變幅反復(fù)荷載作用下變形鋼筋與混凝土間的黏結(jié)退化

摘要：反復(fù)荷載下鋼筋與混凝土間的黏結(jié)滑移本構(gòu)模型是震后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體性能評(píng)估及加固修復(fù)的重要依據(jù)。由于黏結(jié)應(yīng)力主要由變形鋼筋與混凝土間的機(jī)械咬合力所組成，黏結(jié)區(qū)域側(cè)向約束狀態(tài)會(huì)對(duì)其黏結(jié)性能產(chǎn)生影響。基于此，研究了在側(cè)向壓力作用下變幅反復(fù)荷載對(duì)鋼筋與混凝土黏結(jié)性能的影響，定量分析了黏結(jié)參數(shù)隨變幅反復(fù)荷載的退化規(guī)律，并利用數(shù)字圖像技術(shù)分析了鋼筋與混凝土間的黏結(jié)破壞機(jī)理。研究表明，在混凝土保護(hù)層充分約束條件下，鋼筋與混凝土間的黏結(jié)退化主要與反復(fù)荷載控制位移有關(guān)，而側(cè)向壓力對(duì)其影響可忽略。關(guān)鍵詞：側(cè)向壓力；反復(fù)荷載；黏結(jié)退化；數(shù)字圖像技術(shù)；混凝土

中圖分類號(hào)：TV131.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-9235（2024）06-0092-08

Bond Degradation between Deformed Reinforcement and Concrete underVariable Repeated Loads

CHENG Hongyuan1， MA Jinyao2， ZHENG Dan2， CHENGWEN Baihe3*， LI Xinxin2

（1. Zhejiang Branch of ZhongshuiZhujiang Planning Survey and Design Co.， Ltd.， Hangzhou 311500， China;2. School of River andOcean Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China;3. Hangzhou Highway Engineering Supervision andConsulting Co.， Ltd.， Hangzhou 310013， China）

Abstract： The bond-slip constitutive model between reinforcement and concrete under repeated loads is an important basis for the assessment of the overall performance of reinforced concrete structures and reinforcement repair after earthquakes. Since the bond stress is mainly composed of the mechanical occlusion force between deformed reinforcement and concrete， the lateral confinement state in the bond region will affect its bond performance. On this basis， this paper investigated the effect of variable repeated loads under lateral pressure on the bond performance between reinforcement and concrete， quantitatively analyzed the degradation law of bond parameters with variable repeated loads， and studied the bond damage mechanism between reinforcement and concrete by using digital image technology. It is shown that under the condition of sufficiently restrained concrete protective layer， the bond degradation between reinforcement and concrete is mainly related to the displacement controlled by repeated loads， while the effect of lateral pressure on it is negligible.

Keywords： lateral pressure; repeated loads; bond degradation; digital image technology; concret

