朱俊濤 趙奎 鄒旭巖 王新玲 李可 張哲

摘 要：為探明高強(qiáng)不銹鋼絞線網(wǎng)在工程水泥基復(fù)合材料（Engineering Cementitious Composites， ECC）中搭接連接的受力特性，并確定其合理的搭接長(zhǎng)度，考慮橫向鋼絞線間距、搭接長(zhǎng)度和鋼絞線直徑等影響因素，對(duì)設(shè)計(jì)制作的39個(gè)試件進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)。結(jié)果表明：鋼絞線網(wǎng)在ECC中的搭接連接有鋼絞線拔出和拉斷兩種破壞模式;橫向鋼絞線的設(shè)置對(duì)搭接時(shí)的極限拉拔力影響不大，但其滑移量隨著橫向鋼絞線間距的減小而減小;隨著搭接長(zhǎng)度的增加，達(dá)到峰值荷載的滑移量和“搭接剛度”增加，而極限粘結(jié)應(yīng)力則隨之降低。通過試驗(yàn)分析，確定了鋼絞線網(wǎng)的臨界搭接長(zhǎng)度，并建立了考慮修正系數(shù)β的搭接長(zhǎng)度計(jì)算公式。

關(guān)鍵詞：不銹鋼絞線網(wǎng);工程水泥基復(fù)合材料;搭接性能;拉拔試驗(yàn);搭接長(zhǎng)度

中圖分類號(hào)：TU528.58 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2021）03-0174-09

Abstract： In order to investigate the mechanical characteristics of high strength stainless steel wire mesh in Engineering Cementitious Composites （ECC） and to determine the reasonable lap length， the pullout tests of 39 specimens were carried out by considering the influential factors such as transverse strand spacing， lap length and strand diameter. The results show that there are two failure modes in the lap connection of steel wire mesh in ECC， namely pull out and pull off. The setting of transverse strand has little effect on the ultimate pull-out force， but the slip decreases with the decrease of the transverse strand spacing. With the increase of lap length， the slip amount and "lap stiffness" to peak load increase， while the ultimate bond stress decreases. Based on the experimental analysis， the critical lap length of steel wire mesh is determined， and the calculation formula of lap length considering the correction coefficient β is established.

Keywords： stainless steel wire mesh; Engineering Cementitious Composites （ECC）; lap-spliced behavior; pull-out test; splice length

工程水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementitious Composites，ECC）是一種新型的水泥基復(fù)合材料。與普通混凝土相比，由于纖維的橋聯(lián)作用，使其具有拉伸應(yīng)變硬化和多縫開裂的特點(diǎn)，提高了結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力[1]，但強(qiáng)度較低，需要結(jié)合增強(qiáng)材料來充分發(fā)揮其工作性能。普通鋼筋強(qiáng)度低，難以充分發(fā)揮ECC的優(yōu)異性能;纖維編織網(wǎng)性能優(yōu)越，但經(jīng)濟(jì)性和施工性能較差[2-7]。而高強(qiáng)不銹鋼絞線具有強(qiáng)度高、耐久性好及運(yùn)輸、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，常與環(huán)氧樹脂或聚合物砂漿組合用于混凝土結(jié)構(gòu)加固[8]。因此，基于兩種材料（高強(qiáng)不銹鋼絞線、ECC）的優(yōu)點(diǎn)，提出高強(qiáng)不銹鋼絞線網(wǎng)增強(qiáng)ECC這一新型復(fù)合材料[9-11]，既充分發(fā)揮了ECC和高強(qiáng)不銹鋼絞線的優(yōu)點(diǎn)，又克服了相應(yīng)增強(qiáng)材料的缺點(diǎn)。

