凍融循環(huán)后的型鋼混凝土黏結(jié)滑移性能研究

姚志成,李俊華,張幸鏘,王 崢

（寧波大學(xué) 土木工程與地理環(huán)境學(xué)院,浙江 寧波 315211）

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)以其性能的優(yōu)越性在工程建設(shè)中日益得到廣泛應(yīng)用.作為一種混凝土組合結(jié)構(gòu),型鋼與混凝土間的黏結(jié)作用是兩種不同材料能夠發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì),共同承載受力的基本前提[1].良好的黏結(jié)性能將保證型鋼混凝土構(gòu)件在承載時(shí),不因型鋼與混凝土間的相對(duì)滑移而影響其受力性能.然而在我國(guó)廣大三北(東北、華北、西北)地區(qū)及常年凍土地區(qū),由于所處地區(qū)環(huán)境溫度較低,混凝土構(gòu)造物表面與其孔隙中的水分會(huì)凍結(jié),而當(dāng)溫度升高時(shí)水分又將融化;隨著溫度不斷循環(huán)變化,凍結(jié)與融化也將循環(huán)產(chǎn)生,這就對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生凍融循環(huán)作用[2].凍融循環(huán)作用使結(jié)構(gòu)在正常使用過程中產(chǎn)生凍融損傷,甚至造成凍融破壞,這是混凝土結(jié)構(gòu)主要破壞形式之一[3].凍融循環(huán)作用在造成混凝土力學(xué)性能損傷的同時(shí),也將造成型鋼混凝土黏結(jié)強(qiáng)度降低,使型鋼混凝土結(jié)構(gòu)黏結(jié)性能產(chǎn)生不可逆退化,影響結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全使用.

目前有關(guān)凍融循環(huán)作用后鋼筋混凝土黏結(jié)滑移性能的研究已獲較多成果,取得較大進(jìn)展[4-9].研究結(jié)果表明,凍融循環(huán)會(huì)造成鋼筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的下降,影響鋼筋混凝土的黏結(jié)滑移性能.其中Hanjari 等[6]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)凍融作用對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度減低25%與50%時(shí),鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度分別下降14%與50%,還同時(shí)引起鋼筋混凝土受力性能的下降.Xu等[7]考慮混凝土強(qiáng)度等級(jí)與凍融循環(huán)次數(shù),對(duì)凍融后的變形鋼筋混凝土進(jìn)行單調(diào)和反向循環(huán)加載試驗(yàn),結(jié)果表明凍融后鋼筋混凝土初始黏結(jié)剛度降低,并隨凍融循環(huán)次數(shù)增加,降低速率增加.但關(guān)于凍融循環(huán)后型鋼混凝土黏結(jié)滑移性能的研究還處于起步階段.雖然目前相關(guān)研究較少,但可以預(yù)見凍融循環(huán)作用后的型鋼混凝土黏結(jié)滑移性能的有關(guān)研究成果會(huì)有廣泛應(yīng)用前景.

本文對(duì)凍融后的型鋼混凝土短柱進(jìn)行推出試驗(yàn),研究?jī)鋈诤笮弯摶炷恋酿そY(jié)滑移性能,并建立相應(yīng)黏結(jié)強(qiáng)度與滑移量計(jì)算公式.這對(duì)完善現(xiàn)有型鋼混凝土黏結(jié)滑移性能的研究及提高寒冷地區(qū)型鋼混凝土構(gòu)件的耐久性都具有重要意義.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)9 個(gè)型鋼混凝土短柱試件,對(duì)其中5 個(gè)試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),待凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí),再對(duì)其進(jìn)行推出試驗(yàn),余下4 個(gè)則進(jìn)行常溫下的推出試驗(yàn).試驗(yàn)主要考慮凍融循環(huán)作用次數(shù)N、型鋼錨固長(zhǎng)度le、型鋼的保護(hù)層厚度Css與體積配箍率ρsv對(duì)凍融后型鋼混凝土黏結(jié)滑移性能的影響,試件參數(shù)設(shè)計(jì)情況詳見表1.