在地震荷載的影響下，拉壓反復(fù)作用會(huì)使鋼筋與混凝土間的黏結(jié)性能逐漸退化，從而導(dǎo)致鋼筋與混凝土間的黏結(jié)應(yīng)力未達(dá)到黏結(jié)強(qiáng)度，即因鋼筋橫肋間混凝土的擠壓剪切損傷而使黏結(jié)破壞提前發(fā)生。Lutz等［1］認(rèn)為鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)應(yīng)力是由化學(xué)膠著力、滑動(dòng)摩擦力以及鋼筋與混凝土之間的機(jī)械咬合力所構(gòu)成。循環(huán)次數(shù)［2］、混凝土強(qiáng)度［3］、筋型［4］等因素對(duì)鋼筋與混凝土間的黏結(jié)退化有不同程度的影響。等幅加載時(shí)，控制位移的大小是影響?zhàn)そY(jié)退化的主要因素。當(dāng)控制位移超過損傷閾值時(shí)，黏結(jié)退化主要產(chǎn)生在第一次循環(huán)中，黏結(jié)退化程度隨著循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低。在變幅加載時(shí)，當(dāng)控制位移由大變小時(shí)，低應(yīng)力下的循環(huán)加載對(duì)高應(yīng)力下的黏結(jié)性能影響有限。但當(dāng)控制位移由大變小時(shí)，黏結(jié)性能在低應(yīng)力水平下的退化非常顯著。傅恒菁等［5］指出，由雙向擠壓導(dǎo)致的內(nèi)部裂縫呈交叉分布，使得肋間混凝土齒更易受損并被切斷。當(dāng)反復(fù)荷載下的最大滑移量達(dá)到鋼筋橫肋間距的一半時(shí)，混凝土咬合齒被剪斷，此時(shí)黏結(jié)應(yīng)力達(dá)到其殘余強(qiáng)度。而 Gyorgy［6］進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在等位移控制的加載中，黏結(jié)應(yīng)力的退化主要呈現(xiàn)為對(duì)應(yīng)控制位移下的黏結(jié)應(yīng)力減少。而在等荷載加載中，黏結(jié)力的退化主要體現(xiàn)為滑移量增長(zhǎng)。對(duì)于摩擦黏結(jié)力，等位移加載會(huì)導(dǎo)致摩擦力的逐漸減少，而在等荷載加載中，摩擦力會(huì)逐步增大，其最大值甚至可以達(dá)到單調(diào)加載下殘余強(qiáng)度的70%。此外，混凝土強(qiáng)度、箍筋約束、保護(hù)層厚度、鋼筋橫肋面積、銹蝕率、纖維種類及摻量等均會(huì)對(duì)鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)退化產(chǎn)生影響。20世紀(jì)70年代， Nilson［7］提出了與相對(duì)滑移量相關(guān)的黏結(jié)滑移本構(gòu)模型。1973年，Morita 等［8］首先提出反復(fù)循環(huán)荷載下的帶肋鋼筋與混凝土黏結(jié)滑移本構(gòu)模型。隨后，宋玉普等［9］提出了彎曲情況下月牙紋鋼筋和光圓鋼筋的黏結(jié)滑移模型。在此基礎(chǔ)上，雖然多位學(xué)者也研究提出了許多不同的黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系式與模型，但是對(duì)于變幅反復(fù)荷載對(duì)鋼筋與混凝土間黏結(jié)性能方面的研究卻不多，需要進(jìn)一步補(bǔ)充完善。

混凝土錨固區(qū)的內(nèi)應(yīng)力狀況直接影響鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能。眾多研究發(fā)現(xiàn)，隨著單向側(cè)向壓力的增加，鋼筋與混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度及其對(duì)應(yīng)的滑移量也相應(yīng)增大。當(dāng)壓力超過臨界值時(shí)，破壞模式由劈裂轉(zhuǎn)為拔出，隨后黏結(jié)強(qiáng)度則保持穩(wěn)定。Navaratnarrajah和 Walker 等［10-13］認(rèn)為混凝土保護(hù)層厚度對(duì)黏結(jié)性能的影響超過了單向側(cè)向壓力。Xu 等［14］指出，對(duì)于具有非對(duì)稱月牙形橫肋的變形鋼筋，側(cè)向壓力的影響與其方向息息相關(guān)。在雙向側(cè)壓下，壓力對(duì)黏結(jié)性能的作用會(huì)隨著保護(hù)層厚度的增加而減少。一旦保護(hù)層厚度超過了臨界值，破壞模式從劈裂轉(zhuǎn)為拔出［15-17］。當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度為鋼筋提供足夠約束時(shí)，側(cè)向壓力對(duì)黏結(jié)性能的影響逐步減弱。Campione等［18］研究表明，在反復(fù)荷載和側(cè)向壓力的共同作用下，隨著單向側(cè)向壓力的增加，最大黏結(jié)應(yīng)力及其所對(duì)應(yīng)的滑移量、摩擦阻力都會(huì)隨之增加。此外，橫向箍筋的存在會(huì)降低黏結(jié)強(qiáng)度的退化。李鑫鑫等［19-20］研究發(fā)現(xiàn)，在等幅反復(fù)荷載作用下，混凝土保護(hù)層厚度越小，側(cè)向壓力對(duì)黏結(jié)性能的影響越大。然而在混凝土保護(hù)層厚度充分約束條件下，變幅反復(fù)荷載對(duì)鋼筋與混凝土間黏結(jié)性能的研究還不夠完善。

基于此，本文開展了鋼筋與混凝土在變幅反復(fù)荷載下的黏結(jié)性試驗(yàn)。探究了在混凝土保護(hù)層厚度充分約束（即相對(duì)保護(hù)層厚度大于4.5）和側(cè)向壓力條件下，變幅反復(fù)荷載對(duì)鋼筋與混凝土間黏結(jié)參數(shù)及滑移曲線的影響規(guī)律。通過數(shù)字圖像技術(shù)，分析了在不同加載階段，變形鋼筋與混凝土間的應(yīng)力分布和裂縫擴(kuò)展模式，并深入討論了其黏結(jié)退化機(jī)理。

