低合金耐蚀钢筋粘结锚固性能试验研究

张小年，许庆，2，徐曼，杨潇

（1.中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088；2.清华大学 土木工程系，北京 100084；3.中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044）

0 前言

钢筋锈蚀是钢筋混凝土结构耐久性劣化的主要原因之一。使用自身具备较高耐蚀性的钢筋替换普通碳素钢筋，是延缓和防止钢筋锈蚀提升结构耐久性的有效手段[1-2]。自身具备优良耐蚀性的钢筋主要分为不锈钢钢筋与低合金耐蚀钢筋2种。二者通过优化钢筋中合金元素的成分或改变加工制作工艺，可从源头解决钢筋锈蚀问题[3]。不锈钢钢筋具有优异的耐腐蚀性能，但造价昂贵，限制了其推广应用[4-5]。

JTG/T 3310—2019《公路工程混凝土结构耐久性设计规范》中规定，低合金耐蚀钢筋是指合金元素总量不超过5%的钢筋，其具备以低廉的成本提供良好的耐腐蚀性能的优势[6]。在钢筋耐腐蚀性能研究方面，刘明等[7]验证了在其中添加Cr元素可显著提高钢筋的耐腐蚀性能。周扬等[8]的研究得出，添加Cu、Ni、Cr多种合金元素会使得钢筋具有比添加单一Cr元素更优异的耐腐蚀性能。在钢筋与混凝土之间的锚固粘结性能研究方面，徐春一等[9]通过拉拔试验得出，奥氏体不锈钢钢筋与混凝土的极限粘结强度略低于普通碳素钢筋。Rabi等[10]通过拉拔试验证明，奥氏体不锈钢钢筋极限粘结强度平均值相比碳素钢筋低28%左右。Moen和Sharp[11]通过梁端试验同样得出不锈钢钢筋粘结强度低于碳素钢筋，并分析可能的原因是氧化铬表面层干扰了钢筋和混凝土之间的机械自锁，同时更低的弹性模量导致钢筋肋更柔软，降低了自身机械锚固的性能。现阶段对耐蚀钢筋与混凝土的粘结锚固性能研究主要集中于不锈钢钢筋方面，而对于低合金耐蚀钢筋的研究较少，现有相关规范能否满足低合金耐蚀钢筋锚固要求还需进一步验证[12]。

本文以一种含有少量Cr、Ni元素的低合金耐蚀钢筋为研究对象，考虑合金成分改变对粘结性能的影响，通过多组拉拔试验，研究该耐蚀钢筋粘结性能的影响因素，分析给出该耐蚀钢筋的粘结强度计算公式，并为其实际应用中锚固长度设计提供参考。

1 试验设计

1.1 基本材料选取

试验采用2种牌号的耐蚀钢筋，分别为400-SL与500a-SL，每种各选取2根，按照GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法》的规定进行材性试验，结果如表1所示，表2为2种钢筋的合金成分。结合表1与GB 50010—2010（2015年版）《混凝土结构设计规范》可知，400-SL与500a-SL钢筋的屈服强度、极限强度分别略高于HRB400与HRB500钢筋，考虑到目前国内耐蚀钢筋力学性能方面的标准尚属空白的现状，试验中400-SL与500a-SL钢筋的抗拉强度设计值fy将偏于安全的依照GB 50010—2010（2015年版）中HRB400与HRB500钢筋的规范值选取，即360、435 MPa。

表1 2种钢筋的力学性能

表2 2种钢筋中的合金成分 %

试验所选用素混凝土立方体试块在与测试试件相同自然环境下养护，按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》的规定，测得素混凝土立方体抗压强度标准值fcu，k满足试验所选用的C30与C40混凝土强度要求。试验中混凝土轴心抗拉强度设计值ft依照GB 50010—2010（2015年版）中C30与C40混凝土的规范值选取，即1.43、1.71 MPa。

1.2 试件设计

钢筋混凝土试件均采用150 mm矩形截面的棱柱体；纵向布置耐蚀钢筋；横向布置直径为10 mm的箍筋；加载端布置长度为50 mm的塑料套管，以降低加载端应力集中对试验造成的影响，所有试件的实际长度为有效锚固长度与塑料套管长度之和。试件尺寸示意如图1所示。

图1 试件尺寸示意

试验考虑钢筋直径d、锚固长度la、保护层厚度c、配箍率、混凝土轴心抗拉强度以及钢筋抗拉强度等6种因素对粘结锚固性能的影响，设置了15种工况，每种工况3个试件，共45个试件。保护层厚度通过偏心置筋区分，其余试件钢筋均布置于混凝土试件中心。试件参数设置如表3所示。

