鋼筋肋紋尺寸對鋼筋-混凝土抗拔性能數(shù)值分析

徐 進 周逸楓 趙宴增

（南京工業(yè)大學(xué)， 江蘇 南京 211816）

0 引言

地下結(jié)構(gòu)物長期處于地下水環(huán)境，若混凝土存在一定裂縫，地下水和空氣能沿著裂縫侵入構(gòu)件內(nèi)部[1]，在氯離子擴散模型中通過修正Fick 第二定律擴散方程的氯離子擴散系數(shù)[2]，并產(chǎn)生鐵銹等銹脹物。在銹脹應(yīng)力作用下，混凝土裂縫進一步發(fā)展，銹蝕速率隨之加快[3]。隨著銹脹裂縫的展開，混凝土和鋼筋之間的接觸面積減小[4]，導(dǎo)致鋼筋與混凝土的界面粘結(jié)強度與咬合性能大幅降低[5]，嚴(yán)重影響著地下結(jié)構(gòu)物的承載力和耐久性。不少學(xué)者通過數(shù)值軟件模擬鋼筋銹蝕對地下結(jié)構(gòu)物的承載力影響，其技術(shù)路徑通常為修正鋼筋與混凝土之間的彈簧模型剛度[6]，使其發(fā)生一定的衰減，進而實現(xiàn)鋼筋與混凝土粘結(jié)強度降低的模擬。鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強度主要由鋼筋與混凝土間的膠結(jié)力、摩擦力以及鋼筋肋紋與混凝土機械咬合力三部分組成，其中機械咬合力起主導(dǎo)作用[7]。在鋼筋-混凝土試件拉拔的數(shù)值模擬過程中，研究人員往往忽略了鋼筋肋紋的高度和寬度對鋼筋-混凝土抗拔性能的影響，然而，鋼筋制成運往施工現(xiàn)場后，往往因受潮而發(fā)生初始銹蝕[8]，鋼筋肋紋的高度和寬度已有一定程度的降低，存在鋼筋肋紋初始損耗。由于鋼筋肋紋是鋼筋-混凝土粘結(jié)界面機械咬合力的關(guān)鍵因素，若是在分析鋼筋銹蝕對鋼筋-混凝土抗拔性能時忽略了鋼筋肋紋的初始銹損，將對數(shù)值模擬結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

針對鋼筋肋紋存在初始銹損而尺寸有所下降的情況，本文將采用Abaqus 數(shù)值軟件進行鋼筋-混凝土拉拔試塊的三維數(shù)值建模，通過動力顯式算法模擬鋼筋拉拔過程中鋼筋、混凝土的大變形特性，并引入混凝土損傷模型模擬混凝土受力損傷開裂，分析鋼筋肋紋退化情況下鋼筋-混凝土抗拔性能，得到了相應(yīng)的拉拔端拉力與位移曲線，研究了鋼筋-混凝土機械咬合力對其粘結(jié)強度影響規(guī)律。

1 數(shù)值試驗?zāi)Ｐ?/h2>

本文根據(jù)常規(guī)鋼筋-混凝土拉拔試驗的情況，確定了Abaqus 數(shù)值模型試件的尺寸，其中混凝土試塊為150×150×150mm，鋼筋直徑為16mm，鋼筋加載端長度為150mm，鋼筋-混凝土粘結(jié)段的長度為80mm，具體布置如圖1 所示。該模型采用了C30 混凝土和Q235 鋼筋，其中混凝土考慮損傷塑性，鋼筋考慮塑性損傷。混凝土密度為2420kg/m3，彈性模量為34554MPa，泊松比為0.2，膨脹角為30°，粘結(jié)參數(shù)為0.001，摩擦系數(shù)為0.667；鋼筋密度為7890kg/m3，彈性模量為20.6GPa，泊松比為0.3。

圖1 帶肋鋼筋-混凝土模型

在《鋼筋混凝土用鋼第2 部分：熱軋帶肋鋼筋》（GB/T 1499.2-2018）[9]中規(guī)定，鋼筋肋紋間距不得大于鋼筋公稱直徑的0.7 倍。本數(shù)值模型采用的鋼筋直徑為16mm，根據(jù)該規(guī)范的要求，取鋼筋肋紋之間的距離為10mm。在保持肋紋間距不變的情況下，分別模擬了鋼筋-混凝土拉拔過程中鋼筋肋紋高寬為1mm、2mm、3mm 的情況，并進一步從砂漿應(yīng)力、鋼筋加載端荷載與位移關(guān)系等方面研究鋼筋肋紋尺寸對鋼筋-混凝土粘結(jié)強度的影響。

2 鋼筋-混凝土拉拔數(shù)值模擬結(jié)果

圖2 給出了鋼筋拉拔0.6mm 時混凝土的應(yīng)力云圖。在同樣的拉拔位移情況下，隨著鋼筋肋紋尺寸的增加，混凝土中的應(yīng)力逐漸增大，其應(yīng)力影響范圍也逐漸擴大。這主要歸因于鋼筋肋紋尺寸增大后，肋紋與混凝土之間的咬合面積有所增大，鋼筋與混凝土間的咬合力增強，從而導(dǎo)致帶動了鋼筋周邊更大范圍內(nèi)的混凝土發(fā)生變形，混凝土的強度得到更好的利用，進而增大了鋼筋-混凝土之間的粘結(jié)強度。

圖2 鋼筋-混凝土拉拔位移0.6mm 時不同肋紋尺寸下混凝土應(yīng)力云圖

圖3 給出了不同螺紋尺寸下鋼筋應(yīng)力。隨著鋼筋肋紋尺寸增加，鋼筋與砂漿的機械咬合力增加，鋼筋與砂漿被錨固得更牢固，從而可以承受外界施加的更大的力，鋼筋自由端的應(yīng)力增大，達到增強鋼筋-砂漿粘結(jié)應(yīng)力的目的。

圖3 鋼筋-混凝土拉拔過程中不同肋紋尺寸下鋼筋應(yīng)力云圖

圖4 給出了不同鋼筋肋紋尺寸下鋼筋加載端力與位移曲線。從圖中可以看出，隨著鋼筋肋紋尺寸的增加，在同等拉拔位移情況下，鋼筋所能承受的拉力逐漸增加。肋紋高寬為3mm 所對應(yīng)的鋼筋峰值拉力約為肋紋高寬1mm 的2 倍，進而說明了施工過程中應(yīng)注意保護鋼筋肋紋，避免鋼筋肋紋的初始銹損引起的鋼筋-混凝土拉拔性能的降低。

圖4 鋼筋-混凝土拉拔過程中不同肋紋尺寸下鋼筋加載端力與位移曲線

3 結(jié)束語

本文針對鋼筋肋紋尺寸對鋼筋-混凝土拉拔性能的影響，通過Abaqus 數(shù)值軟件建立鋼筋-混凝土試塊拉拔的三維模型，通過顯式動力學(xué)開展了鋼筋拉拔大變形數(shù)值模擬分析。在給定的鋼筋、混凝土材料參數(shù)和尺寸，在相同的拉拔情況下，分別選取鋼筋肋紋高度和寬度為1mm、2mm、3mm 的情況，分析了混凝土應(yīng)力分布和鋼筋加載端力與位移曲線的變化。結(jié)果表明，隨著鋼筋肋紋尺寸的增加，鋼筋周圍混凝土參與承載工作的范圍增大，鋼筋-混凝土抗拉性能也在逐漸增強，說明工程中應(yīng)注意保護鋼筋肋紋避免鋼筋-混凝土強度的折損。