表1 試件參數(shù)設(shè)計(jì)情況表

1.2 試件形狀與材料屬性

試件采用強(qiáng)度等級(jí)C35 的商品混凝土進(jìn)行澆筑;縱向鋼筋采用直徑12 mm的HRB335級(jí)螺紋鋼筋;箍筋采用直徑為6 mm 的HPB300 級(jí)光圓鋼筋;在試件核心區(qū)布置Q235 熱軋H 型鋼,型鋼規(guī)格采用HW100×100×6×8.型鋼頂面高出混凝土100 mm,下部伸出混凝土100 mm.試件鋼筋保護(hù)層厚度為30 mm,型鋼保護(hù)層厚度根據(jù)表1 選取.按不同型鋼保護(hù)層厚度將試件截面尺寸分為220 mm×220 mm、280 mm×280 mm、340 mm×340 mm.試件形狀和截面配鋼情況如圖1 所示.

圖1 試件形狀與截面配鋼情況(單位: mm)

鋼材的拉伸試驗(yàn)按照《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分: 室溫試驗(yàn)方法》(GB/T 228.1-2010)進(jìn)行操作,并保證所有標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件均為同批次生產(chǎn)的鋼材.鋼材的力學(xué)性能見表2.

表2 鋼材力學(xué)性能

混凝土試塊為邊長(zhǎng)150 mm 立方體試塊,共同澆筑.對(duì)常溫及凍融后的混凝土試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)定,測(cè)定根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2019)在電液式壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.通過壓力測(cè)試最終測(cè)得常溫及不同凍融循環(huán)次數(shù)下的混凝土試塊抗壓強(qiáng)度(表3).

表3 混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值

1.3 凍融循環(huán)試驗(yàn)方案

凍融循環(huán)試驗(yàn)裝置采用浙江路達(dá)機(jī)械儀器有限公司生產(chǎn)的CABR-HDK9 型快速凍融裝置.試驗(yàn)前,根據(jù)試件尺寸自行打造2 個(gè)鋼試驗(yàn)盒,其功能一是用以將試件與防凍液進(jìn)行阻隔,二是可以讓試件充分浸泡在鋼試驗(yàn)盒內(nèi)的清水之中.由于有關(guān)型鋼混凝土試件的凍融試驗(yàn)?zāi)壳安o(wú)相關(guān)規(guī)范,因此本試驗(yàn)參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082-2009)進(jìn)行型鋼混凝土的凍融操作.

1.4 試驗(yàn)加載與量測(cè)方案

單調(diào)推出試驗(yàn)在四柱壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,加載裝置及方案如圖2 所示.加載時(shí),儀器上端為固定傳力板,下端為主動(dòng)傳力板.固定傳力板起固定試件作用,對(duì)應(yīng)試件自由端,主動(dòng)傳力板起加載作用,對(duì)應(yīng)試件加載端,荷載傳遞方向由下至上.

圖2 試驗(yàn)加載裝置及方案

試驗(yàn)荷載測(cè)量采用力學(xué)傳感器,滑移測(cè)量采用位移百分表.為測(cè)量型鋼與混凝土的相對(duì)滑移,將磁力底座吸附在試件表面粘貼的角鋼上,位移百分表的頂針指向粘貼在端部伸出型鋼的角鋼上,具體測(cè)試方式如圖3 所示.

圖3 相對(duì)滑移的測(cè)量

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凍融試驗(yàn)現(xiàn)象

凍融循環(huán)結(jié)束后,將試件從凍融盒內(nèi)抬出,觀察構(gòu)件表面情況(圖4).觀測(cè)看到,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,試件混凝土表面經(jīng)歷了表面砂漿剝落、細(xì)骨料掉落和粗骨料露出三個(gè)階段.凍融循環(huán)作用使試件表面由平整光滑狀態(tài)變?yōu)榇植诘穆槊鏍顟B(tài),試件表層混凝土受到侵蝕,受損現(xiàn)象與混凝土試塊遭受凍融循環(huán)作用后的情況類似.造成這種現(xiàn)象的原因是混凝土是一種各向異性材料,自然狀態(tài)下表面及內(nèi)部分布許多大小不同的孔隙,在含水率達(dá)到一定程度時(shí),孔隙中的水因凍結(jié)體積膨脹,對(duì)孔壁產(chǎn)生作用力,當(dāng)作用力達(dá)到一定程度時(shí),孔隙破裂,表面砂漿及細(xì)小顆粒因此產(chǎn)生剝落,并隨著凍融程度的增加剝落加劇.

