李艷艷　李曉清　蘇恒博

摘要：

為研究600 MPa高強鋼筋與混凝土粘結錨固性能，設計了72個棱柱體試件進行拉拔試驗，對600 MPa高強鋼筋粘結錨固的破壞形態(tài)及粘結應力分布進行分析，通過建立基本粘結滑移關系及位置函數，確定600 MPa高強鋼筋在混凝土結構中的粘結滑移本構關系。采用一次二階矩法進行可靠度分析，提出錨固長度設計建議。研究表明：600 MPa高強鋼筋粘結錨固的破壞形態(tài)及粘結應力分布與普通鋼筋類似且粘結錨固性能良好，《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010）基本錨固長度計算公式依然適用于600 MPa高強鋼筋。

關鍵詞：

高強鋼筋；粘結性能；本構關系；錨固長度

中圖分類號：TU511.32

文獻標志碼：A文章編號：16744764（2017）02001907

Abstract：

Pullout tests were carried out on 72 concrete specimens reinforced with 600 MPa high strength reinforcement to investigate the bondanchorage properties between 600 MPa high strength reinforcement and concrete. Failure pattern and bond stress distribution of specimens were studied， respectively. The bondslip constitutive relations of 600 MPa high strength reinforcement were established through basic form of bondslip and position function. Through establishing the calculation formula of ultimate bonding strength for 600 MPa high strength reinforcement， bondanchorage length was established via reliability analysis of JC. The results showed that the failure pattern， bond stress distribution between 600 MPa high strength reinforcement and other strength reinforced bars no obvious difference. Basic anchorage length formula of GB500102010 still can be applied to 600 MPa high strength reinforcement.

Keywords：

high strength reinforcement； bond properties； constitutive relations； anchorage length

鋼筋混凝土共同受力的基礎是兩者共同協調發(fā)揮作用，而共同協調的關鍵就在于粘結錨固作用。粘結錨固作用是混凝土結構研究的基本問題，隨著建筑材料及理論研究的不斷發(fā)展，鋼筋與混凝土粘結錨固問題的研究也在不斷深入。近年來，關于再生混凝土、陶?；炷恋忍厥饣炷僚c普通鋼筋及銹蝕鋼筋等特殊鋼筋的粘結錨固問題成為研究熱點。Prince等[1]、王晨霞等[2]研究了再生混凝土與鋼筋的粘結性能，Zhang等[3]、張歡歡等[4]研究了陶?；炷僚c鋼筋的粘結性能。同時，反復荷載、重復荷載等特殊工況以及凍融、火災等特殊環(huán)境作用下鋼筋與混凝土的粘結性能備受關注。冀曉東等[5]、Rania等[6]、Huang等[7]研究了周期荷載作用下鋼筋與混凝土的粘結退化機理，Arel等[8]、Khalaf等[9]對高溫、火災環(huán)境下鋼筋與混凝土的粘結性能進行了試驗研究。

高強鋼筋作為一種新型建筑材料，其與混凝土的粘結錨固問題是推廣應用高強鋼筋的關鍵問題。學者們曾進行過很多關于高強鋼筋與混凝土粘結錨固性能方面的研究[1013]，但主要集中于普通鋼筋以及強度在500 MPa及以下鋼筋，而對更高強度鋼筋與混凝土粘結錨固性能的研究比較缺乏。隨著中國大力推廣高強鋼筋，HRB500鋼筋已經編入現行《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010），600 MPa高強鋼筋的推廣使用也是勢在必行。高強鋼筋因設計強度明顯高于普通鋼筋，所需錨固力遠遠高于普通鋼筋，有必要針對600 MPa高強鋼筋與混凝土之間粘結錨固性能進行研究。本文利用棱柱體試件拉拔試驗，研究600 MPa高強鋼筋與混凝土的粘結應力分布、本構關系等。

1試驗概況

1.1試件設計與制作

試驗采用600 MPa級熱軋帶肋高強鋼筋，直徑為18、25 mm，其屈服強度實測值分別為654.30、622.30 MPa。試驗所用混凝土為商品混凝土。試驗用試件與立方體試塊（150 mm×150 mm×150 mm）同時澆筑完成，同條件下養(yǎng)護至28 d，根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2002）對標準立方體試件進行抗壓性能試驗，結果如表1所示。

1.2試驗方法

試件加載端采用內徑較錨筋大2 mm，長度為40 mm塑料管，將鋼筋與混凝土隔開，以防止加載端局部擠壓對錨筋受力造成影響。整個試驗在WAW1000電液伺服萬能試驗機上完成，加載制度參考《混凝土結構試驗方法標準》（GB/T 50152—2012），采用連續(xù)加載，試驗裝置如圖1所示。試驗時加載端采用位移計量測鋼筋與加載端、自由端截面混凝土相對位移，位移計安裝如圖2所示。在鋼筋外表面延鋼筋埋長對鋼筋進行開槽并貼應變片，量測鋼筋應變，采用DH3816進行應變信號采集，應變片間距為20 mm，開槽鋼筋貼應變片情況如圖3所示。

2破壞形態(tài)

試件破壞形態(tài)可分成4類（圖4）：混凝土劈裂破壞、混凝土拉裂后鋼筋拔出破壞、混凝土壓碎破壞以及鋼筋屈服破壞。

1）未配置橫向箍筋試件基本發(fā)生劈裂破壞。從試驗開始直到試件劈裂前，試件表面無裂縫出現，到達極限荷載時，試件發(fā)生瞬間劈裂破壞并伴有劇烈聲響，如圖4（a）所示。

