應≥200 mm；ξa取值1.25；α取值0.14；fy分別取值610 MPa和603 MPa；ft取值5.31 MPa；d為鋼筋的標準直徑(mm)。

類型Ⅱ:根據(jù)美國混凝土結(jié)構(gòu)建筑規(guī)范和注釋ACI 318 M-05的12.2條規(guī)定，19號鋼筋(直徑19.05 mm)及以下和22號鋼筋(直徑22.23 mm)以上的錨固長度ld分別按式(4)和(5)計算:

式中，各參數(shù)根據(jù)試驗結(jié)果和規(guī)范取值；fy分別取值437 MPa和422 MPa；f′c取值69.8 MPa；ψt為頂部鋼筋對澆筑位置的不利影響系數(shù)，取值1.0；ψe為環(huán)氧涂層的影響系數(shù)，取值1.0；λ為混凝土品種系數(shù)，取值1.0；db為鋼筋的標準直徑(mm)。

類型Ⅲ:根據(jù)《鋼筋套筒灌漿連接應用技術(shù)規(guī)程》(JTG 355-2015)，取鋼筋與灌漿料達到極限粘結(jié)強度時，鋼筋剛好拉斷的狀態(tài)為破壞臨界狀態(tài)。鋼筋的錨固力為，拉斷承載力為Fu＝fu·πd2/4，由此可得臨界狀態(tài)方程為:

式中，各參數(shù)根據(jù)試驗結(jié)果和規(guī)范取值；fu為鋼筋極限抗拉強度，分別取值610 MPa和603 MPa；τu為極限粘結(jié)強度，分別取值23.2 MPa和21.5 MPa；為鋼筋拉斷臨界錨固長度(mm)；d為鋼筋的標準直徑(mm)。

依據(jù)上述三種類型和規(guī)范計算，可得18 mm和25 mm鋼筋錨固長度如表3所示。由表3可知，相較類型Ⅲ，類型Ⅰ和類型Ⅱ所規(guī)定的錨固長度偏于保守，表明在波紋管約束下的鋼筋錨固長度大大減小。基于安全，考慮1.5～2.0倍的安全系數(shù)，實際使用當中，鋼筋錨固長度建議取值10～15d。

表3 鋼筋錨固長度計算值

5 結(jié)束語

基于4組中心拉拔試件在連續(xù)荷載作用下的拉拔試驗，分析了螺紋鋼筋與灌漿料間的粘結(jié)滑移變化規(guī)律及粘結(jié)應力沿錨固長度方向的分布規(guī)律，并主要得出以下結(jié)論:

(1)典型的粘結(jié)應力-滑移量曲線可由上升段、下降段和水平波動段三部分組成。

(2)螺紋鋼筋與灌漿料間的極限粘結(jié)強度受波紋管與鋼筋的相對直徑比值的影響，當相對比值較大時，極限粘結(jié)強度更大，錨固性能表現(xiàn)更佳。

(3)當錨固長度較大時，鋼筋與灌漿料間的粘結(jié)應力沿錨固長度方向呈不均勻分布，在距離加載端0.2～0.3倍鋼筋錨固長度處，粘結(jié)應力取得峰值，且當波紋管與鋼筋的相對直徑比值較大時，粘結(jié)應力分布相對趨向更均勻。

(4)實際使用當中，當鋼筋直徑≤25 mm時，螺紋鋼筋的高強灌漿錨固長度建議取值為10～15倍鋼筋直徑。