基于梁式與拉拔試驗方法的鋼筋與輕骨料混凝土黏結(jié)性能比較

楊守奇，楊念旭，張 哲

(1.中智汽達(dá)(洛陽)監(jiān)理有限公司，河南 洛陽 471000；2. 河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

基于梁式與拉拔試驗方法的鋼筋與輕骨料混凝土黏結(jié)性能比較

楊守奇1，楊念旭2，張 哲2

(1.中智汽達(dá)(洛陽)監(jiān)理有限公司，河南 洛陽 471000；2. 河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

為探討拉拔試驗和梁式試驗的優(yōu)缺點(diǎn)，通過拉拔和梁式試驗得到F-S、τ-S、W-S曲線進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)拉拔試驗更適用于實(shí)驗室測試，梁式試驗更適用于新型結(jié)構(gòu)測試，研究結(jié)果對試驗方法的選型提供理論基礎(chǔ)。

拉拔試驗；梁式試驗；黏結(jié)-滑移；輕骨料混凝土；能量法；試驗選型

Abstract： In order to explore the advantages and disadvantages of pull-out test and beam test, through drawing and beam test, theF-S,τ-SandW-Scurves are obtained and compared, and it is found that the drawing test is more suitable for the laboratory test, the beam test is more suitable for the new structure test, and the research results provide the theoretical basis for the selection of test methods.

Keywords：pull-out test; beam test; bond-slip; lightweight aggregate concrete; energy method; test selection

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)共同工作的基礎(chǔ)是兩者之間的黏結(jié)作用，目前對黏結(jié)作用的研究仍以試驗研究為主，主要采用拉拔與梁式兩種試驗方法，兩種試驗方法的選擇仍比較模糊。杜峰等從不同黏結(jié)試驗方法的裝置系統(tǒng)闡述了不同試驗的區(qū)別[1]，并通過試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較；牛建剛[2]、王磊[3]等均采用了拉拔試驗分別進(jìn)行不同基體混凝土或不同鋼筋黏結(jié)性能測試；Jamal Khalaf[4]、Kim Hung Moa[5]、Petr Pokorny'a[6]等采用拉拔試驗針對不同影響因素對鋼筋黏結(jié)性能進(jìn)行測試；李龍龍等采用理論計算從拉拔試驗的能量角度對其破壞進(jìn)行分析闡述[7]，為黏結(jié)本構(gòu)更好應(yīng)用到耗能分析提供理論；安明喆[8]、王晨霞[9]、Long Xu[10]等基于梁式試驗，得到影響?zhàn)そY(jié)性能的不同因素，針對這兩種方法的應(yīng)用界定，通過不同本構(gòu)曲線的比較分析，得到明確的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 試驗概況

試驗原材料分別為：頁巖陶粒和頁巖陶砂(以下分別簡稱陶粒和陶砂)最大粒徑為15 mm；碎石是針葉狀石灰?guī)r，粒徑不大于15 mm，針片狀含量不大于7.8%，含泥量小于1.0%，堆積密度為1 462 kg/m3；水泥為堅固牌P·O42.5R普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為二級粉煤灰；拉拔試件減水劑采用萘系高效減水劑，摻量為膠凝材料的0.4%～0.5%；梁式試件減水劑采用聚羧酸高效減水劑，摻量為膠凝材料的0.4%～0.5%。

表1 拉拔試件混凝土配合比及物理力學(xué)指標(biāo)

注：W/B表示水膠比；fcu28 d表示28 d立方體抗壓強(qiáng)度，MPa；fst28 d表示28 d劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；ρd表示干表觀密度，kg/m3；mc表示水泥質(zhì)量，kg；mf表示粉煤灰質(zhì)量，kg；mLC表示陶粒質(zhì)量，kg；mLF表示陶砂質(zhì)量，kg；mwr表示減水劑質(zhì)量占膠凝材料百分比，%。

表2 梁式試件全輕與石輕混凝土的配合比與強(qiáng)度值

注：mg表示碎石質(zhì)量。

表3 兩種鋼筋的強(qiáng)度值

注：σs表示鋼筋的屈服強(qiáng)度，MPa；σb表示鋼筋的極限抗拉強(qiáng)度，MPa。

分別進(jìn)行拉拔試驗和梁式試驗。

在采用《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[11]進(jìn)行梁式試驗時，需將梁荷載通過靜力學(xué)轉(zhuǎn)換為鋼筋軸線拉力，受力示意圖見圖1。

從受力機(jī)理看，可將整個梁分成兩個半梁，試驗過程中采用加載板，其為均布荷載形式，為簡化計算，將加載板看成小邊界，應(yīng)用圣維南原理將荷載轉(zhuǎn)換為集中荷載進(jìn)行計算，通過計算將集中荷載轉(zhuǎn)換為梁底部通長鋼筋拉力。

將均布荷載轉(zhuǎn)換為集中荷載P1，進(jìn)而通過換算，將Fc轉(zhuǎn)換為P、P1的表達(dá)式。對O點(diǎn)取矩，合力矩為零(如圖1所示)，則有

圖1 半梁受力示意圖

ΣMO=Pl1-Fcl3-P1l3=0

(1)

