罕遇地震下高強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)性能分析

祖琨奧

摘 要：隨著人類對地震危害性的認(rèn)識加深，建筑在設(shè)計(jì)時會根據(jù)多方面分析進(jìn)行抗震等級設(shè)計(jì)。尤其是地震頻發(fā)區(qū)，抗震等級將會更高，其中需要使用到的鋼筋混凝土強(qiáng)度將會更加優(yōu)異。在考慮鋼筋混凝土強(qiáng)度的同時，其中結(jié)構(gòu)粘結(jié)性能也不能忽視，如若粘結(jié)性能較差，即使具備很好的強(qiáng)度，當(dāng)受到地震荷載的影響之后，鋼筋混凝土一樣容易出現(xiàn)破壞。所以文章以3種不同類型高強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為實(shí)驗(yàn)對象，分析其中的粘結(jié)性能。這3種高強(qiáng)鋼筋混凝土分別為光圓鋼筋混凝土、異形鋼筋混凝土和螺旋肋鋼筋混凝土。通過實(shí)驗(yàn)研究的方式能夠定量分析這3種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同條件之下，螺旋肋鋼筋混凝土的粘結(jié)性能優(yōu)于異形鋼筋混凝土優(yōu)于光圓鋼筋混凝土，所以在罕遇地震下使用高強(qiáng)螺旋肋鋼筋混凝土將會具有更好的抗震效果。

關(guān)鍵詞：地震;高強(qiáng)鋼筋混凝土;粘結(jié)性能

中圖分類號：TU375; TU352.11 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1001-5922（2021）04-0102-04

Abstract：With the deepening of human understanding of the hazards of earthquakes， buildings will be designed for earthquake resistance based on multi-faceted analysis. Especially in earthquake-prone areas， the earthquake resistance level will be higher， and the strength of reinforced concrete that needs to be used will be even better. While considering the strength of reinforced concrete， the structural bonding performance cannot be ignored. If the bonding performance is poor， even with good strength， reinforced concrete is equally prone to damage after being affected by earthquake loads. Therefore， the paper takes three different types of high-strength reinforced concrete structures as experimental objects to analyze the bonding properties among them. The three types of high-strength reinforced concrete are round reinforced concrete， special-shaped reinforced concrete and spiral ribbed reinforced concrete. Through experimental research， the bonding performance of these three reinforced concrete structures can be quantitatively analyzed. The experimental results show that under the same conditions， the bonding performance of spiral ribbed reinforced concrete is better than that of special-shaped reinforced concrete than plain reinforced concrete. Therefore， the use of high-strength spiral ribbed reinforced concrete under rare earthquakes will have better seismic effects .

Key words：earthquake; high-strength reinforced concrete; bond performance

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建成之后，會受到各種因素的影響，使得鋼筋混凝土之間的粘結(jié)性能降低，尤其是遇到罕見地震之后，性能比較弱的鋼筋混凝土建筑將會直接被催倒，導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，所以后來我國提出了建筑的抗震要求，所使用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)要能夠滿足當(dāng)?shù)氐目拐鹬笖?shù)[1-2]。對于某些地震頻發(fā)的地域，需要使用到高強(qiáng)度的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)才可能避免出現(xiàn)粘結(jié)疲勞破壞[3]。為了減輕地震對建筑結(jié)構(gòu)的影響，文章將分析高強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性能，因?yàn)檎辰Y(jié)性能直接影響著鋼筋混凝土的強(qiáng)度、承載力等。為了模擬地震對鋼筋混凝土的影響，文章將使用不同的荷載代替地震。然后分析了3種不同鋼筋混凝土在荷載的作用下粘結(jié)性能的變化情況。目的在于提高高強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)性能，從而增強(qiáng)建筑抵抗罕見地震的能力。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

實(shí)驗(yàn)分析了3種不同的鋼筋，分別為光圓鋼筋、異形鋼筋和螺旋肋鋼筋，這3種屬于一種新型高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼筋，具有優(yōu)異的性能，能夠和混凝土組合成抗震性能較好的高強(qiáng)鋼筋混凝土。因此實(shí)驗(yàn)所需要的主要材料有直徑相同的光圓鋼筋、異形鋼筋和螺旋肋鋼筋，硅酸鹽水泥、碎石、中砂等。對3種鋼筋的抗拉強(qiáng)度和伸長率進(jìn)行測量之后得到如表1所示的結(jié)果，然后所制得的混凝土泊松比為0.18，其彈性模量為3.21×104MPa。

