罕遇地震下高强钢筋混凝土结构粘结性能分析

祖琨奥

摘 要：随着人类对地震危害性的认识加深，建筑在设计时会根据多方面分析进行抗震等级设计。尤其是地震频发区，抗震等级将会更高，其中需要使用到的钢筋混凝土强度将会更加优异。在考虑钢筋混凝土强度的同时，其中结构粘结性能也不能忽视，如若粘结性能较差，即使具备很好的强度，当受到地震荷载的影响之后，钢筋混凝土一样容易出现破坏。所以文章以3种不同类型高强钢筋混凝土结构作为实验对象，分析其中的粘结性能。这3种高强钢筋混凝土分别为光圆钢筋混凝土、异形钢筋混凝土和螺旋肋钢筋混凝土。通过实验研究的方式能够定量分析这3种钢筋混凝土结构的粘结性能。实验结果表明，在相同条件之下，螺旋肋钢筋混凝土的粘结性能优于异形钢筋混凝土优于光圆钢筋混凝土，所以在罕遇地震下使用高强螺旋肋钢筋混凝土将会具有更好的抗震效果。

关键词：地震;高强钢筋混凝土;粘结性能

中图分类号：TU375; TU352.11           文献标识码：A                 文章编号：1001-5922（2021）04-0102-04

Abstract：With the deepening of human understanding of the hazards of earthquakes， buildings will be designed for earthquake resistance based on multi-faceted analysis. Especially in earthquake-prone areas， the earthquake resistance level will be higher， and the strength of reinforced concrete that needs to be used will be even better. While considering the strength of reinforced concrete， the structural bonding performance cannot be ignored. If the bonding performance is poor， even with good strength， reinforced concrete is equally prone to damage after being affected by earthquake loads. Therefore， the paper takes three different types of high-strength reinforced concrete structures as experimental objects to analyze the bonding properties among them. The three types of high-strength reinforced concrete are round reinforced concrete， special-shaped reinforced concrete and spiral ribbed reinforced concrete. Through experimental research， the bonding performance of these three reinforced concrete structures can be quantitatively analyzed. The experimental results show that under the same conditions， the bonding performance of spiral ribbed reinforced concrete is better than that of special-shaped reinforced concrete than plain reinforced concrete. Therefore， the use of high-strength spiral ribbed reinforced concrete under rare earthquakes will have better seismic effects .

Key words：earthquake; high-strength reinforced concrete; bond performance

鋼筋混凝土结构建成之后，会受到各种因素的影响，使得钢筋混凝土之间的粘结性能降低，尤其是遇到罕见地震之后，性能比较弱的钢筋混凝土建筑将会直接被催倒，导致严重的人员伤亡和经济损失，所以后来我国提出了建筑的抗震要求，所使用的钢筋混凝土结构要能够满足当地的抗震指数[1-2]。对于某些地震频发的地域，需要使用到高强度的钢筋混凝土结构才可能避免出现粘结疲劳破坏[3]。为了减轻地震对建筑结构的影响，文章将分析高强钢筋混凝土结构的粘结性能，因为粘结性能直接影响着钢筋混凝土的强度、承载力等。为了模拟地震对钢筋混凝土的影响，文章将使用不同的荷载代替地震。然后分析了3种不同钢筋混凝土在荷载的作用下粘结性能的变化情况。目的在于提高高强钢筋混凝土结构粘结性能，从而增强建筑抵抗罕见地震的能力。

1 实验过程

1.1 实验材料和仪器

实验分析了3种不同的钢筋，分别为光圆钢筋、异形钢筋和螺旋肋钢筋，这3种属于一种新型高强预应力钢筋，具有优异的性能，能够和混凝土组合成抗震性能较好的高强钢筋混凝土。因此实验所需要的主要材料有直径相同的光圆钢筋、异形钢筋和螺旋肋钢筋，硅酸盐水泥、碎石、中砂等。对3种钢筋的抗拉强度和伸长率进行测量之后得到如表1所示的结果，然后所制得的混凝土泊松比为0.18，其弹性模量为3.21×104MPa。