2）當試件配置少量橫向箍筋，采用偏心置筋，試件的破壞方式為混凝土被拉裂后錨筋拔出破壞。其破壞形態(tài)，如圖4（b）所示。

3）當試件配置較多箍筋，混凝土保護層厚度較小時，試件的破壞方式為混凝土壓碎后混凝土大面積剝落、箍筋外露而錨固失效破壞。破壞形態(tài)見圖4（c）。

4）當錨固長度較大時，部分試件的錨筋發(fā)生屈服，即在混凝土破壞之前錨筋已經達到屈服。大部分試件完好無損，極少試件會出現細微裂縫，如圖4（d）所示。

對比以往研究文獻[11]，發(fā)現配置箍筋適當、保護層厚度滿足要求時，同條件下，600 MPa高強鋼筋與其它級別高強鋼筋粘結破壞形態(tài)類似；保護層厚度相對較小時，600 MPa高強鋼筋試件出現混凝土壓碎破壞現象。

600 MPa高強鋼筋與普通鋼筋相比設計應力較高，高應力狀態(tài)下容易出現錨筋周圍混凝土壓碎先于錨筋拔出破壞，當混凝土保護層厚度滿足要求時，則不會出現。因此，在應用600 MPa高強鋼筋時，應當較其它低強度等級鋼筋適當加大鋼筋間距，保證鋼筋周圍有足夠混凝土握裹層厚度。

3粘結應力分布

通過鋼筋內貼應變片的方法得到鋼筋應變延錨長分布情況，進而得到粘結應力沿錨固長度的分布情況，不同錨固長度試件粘結應力分布曲線如圖5所示。

觀察兩者界面粘結應力分布曲線特點，其分布規(guī)律為：

1）試件加載端粘結應力近似為0，沿著加載端向自由端，粘結應力迅速增加，大多數試件粘結應力在錨固深度0.15～0.9處經過一段穩(wěn)定后，粘結應力迅速降低，曲線斜率減小，到達自由端時粘結應力為零。

2）各級荷載下粘結應力的分布規(guī)律基本相似，不同的試件也有極為相似的規(guī)律。錨固長度較小的試件其粘結應力分布較均勻，高應力區(qū)域較大；相對于錨長較小試件，錨固長度較大的試件其粘結應力分布不夠均勻，高應力區(qū)域較小，并且靠近加載端，同普通熱軋帶肋鋼筋相類似。

4粘結滑移本構關系

4.1基本粘結滑移關系

試驗研究表明，未配置橫向箍筋的CX組試件基本發(fā)生瞬間劈裂破壞，試件喪失承載能力，粘結滑移曲線只有上升段；配置箍筋短錨DX組試件發(fā)生拔出破壞時，可以測出全曲線，但試驗數據較為離散。本文基于全部開槽試件CX、DX組試驗數據進行粘結滑移曲線上升段進行分析，粘結應力及對應滑移如圖6。粘結應力值、滑移值取值分別為平均粘結應力值、自由端與加載端滑移平均值。

觀察試驗數據規(guī)律，并對其進行擬合，結果以三次曲線形式表示，如式（1），此式即為基本粘結滑移關系Φ（s）。

Φ（s）=1.33+22.41s-11.78s2-3.86s3（1）

4.2粘結滑移位置函數

位置函數ψ（x）描述了不同位置處粘結剛度（τs曲線斜率）的相對大小，是個相對函數（圖7）。位置函數的取得方法詳細如下：取相同滑移下不同位置處的粘結應力連成曲線，該曲線反映了粘結錨固剛度沿錨固長度的變化規(guī)律；將不同位置的粘結應力曲線無量綱化，即把縱坐標的粘結應力除以平均粘結應力，橫坐標的錨固位置除以錨固長度。

由此曲線可以觀察到不同錨固長度試件粘結應力的分布有著相同的規(guī)律：自由端位置的粘結應力為0，加載粘結應力近似趨向于0，其趨勢經歷了迅速增加、相對穩(wěn)定、急劇減小3個階段，穩(wěn)定區(qū)域在0.15～0.9倍錨固長度范圍內。而在此分布規(guī)律下，較短錨固長度5d和10d的試件有著相似的分布趨勢，較長錨固長度15d和19.4d的試件有著更為相似的分布趨勢。

結合粘結應力分布的特點，對位置函數進行簡化處理，提出折線模型（圖8）。整個模型由3條折線，4個控制點A（0，0）、B（X1，Y1）、C（X2，Y2）和D（1.0，0）組成。

表3中3組數據分別為計算臨界錨固長度、可靠度分析錨固長度及《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010）規(guī)定帶肋鋼筋基本錨固長度，對比3組數據發(fā)現：臨界錨固長度、JC法分析錨固長度均低于規(guī)范取值。因此，600MP高強鋼筋的基本錨固長度可以按照《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010）相關公式進行計算取值。

6結論

1）600 MPa高強鋼筋粘結應力分布規(guī)律與普通帶肋鋼筋相類似，并且粘結應力峰值出現在錨固深度0.15倍處左右。

2）通過建立基本粘結滑移關系、位置函數，提出適合600 MPa高強鋼筋與混凝土的粘結滑移本構關系。

3）600 MPa高強鋼筋的基本錨固長度可以按照《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010）相關公式進行計算取值，抗拉強度設計值取520 MPa。

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（編輯王秀玲）