圖4 凍融后型鋼混凝土試件表面情況

2.2 推出試驗(yàn)破壞形態(tài)

推出試驗(yàn)最終都以型鋼從混凝土中被推出而結(jié)束,根據(jù)保護(hù)層厚度的不同存在兩種破壞形態(tài).當(dāng)型鋼保護(hù)層厚度為60 mm 時(shí),試件端部產(chǎn)生劈裂裂縫,4條從型鋼翼緣端部向柱角延伸,并最終到達(dá)柱角,2 條從型鋼翼緣中部產(chǎn)生,并最終到達(dá)邊角;在極限荷載的60%左右時(shí),試件在加載端產(chǎn)生一條縱向裂縫,隨著荷載的增加,裂縫逐漸向自由端延伸,并最終形成縱向貫穿裂縫.而當(dāng)保護(hù)層厚度增加到90 mm 時(shí),試件端部與側(cè)面均不產(chǎn)生裂縫.試件的典型推出破壞形態(tài)如圖5 所示.

圖5 推出試件破壞形態(tài)

2.3 荷載—滑移曲線

各試件的荷載—滑移(P—S)曲線如圖6 所示.從圖中荷載—滑移曲線可以看出,各試件自由端與加載端的P—S曲線整體形狀一致,自由端整體曲線稍落后于加載端,體現(xiàn)在P—S曲線中為自由端曲線偏左.同時(shí)常溫下及凍融循環(huán)作用后的型鋼混凝土試件的曲線形狀大致相似,并呈現(xiàn)出一定規(guī)律.根據(jù)曲線整體特點(diǎn)總結(jié)出典型的試件荷載—滑移曲線模型(圖7).將P—S曲線分為4 段,分別為無(wú)滑移段(OA)、荷載增加段(AB)、荷載下降段(BC)、水平殘余段(CD).其中OA段的A點(diǎn)對(duì)應(yīng)試件的初始黏結(jié)荷載Pa,AB段的B點(diǎn)對(duì)應(yīng)極限黏結(jié)荷載Pu與極限滑移量Su,BC段的B點(diǎn)對(duì)應(yīng)殘余黏結(jié)荷載Pr與殘余滑移量Sr.

圖6 各試件的P—S 曲線

圖7 典型的P—S 模型

2.4 設(shè)計(jì)參數(shù)分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)找出各試件的承載力與滑移特征值,具體數(shù)據(jù)見表4.

表4 試件承載力與滑移特征值

2.4.1 凍融循環(huán)作用

由圖8 可見,凍融循環(huán)作用會(huì)造成型鋼混凝土試件包括初始黏結(jié)承載力、極限承載力與殘余承載力在內(nèi)的特征承載力與特征滑移值的下降,其中,極限承載力下降程度最大,凍融100 次后試件的極限承載力下降了23.06%.

圖8 凍融前后各承載力特征值

2.4.2 保護(hù)層厚度

凍融后不同保護(hù)層厚度試件的P—S曲線如圖9 所示.從圖中可見,型鋼保護(hù)層厚度的增加在一定程度上抵消了凍融循環(huán)作用產(chǎn)生的不利影響,即隨著保護(hù)層厚度的增加,試件各承載力特征值有所增大.為便于分析,定義Duλ為極限承載力損失,計(jì)算公式如下:

圖9 凍融作用后不同保護(hù)層厚度的P—S 曲線

根據(jù)式(1)得出凍融后不同保護(hù)層厚度的極限承載力損失情況(圖10).由圖可見,凍融后保護(hù)層厚度的增加能夠降低極限承載力的損失.這是由于凍融作用首先作用在試件混凝土表面,并隨著凍融循環(huán)作用的持續(xù),而不斷向試件內(nèi)部發(fā)展,因此,增加保護(hù)層厚度能夠增加凍融循環(huán)作用的傳遞路徑,使相同凍融循環(huán)次數(shù)的混凝土試件的極限承載力損失減小.