实验所需要的主要仪器为电液伺服万能试验机。

1.2 实验试样制作

实验所制得的试样为一个正立方体，长宽高都为15cm，试样的中间有3种不同类型高强钢筋，钢筋两端分为加载端和自由端，并且在两端都安设了套管，其中相对粘结长度l设置为5d和10d，相对粘结长度表示的是上套管下部距离下套管上部的距离。实验之前一共制作了57个试样，将57个试样分成了19组，每组3个，试样试样的相关参数如表2所示，试样编号中字母代表的不同钢筋类型，A5、A10、B5、B10、C5、C10表示的静载参照基准试件。实验对不同的试样荷载的加载方式进行分析，加载方法中除了表中所示的应力水平上限存在差别，其他的值都相同，表中A10变、B10变、C10变属于变幅加载。

1.3 实验操作方式

将试样按照图1的方位将其固定在万能试验机的升降台座上，让后使用自带夹具将试样加载端钢筋固定住，于是就可以对台座进行往下运动，此时由于试样被固定住，不能进行运动，于是就相当于在对钢筋进行拔出实验。为了测得混凝土和两端钢筋的相对滑移量，分别在钢筋的两端安装高精度位移传感器，用此来得到相关数据。所有的数据采集过程中会将其传送到计算机中，使用计算机对这些数据管理和分析。

2 3种钢筋混凝土结构粘结性能

2.1 高强光圆钢筋混凝土结构粘结性能

当光圆钢筋混凝土受到荷载的影响之后，其粘结抗力主要包含两个方面，分别为化学胶着力和摩擦力，当钢筋混凝土受到不断重复的荷载之后，化学胶着力会被比较小的荷载所影响，是该力降低为零，而摩擦力会在重复摩擦力的影响下快速被降低[4-5]。文章通过对该类型鋼筋混凝土的粘结性能进行测试，其中分析了3种不同荷载情况下粘结性能的变化情况，结果如表3所示，其中极限荷载值和残余荷载值属于最后基本上保持不变的恒定值。首先对等幅重复加载进行分析，从中可以看出，和静力加载方式相比，等幅重复加载之后，其残余荷载和极限荷载都有明显降低趋势，而且等幅重复荷载中，将应力水平上限不断提高，其残余荷载和极限荷载值也都处于随之降低的趋势;然后再对变幅重复加载进行分析，相比于静力加载，其残余荷载和极限荷载值也都处于降低状态。

2.2 异形钢筋混凝土的粘结性能

如图2所示为异形钢筋的凹槽和混凝土相互作用示意图，从图中可以看出，异形钢筋混凝土的粘结性能主要由摩擦作用和抗剪作用组成[6]。从理论上可以分析出相比于光圆钢筋混凝土，异形钢筋混凝土的粘结性能要更好，因为异形钢筋有很多凹槽，受到地震荷载的影响之后，会产生抗剪力，从而能够增加钢筋混凝土的粘结效果[7-8]。为了进一步分析异形钢筋混凝土的粘结性能，使用万能试验机进行粘结性能测试，测试了3种不同荷载形态下钢筋混凝土的极限荷载值，如表4所示。

从表4中可以看出，与静力荷载相比，异形钢筋混凝土在等幅荷载状态下，其极限荷载值都有所提高，所以这种钢筋在受到荷载的作用是，其粘结强度并没有发生退化，而通过上文对光圆钢筋混凝土的研究可知，其重复荷载状态下的极限荷载值相比于静态荷载下有着明显的降低，于是可以说明，使用异形钢筋混凝土的粘结性能要强于光圆钢筋混凝土，该结论正好与上述原理分析结果一致。然后在分析应力水平上限不一致的情况，使用等幅荷载，异形钢筋混凝土的极限荷载值的变化趋势为先增加后降低，当应力水平上限为0.7时，其极限荷载值最大。最后再对异形钢筋在变幅荷载情况下进行分析，从表中可以看出，相比于静态加载，异形钢筋混凝土受到变幅加载影响时，其极限荷载的变化情况差不多，即说明这两种不同加载方式对异形钢筋混凝土的粘结强度影响非常小，甚至可以忽略。所以，可以总结出异形钢筋混凝土的粘结强度相对于光圆钢筋混凝土更好。

