钢筋与混凝土动态粘结性能试验方案研究★

陈凤山 　 孟庆腾 　 李 敏* 　 詹 坤

(大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连　116023)



钢筋与混凝土动态粘结性能试验方案研究★

陈凤山 孟庆腾 李 敏* 詹 坤

(大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连116023)

分析了影响钢筋混凝土粘结性能的各项因素，从混凝土强度等级、钢筋直径、粘结长度及加载速率等方面，对其主要影响因素进行了正交试验设计，通过粘结基本试验参数的测量，得到了较理想的试验数据，为混凝土结构的抗震设计提供了理论依据。

钢筋，混凝土，粘结性能，正交试验

0　引言

我国受地震影响较为严重，近年来，随着地震的频繁发生，造成了严重的经济损失和人员伤亡。研究建筑物在地震动荷载作用下结构的破坏，并提高抵御灾害的能力，是目前亟需解决的问题。

钢筋与混凝土的粘结是钢筋与混凝土之间一种复杂的相互作用，通过它来传递二者之间的应力，协调变形[1]。粘结应力是指沿钢筋与混凝土接触面上的剪应力。钢筋与混凝土之间良好的粘结滑移性能是两种材料协同工作的基础[2]。粘结作用的主要影响因素:钢筋类型(光圆和螺纹)、钢筋直径、混凝土强度、加载方式(单调和循环)、加载速率、粘结长度，本文主要完成对动态粘结性能试验的研究设计。

1　影响粘结性能的因素

钢筋混凝土间的粘结性能受诸多因素影响，主要因素包括：混凝土强度等级、钢筋类型和钢筋受力方向、钢筋直径、锚固长度，在动荷载下还与加载方式和加载速率有关[5]。

1.1混凝土强度的影响

无论普通混凝土还是高强混凝土，伴随着强度等级的增加，钢筋与混凝土之间的机械咬合力和化学粘着力会随之增加，进而粘结强度亦提高。此外，一些研究显示，钢筋与混凝土间的粘结会受到水泥的用量、水灰比的影响。

1.2钢筋受力方向

在模板下浇筑后，混凝土有下沉和泌水现象，平行浇筑并通过振动台振动后，钢筋下方的混凝土会有粗骨料下沉的现象，使之与钢筋接触不够紧密，进而粘结强度降低。

1.3钢筋的直径和类型

钢筋的粘结性能与钢筋截面周界长度成正比关系，与粘结力相对的拉拔力及截面面积成反比。就带肋和光圆钢筋而言，在肋的影响下，带肋钢筋的粘结强度远远大于光圆钢筋。

1.4加载速率的影响

不同的加载速率会影响钢筋的粘结应力。依据GB 50152—92混凝土结构试验方法标准，标准立方体中心拔出试验加载速率按式(1)计算：

VF=0.03d2

(1)

其中，VF为加载速度，kN/min;d为钢筋直径，mm。

2　试验方案设计

2.1试验方法

钢筋混凝土试件中钢筋粘结处受力复杂，很难精准模拟。目前通用且较为成熟的方法主要有以下三种：即拔出试验、梁式试验和轴拉试验[3]。本次试验需要通过大量对比试验，正确的试验操作，进而得到较理想的实验数据。通过三种试验方法的比较，以及项目的实际情况，本项目选用最常用的拉拔试验，钢筋内贴应变片量测钢筋应变分布，使用位移计测量加载端与自由端位移。

2.2加载设备

试验所采用的加载设备是大型静、动三轴电液伺服试验机(如图1所示)。该设备可以提供的最大拉力为100 t，最大压力为250 t，空载时最大加载速率为56 mm/s，竖直方向加载头的行程范围是±100 mm ，控制方式分别为力控制和位移控制，可以完成三角波、正弦波、方波和梯形波等多种波形的加载。

2.3试验材料

1)混凝土原材料及配合比。本文所采用的普通混凝土与高强混凝土等级分别为C30和C60，所用混凝土配合比如表1所示，水泥采用大连小野田水泥厂生产普通硅酸盐水泥42.5；细骨料为天然河砂，砂子细度模数为2.9；粗骨料为连续级配的碎石，石子粒径为5 mm～25 mm；搅拌用水为普通自来水，减水剂采用Sika Viscocrete 3000高效减水剂。

表1　混凝土配合比　kg/m3

2)钢筋。试验钢筋采用的是Ⅰ，Ⅲ级钢筋，其中Ⅰ级光圆钢筋直径为20 mm；Ⅲ 级螺纹钢筋直径分别为16 mm和20 mm两种。

2.4试件设计

考虑到试验设备及拉拔试验常规试件尺寸，试件基本尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体(如图2所示)，试件全部采用钢模分批浇筑成型。试验过程中钢筋的加载端易受到局部挤压，会造成试验结果的失真，通过PVC管即可消除局部影响，也可控制粘结锚固的长度。