圖10 凍融后不同保護(hù)層厚度的承載力損失情況

2.4.3 型鋼錨固長(zhǎng)度

圖11 反映了凍融循環(huán)后錨固長(zhǎng)度對(duì)試件承載力與相對(duì)滑移的影響,可以看到錨固長(zhǎng)度的增加使試件特征承載力上升,降低了凍融循環(huán)的不利作用.當(dāng)錨固長(zhǎng)度從380 mm 增加至560 mm 時(shí),凍融循環(huán)作用后的試件極限承載力從300 kN 增加至379 kN,但錨固長(zhǎng)度的增加對(duì)于殘余承載力提升程度不高.

圖11 凍融后不同錨固長(zhǎng)度的P—S 曲線

3 黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系

3.1 凍融后SRC 黏結(jié)—滑移曲線

將所測(cè)量的荷載試驗(yàn)值P通過下式轉(zhuǎn)化成型鋼與混凝土界面上的平均黏結(jié)應(yīng)力:

式中:τ為平均黏結(jié)應(yīng)力;C為型鋼截面周長(zhǎng).由式(2)計(jì)算得到各試件的平均黏結(jié)應(yīng)力與端部滑移曲線(即黏結(jié)—滑移曲線(τ—S曲線))如圖12 所示.

圖12 試件的τ—S 曲線

分析圖12 中的黏結(jié)—滑移曲線以及其各黏結(jié)及滑移特征值,可以看出: (1)相比常溫情況,凍融后的試件在超過極限黏結(jié)強(qiáng)度后,隨著滑移的增加,黏結(jié)強(qiáng)度下降的趨勢(shì)更加緩和;(2)隨著保護(hù)層厚度的增加,試件的黏結(jié)強(qiáng)度提升;(3)隨著錨固長(zhǎng)度的增加,試件的黏結(jié)強(qiáng)度下降.

3.2 黏結(jié)-滑移本構(gòu)模型

由平均黏結(jié)應(yīng)力式可知,黏結(jié)-滑移與荷載-滑移具有相似趨勢(shì),也可分為4 段,分別為無(wú)滑移段、黏結(jié)應(yīng)力隨滑移上升段和隨滑移下降段、黏結(jié)應(yīng)力不變滑移持續(xù)增加段.通過對(duì)型鋼混凝土τ—S曲線的特征分析,確定初始黏結(jié)強(qiáng)度τa、極限黏結(jié)強(qiáng)度τu、殘余黏結(jié)強(qiáng)度τr及其對(duì)應(yīng)的特征滑移值Su、Sr,通過上述5 個(gè)特征值,確定凍融后型鋼混凝土的黏結(jié)-滑移(τ—S)本構(gòu)關(guān)系模型(圖13).

圖13 凍融型鋼混凝土τ—S 本構(gòu)模型

通過確定各黏結(jié)滑移特征值,得到本構(gòu)模型各段關(guān)系式,并分別對(duì)每段曲線相關(guān)性進(jìn)行分析.

(1)OA段: 此時(shí)隨著黏結(jié)強(qiáng)度增加,試件暫無(wú)滑移產(chǎn)生.曲線為與Y軸重合的直線.曲線可用下式表示:

(2)AB段: 此時(shí)黏結(jié)強(qiáng)度隨著滑移量的增加而增大,基本趨勢(shì)近似為二次曲線的上升段.曲線可用下式表示:

(3)BC段: 滑移量持續(xù)增加,黏結(jié)強(qiáng)度發(fā)生退化,基本趨勢(shì)為一條二次曲線下降段.曲線可用下式表示:

(4)CD段: 黏結(jié)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定,滑移持續(xù)增加,曲線近似水平直線.可用下式表示:

3.3 本構(gòu)模型的試驗(yàn)曲線與本構(gòu)模型曲線對(duì)比

將試驗(yàn)特征點(diǎn)數(shù)值結(jié)合本構(gòu)模型曲線公式繪制出黏結(jié)—滑移曲線,并將試驗(yàn)曲線與本構(gòu)模型曲線進(jìn)行對(duì)比(圖14),符合程度較好.