1中心拉拔試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)材料及試件制作

圖1所示，變形鋼筋采用特制夾具固定于鋼模內(nèi)，鋼模內(nèi)邊長(zhǎng)為150 mm，鋼筋表面幾何參數(shù)及力學(xué)參數(shù)見表1。由于鋼筋有效黏結(jié)長(zhǎng)度為5倍鋼筋直徑，因此在混凝土澆筑前，在鋼筋兩末端為黏結(jié)區(qū)域纏繞5 mm 厚軟膠帶以防止多余約束。采用PO42.5普通硅酸鹽水泥、石灰?guī)r和天然河砂澆筑混凝土，其配合比及力學(xué)參數(shù)見表2。在澆筑24 h 之后，所有試件拆模并按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。為了研究在變幅反復(fù)荷載下鋼筋與混凝土間的黏結(jié)破壞機(jī)理，本文通過對(duì)拉拔試件預(yù)制窗口并結(jié)合數(shù)字圖像技術(shù)（DIC）對(duì)鋼筋與混凝土界面的黏結(jié)破壞過程進(jìn)行研究。雖然預(yù)制窗口會(huì)改變界面的應(yīng)力分布，但Leibovich 等［21］研究表明，當(dāng)窗口尺寸小于試件尺寸的1/5時(shí)，預(yù)制窗口對(duì)宏觀拉拔曲線的影響可忽略?；诖?，本文采用圖2所示的木塊預(yù)制觀察窗。澆筑時(shí)木塊垂直于鋼筋放置并固定，待混凝土初凝時(shí)拔出木塊，從而形成觀察窗口，試驗(yàn)前對(duì)“窗口”底部用打磨機(jī)打磨平整，并噴涂黑色散斑。

1.2試驗(yàn)裝置與加載機(jī)制

圖3所示，帶窗試件試驗(yàn)在改進(jìn)后的萬能壓力機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)反力架由4根高強(qiáng)鋼筋連接的3塊板組成。試驗(yàn)時(shí)將帶窗試件固定在鋼架上并以0.01 mm/s 的速度對(duì)變形鋼筋進(jìn)行變幅循環(huán)加載試驗(yàn)。為了更好地觀察鋼筋-混凝土黏結(jié)段的變化規(guī)律，本文采用 DIC來記錄加載階段的全場(chǎng)應(yīng)變以及裂縫擴(kuò)展。將分辨率為2048×2048的 CCD 相機(jī)固定在離試件1 m 遠(yuǎn)的三腳架上，用于記錄加載過程中的表面應(yīng)變情況。對(duì)于帶窗試件，加載過程和CCD 相機(jī)采集同時(shí)開始，直至加載完成，CCD 相機(jī)的采集頻率為每秒一張。對(duì)于無窗口的試件，在改進(jìn)的三軸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，用2個(gè) LVDTs記錄自由端鋼筋處的位移，用荷載傳感器監(jiān)測(cè)單調(diào)和反復(fù)荷載。側(cè)向壓力對(duì)變幅反復(fù)荷載下的黏結(jié)試驗(yàn)在改進(jìn)后的三軸試驗(yàn)機(jī)上完成，具體試驗(yàn)過程參考文獻(xiàn)［22］。

1.3試驗(yàn)方案

圖4所示，在試件周圍施加水平側(cè)向壓力 P，水平側(cè)向壓力 P 為0～0.5fcu ，其中fcu為混凝土單軸抗壓強(qiáng)度。變幅循環(huán)荷載試驗(yàn)主要采用±0.2、±0.4、±1.0、±2.5、±4.5 mm 5種幅度控制。本試驗(yàn)主要研究變幅循環(huán)荷載下鋼筋混凝土黏結(jié)性能的變化規(guī)律，試驗(yàn)具體方案見表3。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1黏結(jié)滑移曲線