Fc=(Pl1-P1l2)/l3

(2)

式中：ΣMO——O點(diǎn)合力矩；P——支座反力；P1——通過均布荷載轉(zhuǎn)換成的集中荷載；Fc——貫通鋼筋所受的拉力；l1——支座與O點(diǎn)的水平距離；l2——集中荷載與O點(diǎn)的水平距離；l3——鋼筋拉力與O點(diǎn)的垂直距離。

2 兩種試驗方法的黏結(jié) — 滑移曲線

(1)F-S曲線比較

取鋼筋直徑d=16 mm、d=20 mm的全輕試件進(jìn)行對比，如圖2所示。

圖2 兩種試驗方法的F - S曲線比較

由圖2可知：梁式試驗極限荷載值比拉拔試驗極限荷載值大1個數(shù)量級，梁式試驗中的月牙肋鋼筋的極限黏結(jié)力比拉拔試件的光圓鋼筋極限荷載值更是大兩個數(shù)量級，表明具有橫向約束的梁式試件鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)力得到明顯提高；梁式試件的F-S曲線更為平緩，能夠比較好地反映出兩者之間的延性破壞；相對于拉拔試件，梁式試件的黏結(jié)滑移距離比較小，這取決于梁式試件具有很好的橫向約束以及較大的握裹力；拉拔試件更容易觀測到破壞全過程，從側(cè)面反映出拉拔試件更適合于工程質(zhì)量測試試驗；拉拔試件在上升段的滑移距離占到整個曲線的滑移距離的60%以上，而梁式試件滑移曲線上升段滑移距離僅占全曲線滑移距離50%或更小?？梢酝茢喑?，當(dāng)具有更好握裹力(橫向約束)時，在達(dá)到極限黏結(jié)力時，能夠延緩鋼筋與混凝土基體之間的滑移，從而提高構(gòu)件的延性。

(2)τ-S曲線比較

由于拉拔試件屬于短錨試件，而梁式試件相對拉拔試件錨固長度較大，通過式(3)得到的平均黏結(jié)應(yīng)力沒有拉拔試件精確。通過將梁式試件簡化成短錨試件求解。

τ=F/πd

(3)

式中：F——拉拔力；d——鋼筋直徑。

圖3 不同工況下采用短錨計算的應(yīng)力滑移曲線對比圖

鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)作用是通過化學(xué)膠著力、機(jī)械咬合力、摩擦阻尼力等提供，是一種常見的剪應(yīng)力。但是目前無法通過試驗直接測得鋼筋混凝土界面應(yīng)力，僅通過測量鋼筋應(yīng)變計算得到測點(diǎn)處的界面應(yīng)力。

不同工況下采用短錨計算的應(yīng)力滑移曲線對比圖如圖3所示，由圖3可知：兩種不同工況下試件的τ-S曲線趨勢基本一致，均有明顯的上升和下降段，拉拔試件曲線上升段較為陡峭，梁式試驗平臺期所占整條曲線比例較大，下降段較緩，主要是因為拉拔試驗為未配箍試件，隨著拉拔力的增大，鋼筋表面黏結(jié)應(yīng)力迅速增大，化學(xué)膠著力瞬間失效，鋼筋與混凝土隨即產(chǎn)生相對滑移，而梁式試件為配箍試件，且其黏結(jié)長度較大，有較大的截面尺寸，在初期化學(xué)膠著力持續(xù)效應(yīng)較拉拔試件長，且由于握裹力的增大，使得拉拔力增大引起較小幅度的滑移；拉拔試件τ-S曲線平臺期幾乎為零，主要由于不配箍試件鋼筋與混凝土界面的混凝土在黏結(jié)應(yīng)力急速增長期迅速受壓破碎；對于梁式試件，較大的握裹力與黏結(jié)長度，使界面混凝土不易發(fā)生破裂，鋼筋肋對于混凝土的擠壓有一個緩慢的過程，直到肋間混凝土完全破壞而出現(xiàn)下降段。但兩者的平均黏結(jié)應(yīng)力相差達(dá)到一個數(shù)量級，梁式試件中鋼筋與混凝土之間更好的提供了黏結(jié)作用，梁式試驗與工程實(shí)際的近似性使得其更適用于新型結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)試驗。

(3)W-S曲線比較

拔出破壞過程中的聲發(fā)射能量特征與受力過程為一一對應(yīng)關(guān)系。因此，只要通過試驗得到F-S曲線，就可以通過式(4)變換導(dǎo)出W-S曲線。

W=FS

(4)

由于梁式試驗數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，經(jīng)計算求得的能量曲線相對拉拔試驗較為粗糙，但仍能反映破壞時能量釋放的大致情況，通過與拉拔試件能量曲線對比，能很好地得出二者之間的異同。這里通過d=16 mm時的能量曲線進(jìn)行比較分析，如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 部分拉拔試件W-S曲線

