动荷载作用下钢筋与混凝土粘结锚固试验研究

1、.动荷载作用下钢筋与混凝土粘结锚固试验研究2OO2年第6期l2月混凝土与水泥制品CHACONCRETEANDCEMENTPRODU(IS20o2No6December动荷载作用下钢筋与混凝土粘结锚固试验研究郑晓燕吴胜兴刘龙强(河海大学,南京210098)摘要:基于l3个试件的动态拉拔试验结果,对粗钢筋在混凝土中的粘结锚固问题进行了研究.通过对试验结果的分析,总结出了可供工程实际采用的结论.关键词:粘结锚固;动荷载;拉拔试验;钢筋混凝土中圈分类号:TU528文献标识码:A文章编号:10004637(2002)0627040前言钢筋与混凝土之间的粘结是这两种性能不同的材料共同受力,协同工作的基础.

2、随着试验测试技术的进步和计算机的广泛应用,从上世纪七,八十年代开始,粘结锚固的研究迅速发展.它是现代钢筋混凝土结构理论中较为活跃的研究课题之一【】.近年来,钢筋强度不断提高,外形种类渐多,锚固问题越显突出I21.国内外学者就此开展了大量的试验研究,并取得了丰硕的研究成果".但这些研究仅限于静载作用下.震害调查显示,地震时由于锚固失效引起的倒塌事故多有发生.本课题以小湾拱坝的横缝抗震钢筋为背景,研究动荷载下埋置在大体积混凝土中的大直径钢筋与混凝土的粘结问题,对建筑物的抗震设计有着重要意义.1试验设计试验分四批进行,共13个试件.采用具有100吨加载能力的动力液压伺服系统进行加载,并通过

3、计算机自动控制加载过程和数据采集.加载控制流程如图1控制器H比例压力控制阀卜._一+L压力传感器II_一图1加载控制流程图1.1试件简介第一批试验只浇注一个试件,试件详见图2,目的是检验试验方案的可行性和合理性.该试件受力钢筋采用硬钢,直径32ram,混凝土设计强度等级为C40.第二,三,四批试验每批均为4个试件,在第一批的基础上对底部尺寸作了修改.后3批试验12个试件受力钢筋采用了软钢,直径仍为32ram(有针对性地采用了攀枝花钢厂的月牙纹钢筋),第二,三批试件混凝土设计强度等级为C35.第四批试件采用了低强度混凝土,设计强度等级为C10.四批试件所用材料实测值见表1.哥L._.J'

4、J.一60011【800_一l130c广22图2第一批试件详图表1四批试件所用材料实测值200200图3给出的是第四批试件详图.第二,三批试件形状尺寸与第四批相同,只是在无粘结段设置(塑料套管),锚固参数,加载与测量方案以及所用混凝土等级上有差别.表2为四批试件的试验方案比较.表2四批试件试验方案比较27r.,_T_T郑晓燕吴胜兴刘龙强动荷载作用下钢筋与混凝土粘结锚固试验研究10,13,16,18)四个位置处的应变时程图,这里只给出了一幅图,即第二批4个试件在锚深500mm处混凝土外表面应变时程见图8.从图8不难看出,各试件在整个加载过程中,混凝土外表面一直在线形变化范围内,最大拉应变约在50

5、×10以内,不超过本批试件混凝土的极限拉应变(2.77/25519:109×10).2一杈06ol2ol踟24030o36042o48o荷载/kN图8锚深为50(nm处混凝土外表面应变时程试验还记录了加载时荷载与油缸位移的关系曲线,图9为试件一4荷载与油缸位移关系图.该曲线可明显分成三段,第一段曲率较小,这部分位移除钢筋变形和滑移外,主要有连接部分的初始缝隙压缩和钢筋伸直等原因造成的油缸初始位移;第二段曲率很大,表明荷载增加,而油缸位移增量很小,这部分位移主要有钢筋变形和滑移所造成;当荷载达到400kN左右时,出现了明显的转折点,曲线进入第三段,油缸位移又有增加,这主要是由

6、于钢筋屈服伸长造成.据此可大致确定钢筋和混凝土之间的相对滑移量.6()o50oz400300耀200looO0501001502o0油缸位移/mm图9试件II一4荷载一油缸位移关系图第三批试件所测的内容与前面两批试件相同部分就不再赘述,下面就增测内容及结果作简单介绍.国内有研究者将钢筋剖开,用内贴应变片的方法量测了静载作用下016钢筋沿锚长的应变分布1,本研究在此基础上对试验进行了改进,用以探讨动荷载作用下粘结应力沿锚长的分布.将钢筋剖开并开槽,沿1500mm的锚固长度,共布置了40个应变片.应变片的布置由密变疏,起始段(0500mm)应变片间距20mm(两半合成后间距,下同),中间段(500

7、mm1000mm)应变片间距50mm,锚固末段(1000mm1500mm)应变片间距100mm.通过钢筋内贴应变片测出钢筋应变值e,根据实测应变,可以得到钢筋应力o.图10就是由此得到的试件一3在荷载为242.94kN下受力钢筋轴拉应力分布图.纵观钢筋轴拉应力分布图,钢筋应力变化主要集中在锚固起始端约600mm范围内,600mm以外,钢筋应力很小.并且在300mm以前曲线很陡,说明钢筋应力变化率很大,之后逐渐变缓,至600mm锚深以外趋向于0.正是由于钢筋和混凝土之间的粘结力的存在导致了钢筋应力的变化,由此可定性的分析出粘结应力的分布.苫050ol0()0锚深/rmn图lO试件一3在242.9