多位學(xué)者經(jīng)研究提出了不同的黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式與模型［23-30］。基于諸多試驗(yàn)研究結(jié)論，本文進(jìn)行了多組試驗(yàn)后得出圖5，其為 D12試件在不同側(cè)壓下和變幅循環(huán)荷載下的黏結(jié)滑移曲線。為了研究反復(fù)荷載對(duì)單調(diào)曲線上升段鋼筋混凝土的黏結(jié)性能的影響，將試驗(yàn)控制位移分別取±0.2、±0.4、±1.0 mm。而對(duì)于單調(diào)曲線下降段和殘余段，控制位移則取±2.5和±4.5 mm［31-32］。當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到5次后，反復(fù)荷載的黏結(jié)退化趨于穩(wěn)定［33］。因此，變幅荷載控制位移為±0.2、±0.4、±1.0、±2.5、±4.5 mm，循環(huán)次數(shù)為5次，側(cè)向壓力為0.0fcu、0.1fcu、0.3fcu、0.5fcu 。由圖可知，不同側(cè)向壓力下試件的黏結(jié)滑移曲線整體相似，因此，可簡(jiǎn)化為圖6。對(duì)試件進(jìn)行加載時(shí)，變形鋼筋的試驗(yàn)曲線有正向上升段（oab段）、正卸載下降段（bcd段）、反向水平摩擦段（de段）、反向上升段（efg段）、反向卸載上升段（gh段）、正向水平卸載段（hi 段）。當(dāng)反復(fù)荷載循環(huán)到一定次數(shù)時(shí)，鋼筋從混凝土試件中拔出，形成殘余段（pq段）。

2.2控制位移對(duì)應(yīng)黏結(jié)應(yīng)力的退化

圖7為不同控制位移下 b 點(diǎn)的剪切應(yīng)變?cè)茍D。由圖可知，當(dāng)控制位移達(dá)到0.2 mm 時(shí)，應(yīng)變沿鋼筋兩側(cè)均勻分布，沒有出現(xiàn)宏觀裂縫，說明在此控制位移下，鋼筋與混凝土界面并未發(fā)生明顯破壞。當(dāng)控制位移達(dá)到0.4 mm 時(shí)，云圖出現(xiàn)了一定程度的缺失，這表明在鋼筋周圍發(fā)生了一定的應(yīng)力集中。在變形鋼筋月牙肋的擠壓剪切作用下，鋼筋周圍的混凝土產(chǎn)生損傷，鋼筋剪切應(yīng)變明顯大于前一循環(huán)。當(dāng)控制位移大于1 mm 時(shí)，界面破損嚴(yán)重，裂縫迅速發(fā)展，最終發(fā)生拔出破壞。

在變幅循環(huán)加載端加載的初始周期中，在拉拔力的作用下，黏結(jié)滑移曲線形成正向上升oab段?？梢钥闯?D12試件在變幅循環(huán)荷載作用下，黏結(jié)應(yīng)力在第一次循環(huán)控制位移為±0.5 mm 時(shí)迅速退化，在鋼筋肋橫肋前端并未產(chǎn)生明顯的斜裂縫。而隨著荷載的增加，在鋼筋與混凝土的黏結(jié)界面處產(chǎn)生貫穿的豎向裂縫。荷載循環(huán)次數(shù)與控制位移增大，裂縫寬度也隨之增大，同時(shí)鋼筋周圍的混凝土比其他區(qū)域的混凝土受到的應(yīng)變要大。當(dāng)進(jìn)行第二次循環(huán)時(shí)，鋼筋周圍的混凝土與鋼筋產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。

為了更好地研究不同控制位移下鋼筋與混凝土黏結(jié)應(yīng)力的退化，引入 du =τs（+）1/τms來表征變幅循環(huán)荷載下的黏結(jié)應(yīng)力退化程度。圖8所示，當(dāng)滑移量增加至第一個(gè)循環(huán)卸載點(diǎn)（b 點(diǎn)）時(shí)，得到控制位移對(duì)應(yīng)下的黏結(jié)應(yīng)力τs（+）1，τms為單調(diào)荷載下控制位移所對(duì)應(yīng)的黏結(jié)力。du 與控制位移的關(guān)系見圖8，由圖可見，隨著控制位移的增大，不同側(cè)壓下的 du 呈線性降低，不同側(cè)向壓力下 du 值相差不大。