考慮實(shí)際工程施工，增強(qiáng)材料在基體中需要截?cái)?、搭接，而截?cái)?、搭接削弱了基體對(duì)增強(qiáng)材料的握裹作用，因此，需要對(duì)增強(qiáng)材料的搭接性能進(jìn)行研究，以確保構(gòu)件受力的安全性。學(xué)者們對(duì)增強(qiáng)材料在基體中的搭接性能開展了廣泛研究[12-16]。Choi等[17]通過拉伸試驗(yàn)，研究了不同抗壓強(qiáng)度的混雜纖維增強(qiáng)SHCC中搭接鋼筋的粘結(jié)性能，并考慮搭接長(zhǎng)度等多種因素影響，提出局部最大粘結(jié)應(yīng)力和平均粘結(jié)應(yīng)力計(jì)算公式。Metelli等 [18]對(duì)纖維混凝土梁交錯(cuò)搭接鋼筋進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出纖維摻量及截面搭接鋼筋百分比對(duì)鋼筋搭接性能的影響規(guī)律。方志等[19]研究了活性粉末混凝土中帶肋鋼筋搭接連接的受力性能，確定了活性粉末混凝土中縱筋的搭接長(zhǎng)度。惠慧[20]通試驗(yàn)研究了不同因素（搭接長(zhǎng)度、保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度、配箍率以及GFRP筋直徑）對(duì)GFRP筋在混凝土中搭接性能的影響規(guī)律，提出了GFRP筋在混凝土中的搭接粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式及搭接長(zhǎng)度計(jì)算公式。

綜上所述，目前對(duì)各種筋材的搭接受力性能、破壞特點(diǎn)以及搭接長(zhǎng)度等已有深入研究，中國(guó)現(xiàn)行規(guī)范也對(duì)搭接構(gòu)造要求進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定。然而，對(duì)鋼絞線網(wǎng)在ECC中搭接性能鮮有研究。因此，本文以橫向鋼絞線間距、相對(duì)搭接長(zhǎng)度、鋼絞線直徑為試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)39個(gè)搭接連接試件進(jìn)行中心對(duì)拉試驗(yàn)，以探究高強(qiáng)不銹鋼絞線網(wǎng)在ECC中的搭接連接性能影響規(guī)律，進(jìn)而確定其臨界搭接長(zhǎng)度及相關(guān)構(gòu)造措施。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

共制作了39個(gè)拉拔試件，考慮不同試驗(yàn)工況分為4組，每組3個(gè)試件。試件設(shè)計(jì)圖如圖1所示。圖中，a為試件長(zhǎng)度，l0為非粘結(jié)段長(zhǎng)度，la為搭接長(zhǎng)度，c為試件的厚度。試件設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

1.2 加載方式及量測(cè)方案

由于試驗(yàn)機(jī)尺寸限制，搭接試驗(yàn)在圖2所示的自制鋼吊籃中進(jìn)行。試驗(yàn)采用穿心液壓千斤頂進(jìn)行手動(dòng)加載，整個(gè)裝置橫臥式放置，左端為加載端，右端采用兩塊打孔的鋼板對(duì)鋼絞線端頭進(jìn)行固定。在試件上下兩側(cè)放置鋼管保證試件處于裝置中心位置，避免偏心受拉。

試驗(yàn)采用力加載方式，每級(jí)荷載按照5%的最大荷載進(jìn)行遞增。試驗(yàn)時(shí)，鋼絞線被拉斷或者拔出即停止加載。分別測(cè)量加載端B點(diǎn)和C點(diǎn)的相對(duì)位移?？紤]AB、CD段受力較大且有一定長(zhǎng)度，因此，B、C兩點(diǎn)的實(shí)際位移可用A、D兩點(diǎn)的位移分別去除AB、CD段的變形表示。

AB段變形：

式中：F為外荷載，即拉拔力;lAB為AB段的長(zhǎng)度;ES、AS分別為鋼絞線的彈性模量和實(shí)測(cè)截面面積。

從而可以得到試件左端的實(shí)際滑移Sl。

式中：SA為A點(diǎn)的位移。

試件右端實(shí)際滑移Sr與左端滑移Sl計(jì)算方法相同。

粘結(jié)段的實(shí)際滑移量S：

平均粘結(jié)應(yīng)力τ：

式中：d為鋼絞線的公稱直徑;la為搭接長(zhǎng)度。

1.3 材料性能試驗(yàn)結(jié)果

鋼絞線：每種直徑的鋼絞線均取3個(gè)試樣，其拉伸試驗(yàn)結(jié)果取平均值，見表2;其測(cè)得的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。