圖5 梁式試件右半梁能量曲線

通過圖5可以發(fā)現(xiàn)，梁式試件的能量曲線相對于圖4的拉拔試件的能量曲線較為平緩，且比較平滑。這是由于拉拔試件不受橫向約束，混凝土內(nèi)部的離散性決定了其能量曲線的不均勻性；而梁式試件采用了箍筋，且橫截面較大，受力方式的不同減小了混凝土基體內(nèi)部不均勻因素的影響，破壞時能量釋放比較緩慢均勻從而也使得能量曲線更加均勻。

圖6 d=16 mm, 兩種試驗方法能量比較分析

由圖6可知，拉拔試件消耗能量值僅為梁式試件破壞能量消耗值的1/5左右，且拉拔試件能量消耗增長比較集中，梁式試件能量消耗增長比較均勻地分布于整個滑移長度上，說明拉拔試件有一個突然釋放能量的過程，梁式試件破壞釋放能量相對較為緩慢。

3 優(yōu)缺點(diǎn)比較

拉拔試驗采用的試件較小，試驗比較簡單，試驗費(fèi)用較低，相當(dāng)部分科研人員采用了拉拔試驗進(jìn)行黏結(jié)性能的研究。而梁式試驗試件較大，試驗過程煩瑣，費(fèi)用高，目前采用這種方法相對較少。但對于這兩種試驗方法，拉拔試件為短錨試件，與實(shí)際構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)處相似；而梁式試件與工程實(shí)際中的梁相近，更接近實(shí)際工程；梁式試驗試驗荷載遠(yuǎn)比拉拔試件大，梁式試驗的受力更接近工程實(shí)際，拉拔試驗更適合試驗室抽樣檢驗。

4 結(jié)論

針對黏結(jié)性能的研究，拉拔試驗較簡單且費(fèi)用低，應(yīng)用較為廣泛，而梁式試驗較為復(fù)雜且費(fèi)用較高，研究人員采用較少。通過兩種試驗方法的比較，得到如下結(jié)論：

(1) 拉拔試驗更適合進(jìn)行實(shí)驗室測試使用，梁式試驗更適合新型結(jié)構(gòu)試驗；

(2) 采用進(jìn)行橫向約束的梁式試件比拉拔試件在達(dá)到極限荷載時發(fā)生的滑移長度小，梁式試驗過程中，試件具有更好的延性，采用拉拔破壞更容易觀察到破壞全過程；

(3) 兩種試驗方法黏結(jié)破壞能量釋放增長曲線基本一致，梁式構(gòu)件能量變化比拉拔試件均勻，拉拔試件滑移耗能僅為梁式試驗的1/5左右。

[1] 杜鋒, 肖建莊, 高向玲. 鋼筋與混凝土間黏結(jié)試驗方法研究[J]. 結(jié)構(gòu)工程師, 2006, 22(2): 93-97.

[2] 牛建剛, 郝 吉, 孫立斌, 等. 塑鋼纖維增強(qiáng)輕骨料混凝土與鋼筋黏結(jié)性能試驗研究[J]. 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2016, 48(6): 805-812.

[3] 王磊, 馬亞飛, 張建仁, 等. 銹蝕鋼筋黏結(jié)性能對比試驗研究[J]. 公路交通科技, 2010, 27(6): 91-96.

[4] Jamal Khalaf, Zhaohui Huang, Mizi Fan. Analysis of bond-slip between concrete and steel bar in fire[J]. Computers and Structures, 2016, 162: 1-15.

[5] Kim Hung Moa, Phillip Visintinb, U. Johnson Alengarama, et.al. Bond stress-slip relationship of oil palm shell lightweight concrete[J]. Engineering Structures, 2016, 127: 319-330.

[6] Petr Pokornya, Petr Teja, Milan Kourilb. Evaluation of the impact of corrosion of hot-dip galvanized reinforcement on bond strength with concrete - A review[J]. Construction and Building Materials, 2017, 132: 271-289.

[7] 李龍龍, 王立成. 基于能量守恒理論的帶肋鋼筋混凝土黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系研究[J]. 計算力學(xué)學(xué)報, 2017, 34(1): 68-74.

[8] 安明喆, 賈方方, 余自若, 等. 活性粉末混凝土受彎構(gòu)件中鋼筋黏結(jié)性能[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2013, 45(8): 105-110.

[9] 王晨霞, 王宇, 李敬紅, 等. 再生混凝土與銹蝕鋼筋間的黏結(jié)性能試驗研究[J]. 土木建筑與環(huán)境工程, 2016, 38(1): 46-53.

[10] Long Xu, TAN Kang Hai, LEE Chi King. Analytical Model on the Bond Stress-Slip Relationship between Steel Reinforcement and Concrete for RC Beam-Column Joints[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 275: 1212-1218.

[11] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50152-2012 [S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2012.

ComparisonofbondingbetweenreinforcementandLWACbasedonbeamandpull-outtext

YANG Shou-qi1, YANG Nian-xu2, ZHANG Zhe2

(1.LuoYangZhidaConstructionSupervisionCo.Ltd.,Luoyang471000,China; 2.SchoolofCivilEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China)

2017-06-12

國家自然科學(xué)基金項目(41172317)

楊守奇(1979—)，男，河南滑縣人，工程師。

1674-7046(2017)04-0048-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.04.009

TU375.1

A