表3 试件参数设置

1.3 加载方案

A、B、C组拉拔试验采用最大试验力为600 kN的内螺纹钢绞线液压式拉力试验机进行加载，并根据GB/T 50152—2012《混凝土结构试验方法标准》，按照10 kN分级加载。D、E、F组试件采用手动液压式千斤顶进行加载。

2 试验结果

根据试验结果，试件的主要破坏形式可总结为3种类型，分别为钢筋拔出破坏、混凝土劈裂破坏和钢筋拉断破坏，各试件的破坏类型如表4所示，破坏状态如图2所示。

图2 试件的破坏状态

表4 各试件的破坏类型

由表4可见，相对锚固长度较短且相对保护层厚度及配箍率较大的试件较多发生钢筋拔出破坏；相对保护层厚度及配箍率较小的试件基本表现为混凝土劈裂破坏；相对锚固长度较长的试件一般为钢筋拉断破坏。

由图2（a）可见，钢筋拔出破坏时，锚固钢筋自由端发生明显位移，同时加载端存在少量劈裂裂缝，裂缝未发展至自由端。由图2（b）可见，混凝土劈裂破坏时混凝土试件表面出现自加载端贯穿至自由端的劈裂裂缝，钢筋自由端无明显位移。由图2（c）可见，钢筋拉断破坏时锚固钢筋出现明显颈缩现象，且自由端未产生明显滑移，混凝土表面未出现裂缝。

工程中更倾向于发生延性破坏，即钢筋处于屈服阶段时混凝土表面产生微量裂纹。钢筋拔出破坏与钢筋拉断破坏均无明显破坏征兆，属于脆性破坏，故不利于实际应用。

试验结果如表5所示，表5中横向配箍率ρsv按式（1）计算，极限粘结强度τu按式（2）计算。

表5 试验结果汇总

式中：Asv——单肢箍筋截面面积，mm2；

dsv、ssv——箍筋的直径和间距，mm；

Fu——钢筋拉力极限值，kN。

3 粘结锚固性能影响因素分析

3.1 混凝土强度的影响

由表5可见，对比A1、B1组，在仅改变混凝土轴心抗拉强度的情况下，随混凝土轴心抗拉强度的提高，低合金耐蚀钢筋与混凝土间的极限粘结强度也相应提高。分析其主要原因是，混凝土轴心抗拉强度的提高会使其沿钢筋径向抗拉强度提高，从而提高混凝土的抗劈裂强度，延缓锚固钢筋周围环向混凝土的内裂和劈裂破坏，进而提高钢筋与混凝土之间的粘结强度。

3.2 钢筋强度的影响

由表5可见，对比B1、C1组，在其他条件相同的情况下，极限粘结强度随钢筋抗拉强度的提高而略有降低，但考虑到混凝土试件数据的离散性，以及B1、C1两组共6个试件数据间的变异系数仅为δ=0.05，其值偏低，无法准确得出二者之间的变化关系。因此，该对照组试验结果可近似表明，此种低合金耐蚀钢筋与混凝土间的粘结强度与钢筋强度之间无明显相关性。

3.3 相对保护层厚度的影响

由表5可见，对比D1、D2、D3，在仅改变混凝土保护层厚度的条件下，粘结强度随相对保护层厚度的增大而逐渐提高，但增幅逐渐放缓。分析其主要原因是，相对保护层厚度的增大可以提高钢筋外围混凝土层的抗劈裂能力，从而提高混凝土对锚固钢筋的握裹能力，进而提升二者间的粘结强度[1]。当相对保护层厚度高于某一限值时，拉拔锚固钢筋不再发生混凝土劈裂破坏，而是沿钢筋外围圆柱面上发生剪切破坏，此时相对保护层厚度的增加便无法提高粘结强度，即随相对保护层厚度的逐渐增大，粘结强度的增幅逐渐减小[13]。

3.4 钢筋直径的影响

由表5可见，对比B1、E1组，B2、E2组，在其他条件基本相同的情况下，粘结强度随钢筋直径的增大而降低。分析其主要原因是，钢筋直径的增加会降低钢筋与混凝土的相对粘结面积（钢筋的粘结面积与截面周界长度成正比，拉力与截面积成正比，周界与面积之比即可反映钢筋的相对粘结面积。对于本试验所选用的低合金耐蚀钢筋，相对粘结面积可通过4/d计算得到），从而降低了粘结强度[14]。