ECC力學(xué)性能：ECC受壓性能由70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體試塊經(jīng)28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)測(cè)得;其拉伸性能由薄板長(zhǎng)條試件的單軸拉伸試驗(yàn)測(cè)得，試件尺寸為280 mm×40 mm×15 mm。ECC受拉應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示。其抗壓強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度及對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)率分別為32.45 MPa、2.83 MPa、2.2%。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼絞線搭接的破壞模式分為兩種：鋼絞線拔出破壞和拉斷破壞，其破壞模式如圖5所示。

鋼絞線拔出破壞（P）：A、B1、B2部分試件、C1、C2、D1、D2組試件鋼絞線被拔出。從圖6可以看出，試件加載初期，兩端位移均緩慢增加，隨著荷載增加，荷載滑移曲線逐漸呈非線性，當(dāng)接近峰值荷載時(shí)，荷載增速放緩，滑移增加較大，達(dá)到峰值荷載后，試件一側(cè)縱向鋼絞線突然被拔出約10 mm，同時(shí)，荷載降至峰值荷載的40%左右。

鋼絞線拉斷破壞（R）：B2剩余試件、B3、C3、D3組試件鋼絞線被拉斷。荷載滑移曲線如圖6所示，試件加載初期，兩端位移均緩慢增加，隨著荷載增加，荷載滑移曲線逐漸呈非線性，當(dāng)接近峰值荷載時(shí)，荷載增速放緩，滑移增加較大，達(dá)到峰值荷載前，滑移曲線非線性較為明顯。隨后，荷載達(dá)到鋼絞線的極限承載力（4.5、3.2、2.4 mm鋼絞線的極限承載力分別為14.4、7.8、4.3 kN），整根鋼絞線被拉斷。

搭接試件發(fā)生上述破壞（鋼絞線拔出、鋼絞線拉斷）時(shí)，荷載均迅速下降，破壞過程較為突然，脆性較大。此后，位移計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大偏差，因此，后續(xù)分析中僅考慮滑移曲線的上升段，不再考慮其下降段。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

表3為各試件的試驗(yàn)結(jié)果，從表中可以看出，A、B1、B2部分試件、C1、D1組試件（搭接長(zhǎng)度較?。┚鶠殇摻g線拔出破壞。B2剩余試件、B3、C3、D3組試件（搭接長(zhǎng)度較長(zhǎng)）為鋼絞線拉斷破壞。A組試件（4.5 mm、搭接長(zhǎng)度15d）峰值荷載基本接近，但A1組（無橫向鋼絞線）峰值荷載對(duì)應(yīng)的滑移量為2.99 mm;A2-A4（橫向鋼絞線間距為20、30、40 mm）對(duì)應(yīng)的滑移量分別為1.57、2.03、2.48 mm。由此可知，橫向鋼絞線的設(shè)置及間距的改變對(duì)鋼絞線網(wǎng)/ECC搭接時(shí)的峰值荷載影響不大，但隨著橫向鋼絞線間距的減小，各組試件峰值荷載對(duì)應(yīng)的滑移逐漸較小。這表明橫向鋼絞線可以有效約束縱向鋼絞線的滑移，并且隨著橫向鋼絞線間距的減小，約束效果越明顯，但未改變其脆性破壞的性質(zhì)。B1-B3試件（搭接長(zhǎng)度由20d增至32d）的峰值荷載由11.6 kN增至14.4 kN，對(duì)應(yīng)的滑移量由2.21 mm增至2.77 mm;C、D組試件類似，表明鋼絞線網(wǎng)的搭接長(zhǎng)度對(duì)搭接性能影響較大。搭接長(zhǎng)度均為20d的B1、C1、D1這3組試件（鋼絞線網(wǎng)直徑分別為4.5、3.2、2.4 mm），隨著鋼絞線直徑的增大，峰值荷載由3.84 kN增長(zhǎng)11.60 kN，而對(duì)應(yīng)的滑移量由2.38 mm降至2.21 mm，這表明鋼絞線直徑對(duì)其搭接性能影響較大。