圖14 試驗(yàn)曲線與本構(gòu)模型對(duì)比

3.4 特征黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算

結(jié)合本次試驗(yàn)與文獻(xiàn)[10-13]共44 個(gè)常溫及凍融后的型鋼混凝土試件,通過對(duì)主要影響因素進(jìn)行多元線性回歸,得到各特征黏結(jié)強(qiáng)度算式如下:

(1)凍融型鋼混凝土初始黏結(jié)強(qiáng)度:

(2)凍融型鋼混凝土極限黏結(jié)強(qiáng)度:

(3)凍融型鋼混凝土殘余黏結(jié)強(qiáng)度:

式中:d為型鋼界面高度,mm;ft為混凝土抗拉強(qiáng)度,MPa.

將得到的各黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算值與本次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,初始黏結(jié)強(qiáng)度與極限黏結(jié)強(qiáng)度見表5,殘余黏結(jié)強(qiáng)度見表6.從表5、表6 中可以看出,試件公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果總體相符,計(jì)算值與試驗(yàn)值之比在0.8～1.2 左右.個(gè)別試件(如SRC-08)的殘余黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算值偏差較大,其原因可能為試件在殘余段加載時(shí),儀器施力控制不當(dāng)導(dǎo)致.

表5 試件初始與極限黏結(jié)強(qiáng)度特征值

表6 試件殘余黏結(jié)強(qiáng)度特征值

3.5 特征滑移量計(jì)算

常溫下型鋼混凝土特征滑移值大小主要與型鋼錨固長(zhǎng)度有關(guān)[12],而凍融循環(huán)之后,凍融循環(huán)次數(shù)與型鋼保護(hù)層厚度對(duì)極限黏結(jié)滑移存在影響,并且凍融循環(huán)次數(shù)與試件配箍率對(duì)殘余黏結(jié)滑移存在影響,因此結(jié)合本文與文獻(xiàn)[10-13]共44 個(gè)型鋼混凝土的推出試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)主要影響因素進(jìn)行線性回歸,得到特征黏結(jié)滑移量的計(jì)算式:

(1)凍融型鋼混凝土極限黏結(jié)滑移量:

(2)凍融型鋼混凝土殘余黏結(jié)滑移量:

黏結(jié)滑移量計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比見表7.由表可見,各試件計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果總體相符,計(jì)算值與試驗(yàn)值之比在0.8～1.2 左右.

表7 試件黏結(jié)滑移特征值

4 結(jié)論

(1)凍融循環(huán)作用造成混凝土抗壓強(qiáng)度下降,同時(shí)混凝土試塊與型鋼混凝土試件表面也因凍融循環(huán)作用造成損傷,在表面產(chǎn)生微裂縫.

(2)凍融前后型鋼混凝土試件的荷載—滑移曲線大致相似,且具有一定規(guī)律.可以根據(jù)荷載與滑移關(guān)系分為四段: 無(wú)滑移段、荷載隨滑移上升段、荷載下降滑移增加段、荷載穩(wěn)定滑移持續(xù)增加段.

(3)凍融循環(huán)作用會(huì)造成型鋼混凝土各特征承載力的下降,而增加型鋼保護(hù)層厚度與錨固長(zhǎng)度,可以提高試件各承載力特征值,在一定程度上抵消凍融循環(huán)的不利作用.

(4)根據(jù)試驗(yàn)所得黏結(jié)—滑移曲線構(gòu)建了凍融型鋼混凝土的黏結(jié)—滑移本構(gòu)模型,并結(jié)合以往常溫及凍融后型鋼混凝土推出試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)建立了凍融型鋼混凝土的各特征黏結(jié)強(qiáng)度與特征黏結(jié)滑移量計(jì)算公式.