8、4kN下受力钢筋轴拉应力分布图为了确定钢筋与混凝土之间粘结应力r的数值,可取锚固长度内一钢筋微段研究其受力情况,由平衡条件导出r的计算公式:d也式中,e表示钢筋微段两端的应变差值,Z代表钢筋微段长度,d为钢筋直径,E是钢筋的弹性模量.各步荷载作用下40个测点的应变测出后,取相邻两测点的距离作为一个微段,依次算出各微段两端的应变差,从而得到各步荷载作用下的粘结应力分布.图ll为由(1)式算出的试件一2在各步荷载作用下粘结应力分布图.从试验结果间接得到的粘结应力分布图可以看出,动荷载作用下粗钢筋与混凝土之间粘结应力主要分布在加载端约600ram范围内,600mm以外粘结应力分布曲线渐缓,数值越来越

9、小,接近锚深o200400600800lo0ol2o0锚深/mm+89._E卜l09.43kN+132.0:-一l52.78ll72.83kN+l89.18l+_-211.2【】l【N一240.8&N一258.9lkN+277.78l+306.2lkN图11试件一2在各步荷载作用下粘结应力分布图29伽姗猢瑚瑚0OOOOOOOOOO,卯如加m0987654320案R好巢2002年第6期混凝土与水泥制品总第128期1000mm处,粘结应力减少为0,从锚固角度讲,此后的钢筋已不起作用.粘结应力分布图可作为确定动载作用下月牙纹粗钢筋锚固长度的依据.文献研究了静载作用下月牙纹钢筋的粘结锚

10、固性能,指出由于月牙纹钢筋的轴对称性,其与混凝土之间的劈裂是沿钢筋的纵肋发生的;动载作用下是否也有此规律?本研究通过量测昆凝土柱顶不同位置的环向应变(在柱顶布置了6个应变片,如图6所示),判断月牙纹钢筋的劈裂形态.试验结果如图12所示,布置在纵肋位置的环向应变片03,其应变远大于其它几个应变片的值(由于通道故障未能记录下环向应变片01和06的应变).可见,动载作用下,劈裂也将沿纵肋方向发生.2500225O200ol75O0l50o委500250OO5ol00l5o20025030035040O荷载/kN图l2试件Ill一4环向应变时程图第四批试验同样得到了各级荷载下混凝土外表面应变分布,应变

11、时程,钢筋应力沿锚深的分布及粘结应力沿锚长的分布等试验结果.由于第四批试件采用了低强度混凝土,所得结果与前几批有相近的规律,但数值上有不小的差别.例如测量的混凝土外表面应变分布(如图13)与前几批(如图7所示)相比曲线平缓,最大值后移,在靠近锚固段末端处应变数值也较大.说明采用低强度混凝土,钢筋和混凝土之间的粘结强度随之降低,在锚固起始段粘结应力较前几批试件小,因此对应锚深较浅处的混凝土外表面应变增加缓慢,应变最大值也向后移.同时低强度混凝土:制哄75.ll6.5l【N152.35l【N194.圳237.02kN286.93kN329.20kN370.60kN20040O6oo80ol00ol

12、200对应锚深/nun图l3试件一3在各级荷载下混凝土外表面应变分布30较早开裂也使得钢筋周围混凝土损伤扩展范围较大,所以锚深较深处的混凝土外表面应变较前几批大,最大拉应变接近70×10一,已超过该批试件混凝土的极限拉应变(1.313/21079=62×10).3结论3.1整个加载过程中,混凝土外表面的应变基本处于线性变化,最大拉应变一般不超过极限拉应变(图8).但第四批试件除外,由于混凝土强度太低,试件一1和一4在锚深1000mm处混凝土外表面上出现了裂缝.3.2在端部保留一定长度"无粘结段"至关重要.试验结果比较发现,对未设置无粘结段的试件(第三批)

13、,荷载尚不大,初始粘结段内的混凝土内部损伤便已显着扩展,沿径向内部开裂深度很快达到150ram;而设置"无粘结段"的试件在整个截面被拉断之前,内部损伤范围一般不超过70mm.3.3动荷载作用下,粗钢筋在大体积混凝土中的锚固长度取35d(d为被锚固钢筋直径)为宜.从三,四两批共8个试件的试验结果可以看出,无论混凝土强度等级如何,粘结应力均分布在锚固段1000mm(相当于31d)长度范围内,超过1000mm的部分,测出的钢筋和混凝土之间粘结应力为0,从理论上说,这部分钢筋不起作用.所以锚固长度取35d是偏安全的.3.4混凝土强度等级不宜太低.混凝土抗拉强度对粘结滑移性能有较大影响.第四批试件,由于混凝土抗拉强度太低,粘结应力沿锚深分布曲线峰值位置向深处移动且最大值减小.钢筋屈服前,有试件发生了截面拉裂破坏.为确保混凝土全截面拉裂破坏不会先于钢筋屈服前发生,建议混凝土强度等级不宜低于C20.参考文献1王传志,滕智明.钢筋混凝土结构理论.北京:中国工业建筑出版社.19852宋玉普,赵国藩.钢筋与混凝土之间粘结滑移性能研究.大连工学院,1987.23徐有邻等.螺旋肋钢丝粘结锚固性能的试验研究.混凝土与水泥制品,1998年第4期4S