3 搭接性能影響因素分析

3.1 橫向鋼絞線及其間距影響分析

圖7為A組試件（錨固長(zhǎng)度為15d，A1無橫向鋼絞線，A2、A3、A4間距分別為20、30、40 mm）的荷載滑移曲線。從圖7中可以看出，A組試件的峰值荷載較為接近，這表明橫向鋼絞線的引入對(duì)搭接時(shí)的粘結(jié)力及搭接時(shí)的極限粘結(jié)應(yīng)力影響不大。但達(dá)到峰值荷載時(shí)，對(duì)應(yīng)的滑移量相差較大，且同級(jí)荷載下對(duì)應(yīng)的縱向鋼絞線滑移量隨著橫向鋼絞線間距的減小而減小。

由試驗(yàn)結(jié)果繪制不同橫向鋼絞線間距（ld）與滑移量（sa）的關(guān)系曲線，如圖8所示。從圖8中可以看出，橫向鋼絞線的間距與峰值荷載對(duì)應(yīng)的滑移量呈正相關(guān);橫向鋼絞線間距越大，達(dá)到峰值荷載時(shí)的滑移量越大。這表明：對(duì)于搭接試件，橫向鋼絞線可以對(duì)縱向鋼絞線形成有效約束，從而減小其相同載荷下的滑移量;且橫向鋼絞線間距越小，約束作用越明顯。橫向鋼絞線的設(shè)置，對(duì)搭接試件的脆性破壞模式影響不大。該現(xiàn)象主要是由于搭接試件中兩根縱向鋼絞線并排放置，緊密靠攏，與粘結(jié)試件相比，鋼絞線周圍ECC的握裹作用減小，且兩縱向鋼絞線之間的ECC受到雙向擠壓，而橫向鋼絞線對(duì)其緩解作用有限。

3.2 搭接長(zhǎng)度影響分析

由試驗(yàn)結(jié)果可知，搭接長(zhǎng)度對(duì)鋼絞線搭接連接性能影響較大，不同搭接長(zhǎng)度試件的荷載滑移曲線如圖9所示。從圖9（a）中可以看出，滑移初期，4.5 mm不同搭接長(zhǎng)度的3組試件（搭接長(zhǎng)度分別為15d、20d、28d）的滑移量相差不大;從圖9（b）、（c）可以看出，3.2、2.4 mm不同搭接長(zhǎng)度的3組試件（搭接長(zhǎng)度為20d、22d和25d），隨著搭接長(zhǎng)度的增加，同級(jí)荷載對(duì)應(yīng)的滑移量減小?；坪笃?，隨著搭接長(zhǎng)度的增加，相同荷載下產(chǎn)生的滑移量減小，但達(dá)到最大荷載時(shí)，滑移量變大。表明隨著搭接長(zhǎng)度的增加，“搭接剛度”增加。

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制不同鋼絞線直徑試件相對(duì)搭接長(zhǎng)度（la相對(duì)搭接長(zhǎng)度是指鋼絞線搭接長(zhǎng)度與相應(yīng)鋼絞線直徑的比值，為充分考慮并分析“搭接長(zhǎng)度”單一因素對(duì)搭接性能的影響，采用相對(duì)搭接長(zhǎng)度。）與滑移量（sa）的關(guān)系曲線，如圖10所示。從圖中可以看出，相對(duì)搭接長(zhǎng)度與滑移量呈正相關(guān)，隨著相對(duì)搭接長(zhǎng)度的增加，達(dá)到峰值荷載時(shí)的滑移量增大，上升段的斜率也變大。

不同鋼絞線直徑試件相對(duì)搭接長(zhǎng)度（la）與極限粘結(jié)應(yīng)力（τa）的關(guān)系曲線如圖11所示。從圖中可以看出，搭接長(zhǎng)度與搭接時(shí)的極限粘結(jié)應(yīng)力呈負(fù)相關(guān);搭接長(zhǎng)度越長(zhǎng)，搭接時(shí)極限粘結(jié)應(yīng)力越低，該現(xiàn)象主要是由于在拉拔過程中沿搭接長(zhǎng)度方向的粘結(jié)應(yīng)力分布不均勻，隨著搭接長(zhǎng)度的減小，高應(yīng)力區(qū)的相對(duì)長(zhǎng)度增加，應(yīng)力較為豐滿，故其極限粘結(jié)應(yīng)力越高，且搭接長(zhǎng)度越小，其平均粘結(jié)應(yīng)力越接近真實(shí)粘結(jié)強(qiáng)度。