實(shí)驗(yàn)所需要的主要儀器為電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)。

1.2 實(shí)驗(yàn)試樣制作

實(shí)驗(yàn)所制得的試樣為一個正立方體，長寬高都為15cm，試樣的中間有3種不同類型高強(qiáng)鋼筋，鋼筋兩端分為加載端和自由端，并且在兩端都安設(shè)了套管，其中相對粘結(jié)長度l設(shè)置為5d和10d，相對粘結(jié)長度表示的是上套管下部距離下套管上部的距離。實(shí)驗(yàn)之前一共制作了57個試樣，將57個試樣分成了19組，每組3個，試樣試樣的相關(guān)參數(shù)如表2所示，試樣編號中字母代表的不同鋼筋類型，A5、A10、B5、B10、C5、C10表示的靜載參照基準(zhǔn)試件。實(shí)驗(yàn)對不同的試樣荷載的加載方式進(jìn)行分析，加載方法中除了表中所示的應(yīng)力水平上限存在差別，其他的值都相同，表中A10變、B10變、C10變屬于變幅加載。

1.3 實(shí)驗(yàn)操作方式

將試樣按照圖1的方位將其固定在萬能試驗(yàn)機(jī)的升降臺座上，讓后使用自帶夾具將試樣加載端鋼筋固定住，于是就可以對臺座進(jìn)行往下運(yùn)動，此時由于試樣被固定住，不能進(jìn)行運(yùn)動，于是就相當(dāng)于在對鋼筋進(jìn)行拔出實(shí)驗(yàn)。為了測得混凝土和兩端鋼筋的相對滑移量，分別在鋼筋的兩端安裝高精度位移傳感器，用此來得到相關(guān)數(shù)據(jù)。所有的數(shù)據(jù)采集過程中會將其傳送到計(jì)算機(jī)中，使用計(jì)算機(jī)對這些數(shù)據(jù)管理和分析。

2 3種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)性能

2.1 高強(qiáng)光圓鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)性能

當(dāng)光圓鋼筋混凝土受到荷載的影響之后，其粘結(jié)抗力主要包含兩個方面，分別為化學(xué)膠著力和摩擦力，當(dāng)鋼筋混凝土受到不斷重復(fù)的荷載之后，化學(xué)膠著力會被比較小的荷載所影響，是該力降低為零，而摩擦力會在重復(fù)摩擦力的影響下快速被降低[4-5]。文章通過對該類型鋼筋混凝土的粘結(jié)性能進(jìn)行測試，其中分析了3種不同荷載情況下粘結(jié)性能的變化情況，結(jié)果如表3所示，其中極限荷載值和殘余荷載值屬于最后基本上保持不變的恒定值。首先對等幅重復(fù)加載進(jìn)行分析，從中可以看出，和靜力加載方式相比，等幅重復(fù)加載之后，其殘余荷載和極限荷載都有明顯降低趨勢，而且等幅重復(fù)荷載中，將應(yīng)力水平上限不斷提高，其殘余荷載和極限荷載值也都處于隨之降低的趨勢;然后再對變幅重復(fù)加載進(jìn)行分析，相比于靜力加載，其殘余荷載和極限荷載值也都處于降低狀態(tài)。

2.2 異形鋼筋混凝土的粘結(jié)性能

如圖2所示為異形鋼筋的凹槽和混凝土相互作用示意圖，從圖中可以看出，異形鋼筋混凝土的粘結(jié)性能主要由摩擦作用和抗剪作用組成[6]。從理論上可以分析出相比于光圓鋼筋混凝土，異形鋼筋混凝土的粘結(jié)性能要更好，因?yàn)楫愋武摻钣泻芏喟疾?，受到地震荷載的影響之后，會產(chǎn)生抗剪力，從而能夠增加鋼筋混凝土的粘結(jié)效果[7-8]。為了進(jìn)一步分析異形鋼筋混凝土的粘結(jié)性能，使用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行粘結(jié)性能測試，測試了3種不同荷載形態(tài)下鋼筋混凝土的極限荷載值，如表4所示。

從表4中可以看出，與靜力荷載相比，異形鋼筋混凝土在等幅荷載狀態(tài)下，其極限荷載值都有所提高，所以這種鋼筋在受到荷載的作用是，其粘結(jié)強(qiáng)度并沒有發(fā)生退化，而通過上文對光圓鋼筋混凝土的研究可知，其重復(fù)荷載狀態(tài)下的極限荷載值相比于靜態(tài)荷載下有著明顯的降低，于是可以說明，使用異形鋼筋混凝土的粘結(jié)性能要強(qiáng)于光圓鋼筋混凝土，該結(jié)論正好與上述原理分析結(jié)果一致。然后在分析應(yīng)力水平上限不一致的情況，使用等幅荷載，異形鋼筋混凝土的極限荷載值的變化趨勢為先增加后降低，當(dāng)應(yīng)力水平上限為0.7時，其極限荷載值最大。最后再對異形鋼筋在變幅荷載情況下進(jìn)行分析，從表中可以看出，相比于靜態(tài)加載，異形鋼筋混凝土受到變幅加載影響時，其極限荷載的變化情況差不多，即說明這兩種不同加載方式對異形鋼筋混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度影響非常小，甚至可以忽略。所以，可以總結(jié)出異形鋼筋混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度相對于光圓鋼筋混凝土更好。