為了便于觀察鋼筋周圍裂縫的發(fā)展規(guī)律，在試件上取2條平行且相隔5 mm 的豎線，得到其橫向位移并作差，即可得到裂縫寬度，見圖9a。以控制位移為0.2 mm 為例來探討裂縫寬度的變化規(guī)律。圖9b展示了控制位移為0.2 mm 的6個(gè)特征點(diǎn)的裂縫寬度，由圖可知，在正向上升段（ab 段），鋼筋與混凝土黏結(jié)處的裂縫寬度并沒有較大差異。隨著荷載應(yīng)力水平增加，鋼筋橫肋下方的混凝土受到擠壓破壞，使得肋下混凝土區(qū)域裂縫迅速發(fā)展。當(dāng)達(dá)到 b 點(diǎn)時(shí)，鋼筋肋下混凝土區(qū)域已經(jīng)受到剪切破壞。在荷載卸載段（bd 段），裂縫寬度持續(xù)增加。在反向水平摩擦段（de 段），鋼筋與混凝土不再擠壓而發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，從而導(dǎo)致裂縫寬度減小。當(dāng)滑移量接近0時(shí)，進(jìn)入反向上升段（eg段），在此期間鋼筋與混凝土擠壓產(chǎn)生新裂縫，舊裂縫閉合。隨后再次卸載，反向卸載上升段（gh段）期間裂縫持續(xù)增加。進(jìn)入正向水平卸載段（hi 段）后，新裂縫閉合而舊裂縫擴(kuò)張。

2.3摩擦阻力對(duì)應(yīng)的黏結(jié)力退化

圖10表示各控制位移下 d 點(diǎn)的剪切應(yīng)變?cè)茍D，由圖可見，隨著控制位移的增大，鋼筋周圍剪切應(yīng)變與裂縫逐漸增大，為了方便研究，引入df =τf1（-）/τfn來表征鋼筋與混凝土間摩擦力的變化［16］。其中τfn為單調(diào)荷載下控制位移所對(duì)應(yīng)的黏結(jié)力。τf1（-）為卸載至d 點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的黏結(jié)應(yīng)力。圖11可知，df隨著控制位移的增大而先增大后減小，且無側(cè)壓情況下的df與有側(cè)壓情況的df差別不大，則可認(rèn)為側(cè)壓對(duì)于鋼筋與混凝土間摩擦阻力的影響很小。由圖12還可以看出，隨著控制位移的增大，鋼筋周圍的混凝土基體在循環(huán)荷載下受到剪切破壞，致使圖11中|τfn（+）/τfn（-）|的值小于1，其平均值為0.8077。

3結(jié)論

本文研究了單軸側(cè)向壓力作用下變幅反復(fù)荷載對(duì)變形鋼筋和混凝土之間的黏結(jié)性能的影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到結(jié)論如下。

a）在變幅循環(huán)荷載作用下，隨著控制位移的增大，鋼筋與混凝土黏結(jié)應(yīng)力的退化逐漸減小，控制位移從±0.2到±4.5 mm，退化程度由0.90降低到0.33，退化率為63.29%。鋼筋與混凝土摩擦力先增大后減小，側(cè)向壓力對(duì)其影響可忽略。

b）在循環(huán)荷載中，當(dāng)控制位移達(dá)到極限黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)滑移量后，黏結(jié)強(qiáng)度顯著降低。

c）在正向加載過程中，裂縫寬度隨著拉拔荷載持續(xù)增加。當(dāng)進(jìn)入反向上升段后，鋼筋與混凝土因擠壓而產(chǎn)生新裂縫。當(dāng)再次正向加載且控制位移超過峰值黏結(jié)應(yīng)力對(duì)應(yīng)滑移量時(shí)，黏結(jié)應(yīng)力顯著退化。

d）當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度相對(duì)約束且試件發(fā)生拔出破壞時(shí)，側(cè)向壓力對(duì)鋼筋與混凝土間黏結(jié)性能的影響較小。因此，可采用無側(cè)向壓力條件下的黏結(jié)滑移本構(gòu)模型描述在不同側(cè)向壓力影響下結(jié)構(gòu)的滯回響應(yīng)。

因此，在變幅反復(fù)荷載作用下，隨著控制位移的增大變形鋼筋與混凝土間的黏結(jié)退化減小，而當(dāng)控制位移達(dá)到極限黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)滑移量后，黏結(jié)應(yīng)力顯著退化，側(cè)向壓力對(duì)其影響可忽略。

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（責(zé)任編輯：高天揚(yáng)）