3.5 相对锚固长度的影响

由表5可见，对比A1、A2，B1、B2，C1、C2组，在仅改变相对锚固长度大小的情况下，极限破坏荷载随相对锚固长度的增大而提高，极限粘结强度随相对锚固长度的增大而降低。分析其主要原因是，钢筋相对锚固长度的增加会增大钢筋与混凝土间的粘结接触面积，从而提高钢筋与混凝土间的极限抗拉力。而相对锚固长度的增加，会引发粘结应力沿锚固长度分布越不均匀，造成应力集中使混凝土提前劈裂破坏失效，从而导致试件失效时计算得到的极限粘结强度小于试件实际所受最大粘结应力，故随相对锚固长度的增大粘结强度降低[15]。

3.6 配箍率的影响

由表5可见，对比F1、E2、F2组，在保证其他条件基本相同的情况下，钢筋与混凝土之间的粘结强度随配箍率的增大而提高。分析其原因主要是，横向箍筋可通过限制试件中纵向劈裂裂缝的发展，从而提高混凝土对钢筋的握裹力，进而提高钢筋与混凝土间的粘结强度[16]。

4 锚固长度设计建议

4.1 粘结强度表达式

根据前文的分析，粘结强度与钢筋直径、相对锚固长度、相对保护层厚度、配箍率以及混凝土抗拉强度有关。文献[15]通过拉拔试验数据统计回归得到月牙纹钢筋极限粘结强度τu表达式，其形式可表示为与d、la、c、ρsv、ft等因素有关的函数，如式（3）所示：

式中：当c/d＞4.5时，取c/d=4.5。文献[15]中对参数的取值分别为A1=0.82，A2=0.9，A3=1.6，A4=0.7，A5=20。

基于本次试验结果，排除发生钢筋拉断破坏试件的数据，通过统计回归可得到粘结强度的表达式（4）：

各变量取值范围为d=16～25 mm，la/d=5～20，c/d=2.5～4.2，ρsv=0～2.51%，ft=1.43～1.71 MPa。

粘结强度实测值τu与通过式（4）计算得到的粘结强度计算值τuc对比见表6，二者比值的平均值μ=0.95，标准差σ=0.13，变异系数δ=0.13，拟合值与试验值吻合良好。

表6 粘结强度实测值与计算值对比

4.2 临界锚固长度计算公式

钢筋锚固破坏与屈服破坏同时发生时的最小锚固长度为极限锚固长度[17]。因此，钢筋的锚固长度la应不小于极限锚固长度，其极限状态方程如式（5）所示：

式中：R——结构抗力；

S——作用效应。

将R=τuπdla、S=fyAst、Ast=πd2/4与式（4）代入式（5）中，并偏于安全地取c/d=2.5、dsv=1/4d、s=15d可得式（6）：

GB 50010—2010（2015年版）中规定，普通带肋钢筋相对锚固长度计算公式为：

本试验fy分别为360、435 MPa；ft分别为1.41、1.73 MPa，代入式（6）、式（7）中计算，可得到不同条件组合下相对锚固长度的计算值la*/d与规范值la/d，如表7所示。

表7 临界锚固长度计算值与规范值对比

由表7可知，不同条件组合下，按式（6）计算得到的相对锚固长度计算值均小于规范值，且二者比值稳定在0.32～0.36之间。偏于安全的考虑，GB 50010—2010（2015年版）规范规定锚固长度计算方法仍适用于此种低合金耐蚀钢筋。

5 结论

（1）采用低合金耐蚀钢筋的锚固破坏形式主要分为钢筋拔出破坏、混凝土劈裂破坏与钢筋拉断破坏3种。在保证其他条件不变，只改变控制变量的条件下，其粘结强度随钢筋直径的减小、相对锚固长度的减小、相对保护层厚度的增大、配箍率的增大以及混凝土强度的增大而提高，与钢筋屈服强度无明显相关性。

（2）基于本次试验数据，参照相关文献，统计回归出低合金耐蚀钢筋的粘结强度计算公式，且拟合值与试验值吻合良好。

（3）由计算得到的临界锚固长度计算值均小于现行规范规定值，且二者比值稳定在0.32～0.36。偏于安全的考虑，低合金耐蚀钢筋的锚固长度仍可按照GB 50010—2010（2015年版）的规定设计。