2.3 螺旋肋鋼筋混凝土粘結(jié)性能

螺旋肋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和上述分析的異形鋼筋外形上大致相同，都存在凹槽，但是其中的區(qū)別的在于螺旋肋鋼筋的凹槽寬度和夾角更大，螺旋槽導(dǎo)程更小，以至于形成肋間連續(xù)螺旋狀的混凝土條，如圖3所示[9]。因?yàn)檫@些區(qū)別，導(dǎo)致兩種鋼筋混凝土的粘接性能存在差異。從理論上講，螺旋肋鋼筋的寬度更大，于是就會增加鋼筋與混凝土之間的咬合齒寬度，所以當(dāng)受到地震等荷載的影響之后，相比于異形鋼筋混凝土，將會具有更好的粘接強(qiáng)度，不容易被擠碎或者被切斷。螺旋肋鋼筋的粘接強(qiáng)度更好還有一個原因在于：由于變形鋼筋中的橫肋對稱分布于縱肋兩側(cè)，而螺旋肋鋼筋的橫肋時沿著周圍方向環(huán)向均勻螺旋分布，第一種分布情況容易受到擠壓之后造成壓力集中縱肋兩邊，極有可能造成縱肋發(fā)生劈裂現(xiàn)象，而第二種分布情況沒有方向性，不會造成壓力集中的現(xiàn)象，所以在一定程度上能夠降低劈裂的發(fā)生，所以從理論將螺旋肋鋼筋混凝土的粘接性能相比于異形鋼筋混凝土要好。為了對螺旋肋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際粘結(jié)性能進(jìn)行分析，對其進(jìn)行了特征荷載值的測定研究，研究結(jié)果如表5所示。從表中可以看出，與靜力荷載相比，螺旋肋鋼筋混凝土受到等幅荷載和變幅荷載的極限荷載值有所提高。所以使用螺旋肋鋼筋混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度相比于另外兩種鋼筋更好，所以能夠得出結(jié)論為罕遇地震情況，建筑使用螺紋肋鋼筋混凝土將會具有更好的抗震效果。

通過上述對3種不同鋼筋混凝土試樣進(jìn)行分析可知，雖然光圓鋼筋混凝土本身具有很好的強(qiáng)度，但是當(dāng)其受到荷載的影響之后，其粘接性能表現(xiàn)出比較差的狀況，主要原因在于光圓鋼筋和混凝土之間的摩擦力比較小。而另外兩種鋼筋混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度明顯比光圓鋼筋混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度小，因?yàn)檫@兩種鋼筋存在凹槽，不僅有助于提高與混凝土的摩擦力，而且還存在一個抗剪能力，所以受到地震荷載的影響之后，該鋼筋由于具有更好的粘結(jié)性能，在一定程度比光圓鋼筋更能夠抵抗地震帶來的危害。對于異形鋼筋混凝土和螺旋肋鋼筋混凝土，由于螺旋肋鋼筋混凝土的凹槽寬度更大，將有助于提高材料自身的粘結(jié)性能，所以通過實(shí)驗(yàn)研究之后可以分析出螺旋肋鋼筋混凝土的粘結(jié)性能由于異形鋼筋混凝土優(yōu)于光圓鋼筋混凝土。所以在罕遇地震環(huán)境下，使用螺旋肋鋼筋混凝土的建筑將會具有更好的抗震效果，能夠在一定程度上降低經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡情況。比較適用于我國地震頻發(fā)的地區(qū)。

3 結(jié)語

地震的威力十分強(qiáng)大，在一般沒有進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的建筑容易被地震所催倒，尤其在地震易發(fā)區(qū)，非常有必要對建筑進(jìn)行抗震等級設(shè)計(jì)，那么就需要使用高強(qiáng)鋼筋混凝土。高強(qiáng)鋼筋混凝土之間的粘結(jié)性能十分重要，當(dāng)其粘接性能比較好時更有助于實(shí)現(xiàn)抗震效果。通過上文對3種不同類型的鋼筋混凝土進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究可知，螺旋肋鋼筋混凝土的粘結(jié)性能強(qiáng)于異形鋼筋混凝土強(qiáng)于光圓鋼筋混凝土，所以在罕遇地震環(huán)境下，需要螺旋肋鋼筋混凝土更加合適，具有更好的粘結(jié)強(qiáng)度和抗震效果。

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