2.3 螺旋肋钢筋混凝土粘结性能

螺旋肋钢筋混凝土结构和上述分析的异形钢筋外形上大致相同，都存在凹槽，但是其中的区别的在于螺旋肋钢筋的凹槽宽度和夹角更大，螺旋槽导程更小，以至于形成肋间连续螺旋状的混凝土条，如图3所示[9]。因为这些区别，导致两种钢筋混凝土的粘接性能存在差异。从理论上讲，螺旋肋钢筋的宽度更大，于是就会增加钢筋与混凝土之间的咬合齿宽度，所以当受到地震等荷载的影响之后，相比于异形钢筋混凝土，将会具有更好的粘接强度，不容易被挤碎或者被切断。螺旋肋钢筋的粘接强度更好还有一个原因在于：由于变形钢筋中的横肋对称分布于纵肋两侧，而螺旋肋钢筋的横肋时沿着周围方向环向均匀螺旋分布，第一种分布情况容易受到挤压之后造成压力集中纵肋两边，极有可能造成纵肋发生劈裂现象，而第二种分布情况没有方向性，不会造成压力集中的现象，所以在一定程度上能够降低劈裂的发生，所以从理论将螺旋肋钢筋混凝土的粘接性能相比于异形钢筋混凝土要好。为了对螺旋肋钢筋混凝土结构的实际粘结性能进行分析，对其进行了特征荷载值的测定研究，研究结果如表5所示。从表中可以看出，与静力荷载相比，螺旋肋钢筋混凝土受到等幅荷载和变幅荷载的极限荷载值有所提高。所以使用螺旋肋钢筋混凝土的粘结强度相比于另外两种钢筋更好，所以能够得出结论为罕遇地震情况，建筑使用螺纹肋钢筋混凝土将会具有更好的抗震效果。

通过上述对3种不同钢筋混凝土试样进行分析可知，虽然光圆钢筋混凝土本身具有很好的强度，但是当其受到荷载的影响之后，其粘接性能表现出比较差的状况，主要原因在于光圆钢筋和混凝土之间的摩擦力比较小。而另外两种钢筋混凝土的粘结强度明显比光圆钢筋混凝土的粘结强度小，因为这两种钢筋存在凹槽，不仅有助于提高与混凝土的摩擦力，而且还存在一个抗剪能力，所以受到地震荷载的影响之后，该钢筋由于具有更好的粘结性能，在一定程度比光圆钢筋更能够抵抗地震带来的危害。对于异形钢筋混凝土和螺旋肋钢筋混凝土，由于螺旋肋钢筋混凝土的凹槽宽度更大，将有助于提高材料自身的粘结性能，所以通过实验研究之后可以分析出螺旋肋钢筋混凝土的粘结性能由于异形钢筋混凝土优于光圆钢筋混凝土。所以在罕遇地震环境下，使用螺旋肋钢筋混凝土的建筑将会具有更好的抗震效果，能够在一定程度上降低经济损失和人员伤亡情况。比较适用于我国地震频发的地区。

3 结语

地震的威力十分强大，在一般没有进行抗震设计的建筑容易被地震所催倒，尤其在地震易发区，非常有必要对建筑进行抗震等级设计，那么就需要使用高强钢筋混凝土。高强钢筋混凝土之间的粘结性能十分重要，当其粘接性能比较好时更有助于实现抗震效果。通过上文对3种不同类型的钢筋混凝土进行实验研究可知，螺旋肋钢筋混凝土的粘结性能强于异形钢筋混凝土强于光圆钢筋混凝土，所以在罕遇地震环境下，需要螺旋肋钢筋混凝土更加合适，具有更好的粘结强度和抗震效果。

参考文献

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[3]陈丹雯. 配高强钢筋的混凝土框架—剪力墙结构抗震性能研究[D].广州：华南理工大学，2017.

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[5]耿红斌， 穆卓辉， 于晓光.光圆钢筋与混凝土界面粘结滑移本构模型研究[J].硅酸盐通报，2017，36（09）：3064-3069.

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