3.3 鋼絞線直徑影響分析

橫向鋼絞線間距和搭接長(zhǎng)度相同時(shí)，鋼絞線直徑不同的搭接試件的荷載滑移曲線如圖12所示。從圖中可以看出，隨著鋼絞線直徑的增加，相同荷載下所對(duì)應(yīng)的滑移量減小。且鋼絞線直徑越大，試件極限拉拔力越大。達(dá)到峰值荷載時(shí)，滑移量越小，荷載滑移曲線上升段的斜率越大，“搭接剛度”越大。

圖13為峰值荷載作用下，滑移量（sa）和極限粘結(jié)應(yīng)力（τa）與鋼絞線網(wǎng)直徑（d）的關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出，鋼絞線直徑與滑移量和極限粘結(jié)應(yīng)力均呈負(fù)相關(guān)。隨著鋼絞線直徑的增大，達(dá)到峰值荷載時(shí)的滑移量越小。鋼絞線直徑越大，搭接時(shí)極限粘結(jié)應(yīng)力越低，該現(xiàn)象主要是由于泊松效應(yīng)，鋼絞線在受拉過程中，鋼絞線沿徑向產(chǎn)生收縮變形降低了兩者的粘結(jié)性能，并隨著鋼絞線直徑增加，泊松效應(yīng)越明顯，鋼絞線產(chǎn)生的徑向變形越大，從而導(dǎo)致鋼絞線與ECC的粘結(jié)強(qiáng)度降低。

4 臨界搭接長(zhǎng)度的確定

由搭接試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)4.5 mm鋼絞線在搭接長(zhǎng)度為28d時(shí)，一個(gè)試件為鋼絞線拉斷破壞，兩個(gè)試件為鋼絞線滑移破壞;而搭接長(zhǎng)度為32d的試件鋼絞線全部被拉斷。由此，可以將28d作為4.5 mm鋼絞線的臨界搭接長(zhǎng)度。同理，3.2、2.4 mm鋼絞線的臨界搭接長(zhǎng)度均為25d。

在臨界錨固長(zhǎng)度計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，引入修正系數(shù)β，得到臨界搭接長(zhǎng)度的計(jì)算公式

將上述結(jié)果及相關(guān)材性數(shù)據(jù)代入式（5），進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果如圖14所示。基于試驗(yàn)結(jié)果，確定修正系數(shù)β=1.17，近似取為1.2。

5 結(jié)論

通過對(duì)4組39個(gè)高強(qiáng)不銹鋼絞線網(wǎng)/ECC試件進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，分析了橫向鋼絞線間距、鋼絞線直徑及搭接長(zhǎng)度對(duì)其搭接性能的影響規(guī)律，得出以下主要結(jié)論：

1）對(duì)于搭接試件，橫向鋼絞線的設(shè)置可以約束縱向鋼絞線的滑移;在一定范圍內(nèi)，橫向鋼絞線間距越小，達(dá)到峰值荷載時(shí)滑移量越小，但不會(huì)改變搭接破壞時(shí)的脆性特征。

2）鋼絞線網(wǎng)/ECC搭接時(shí)的極限粘結(jié)應(yīng)力與鋼絞線直徑和搭接長(zhǎng)度均成負(fù)相關(guān)。鋼絞線直徑越大及搭接長(zhǎng)度越長(zhǎng)，搭接時(shí)的極限粘結(jié)應(yīng)力越小。

3）基于試驗(yàn)結(jié)果，確定了鋼絞線網(wǎng)與ECC的臨界搭接長(zhǎng)度;并在鋼絞線網(wǎng)/ECC臨界錨固長(zhǎng)度計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，提出了引入修正系數(shù)β的搭接長(zhǎng)度計(jì)算公式。

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（編輯 王秀玲）