试件制作采用钢模，并在钢筋伸出侧开孔，孔径为25 mm，在振动台上振动成型，24 h后拆模，在养护室标准养护28 d。

2.5粘结试验正交设计

基于影响钢筋与混凝土粘结的主要因素，即混凝土与钢筋强度等级、钢筋直径、粘结锚固长度、加载方式、加载速率，进行正交试验设计，见表2。拉拔位移为10 mm。

表2　试验因素与水平

表3给出了试验方案一的试验设计，共7组试件，每组试件为6个，混凝土强度等级为C30，6个试件采用两种不同的加载速率。该组试验的目的，研究钢筋类型(光圆和螺纹)、加载方式(单调和循环)、粘结长度、钢筋直径、加载速率的不同相比较。

表3　试验内容一

表4给出了试验内容二，共7组试件，每组试件为6个，且采用两种不同的加载速率，混凝土强度为C60。该组试验的目的，除了研究钢筋类型(光圆和螺纹)、加载方式(单调和循环)、粘结长度、钢筋直径、加载速率的影响外，还与试验内容一的试验数据进行比较，以研究混凝土强度等级变化带来的影响。

表5给出了试验内容三，共6组试件。通过钢筋内贴应变片，测量钢筋的应变，以比较粘结应力的变化。

表4　试验内容二

表5　试验内容三

2.6粘结基本试验参数的测量

1)加载端和自由端滑移。在试件上下两端分别放置位移计，用来测量加载端和自由端钢筋滑移的位移。在钢筋与混凝土粘结力的影响下，加载端的滑移超前于自由端。试验通过记录两者的滑移，进而选取平均值。

2)加载端拉拔力F。拉拔力F通过加载头作用在钢筋上，它与沿钢筋锚固长度上分布的粘结力的合力形成一对平衡力。在试验加载过程中，平均粘结力表示为：

(2)

其中，τ为平均粘结力；la为钢筋在混凝土中的有效粘结长度；d为钢筋的直径。

3)钢筋应变测量。钢筋的应变通过在钢筋内部埋设应变片的方法来量测[4]。钢筋粘结锚固长度上的滑移，是通过该位置混凝土与钢筋之间的位移差得到的。试验中通过内贴应变片的方法获得各测点的钢筋应变εsi，则钢筋微段的伸长为Δl=εsil(l为应变片之间间距取20 cm)。

为了测量钢筋的局部应变，本试验采用钢筋内贴应变片的方法(见图3)。沿钢筋轴向中间劈开，并在内测开槽，结合应变片的尺寸大小，槽的尺寸设计为6 mm×2 mm(合并后为6 mm×4 mm)。

凹槽内测需贴应变片，先定好应变片的位置，同一根钢筋相隔40 mm，两根钢筋交叉分布，合并后每相邻应变片距离是20 mm。焊接时采用细导线，以便从内部引出，导线引出后在末端编号(如图4所示)，方便数据采集。防止槽内进水导电，将环氧树脂灌满凹槽密封，并将钢筋对齐粘结起来，用螺母箍紧，24 h后方可拆开浇筑。

3　试验展望

通过以上论述，总结出以下观点:1)动态粘结试验方案的研究，为相关的粘结滑移试验提供了设计思路和设计方法，同时也为数据采集提供了参考。2)基于混凝土强度等级(C30/C60)、钢筋类型(HPB300/HRB335)、钢筋直径(16 mm/20 mm)、粘结锚固长度(4d/5d)、加载作用方式(单调/循环)、加载速率(0.05 mm/s/30 mm/s)等主要因素进行了试验设计，以便对混凝土结构抗震设计提供一定试验依据。

[1]王传志，滕志明.钢筋混凝土结构理论[M].北京:中国建筑工业出版社，1985:254-255.

[2]顾祥林.混凝土结构基本原理[M].上海：同济大学出版社，2004：2.

[3]杜锋，肖建庄，高向玲.钢筋与混凝土间粘结试验方法研究[J].结构工程师，2006，22(2):93-98.

[4]徐有邻.变形钢筋—混凝土粘结锚固性能的试验研究[D].北京：清华大学博士学位论文,1990.

[5]尹剑.论钢筋混凝土的粘结滑移性能[J].湖南农机,2007(7):168-169.

Study on dynamic adhesive property testing scheme of steel and concrete★

Chen FengshanMeng QingtengLi Min*Zhan Kun

(CollegeofOcean&CivilEngineering,DalianUniversityofOcean,Dalian116023,China)

The thesis analyzes factors influencing adhesive property of steel reinforced concrete, carries out orthogonal experiment design for major influencing factors from aspects of concrete strength degree, steel diameter, adhesive length and loading rate, and obtains ideal experimental data through basis adhesive testing parameters measurement, which has provided theoretical basis for seismic design of concrete structure.

steel, concrete, adhesive property, orthogonal experiment

1009-6825(2016)08-0135-03

2016-01-04★:本文系国家青年科学基金项目“钢筋与混凝土动态粘结性能研究”(项目编号：51308085)资助

陈凤山(1968- )，男，副教授；孟庆腾(1989- )，男，在读硕士；詹坤(1992- )，男，在读硕士

李敏(1981- )，女，博士，讲师

TU528.571

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