HRB500钢筋粘结性能的试验与分析

刘 平，李艳艳，刘 坤

（1.河北工业大学 土木工程学院，天津 300401；2.河北省土木工程技术研究中心，天津 300401；3.河北工业大学 校园规划处，天津 300130）

目前，在发达国家中500 MPa的钢筋已经得到广泛应用，而在我国HRB500级钢筋的研究还尚未完善.因此，为尽快推广和使用这种新型钢筋，提高结构的承载力，减少用钢量，同时使我国建筑用钢与国际相接轨，需要对其性能进行深入研究，形成完整技术数据，为HRB500级钢筋开发及应用提供技术基础.

通过对66个钢筋混凝土试件进行单端拉拔试验，研究钢筋筋锚固长度、配箍率、混凝土强度、混凝土保护层厚度对粘结锚固性能的影响，并通过内贴应变片分析了HRB500钢筋的粘结应力分布情况[1].

1 试验概括

试验采用河北钢铁集团生产的HRB500钢筋，其力学性能如表1所示.混凝土采用天津水泥厂生产的强度等级为42.5级普通硅酸盐水泥，砂是卢龙湖砂，中砂，粗骨料为粒径为10～20mm的碎石.试验采用的混凝土强度等级分别为C20、C30和C40.

试件分两次浇注，共6大组，22小组，每组3个试件.试件尺寸见图1，具体参数及试验结果见表2.

表1 HRB500钢筋力学性能试验结果Tab.1 Mechanical capacity of HRB500 steelbar

表2 试件主要参数及试验结果Tab.2 The primary parametersof Specimen and test result

通过制作的反力架，利用SANS公司生产的30 t电液伺服万能试验机进行试验.拉拔力由机器读出，自由端和受力端位移通过电子位移计读出[2].具体试验装置见图2.

2 试验结果和分析

2.1 HRB500钢筋荷载-滑移曲线及受力阶段

试件C2-1的荷载-滑移曲线和 - 曲线分别如图3和图4所示.试件的混凝土强度=44.1MPa，配箍率1.62，保护层厚度25mm.

通过试验量测和观察分析可知，锚固钢筋的受力分为微滑移段、滑移段、劈裂段、下降段和残余段5个阶段.

1）微滑移段：在加载初期，拉拔力较小，此阶段粘结应力由胶结力提供.胶结力逐渐由加载段向自由段传递.

2）滑移段：当加载达到极限菏载的20%左右，由于胶结力损失殆尽，自由端出现滑移.锚固长度较短时，其自由端和加载端滑移逐渐接近.

3）劈裂段：当加载达到极限荷载的75%～80%左右，荷载滑移曲线斜率减小，锚固钢筋滑移速度大于加载速度，表现出显著的非线性状态.此时，试件沿着混凝土保护层处发生纵向劈裂，裂缝的发展方向为由加载端向自由端延伸直至贯通.劈裂后，荷载几乎不增长或有衰减.

4）下降段：达到峰值后荷载迅速下降，滑移大幅增长.

5）残余段：当钢筋滑移发展到特定的程度时，荷载将在一个狭小的区域内波动而再没有大的降低，直至锚固钢筋被拔出，发生刮犁破坏.锚固长度较长时，如 gt;15 d时，自由端不发生滑移，加载端滑移的增加在发展到某程度后表现为钢筋的长度增加，而试件仍然完好，破坏原因是锚筋屈服.

图1 尺寸示意图Fig.1 Diagram of specimen size

2.2 试验现象

试件的破坏形态包括3种：混凝土的劈裂破坏，混凝土拉裂锚筋拔出破坏，锚筋屈服破坏.前两者属粘结破坏，后者属于非粘结破坏.

2.1.1 无箍筋试件破坏

A、B试件全部中心置筋，无箍筋，钢筋直径由14 mm到22 mm，相对保护层厚度由2.9mm到4.9mm.

由试验结果可以看到，当锚固长度不足，小于临界锚固长度时，锚筋周围的砼保护层厚度对称而不足，内裂缝将同时发展到混凝土的对称两侧表面，因此，试件的破坏主要为混凝土的短时间的劈裂破坏.破坏时的主裂缝位于混凝土的保护层厚度相对较小的对称面，裂缝为对称贯穿裂缝，部分试件被劈裂为3块.当锚固长度足够大且超过其临界锚固长度时，试件的锚筋破坏主要为屈服破坏.破坏时，锚筋自由端没有相对滑移，混凝土表面一般完好.

2.2.2 配箍筋试件破坏现象及分析

C，D均为配箍试件，其中，当锚固长度较小时，试件主要发生混凝土先开裂锚筋后拔出的破坏.破坏形式是在薄保护层一侧出现贯穿裂缝.当加载到试件开裂荷载时，保护层厚度较小一侧的砼表面上出现裂缝，继续加载，裂缝快速延伸并贯通整个截面.此时若无箍筋的约束作用，混凝土将会立即破裂而丧失承载力.由于箍筋对混凝土的约束作用，绝大部分混凝土在贯通裂缝产生后失去承载力，锚固钢筋对砼挤压力的径向分力便传给箍筋，因此试件仍然可以承受较大荷载.最后，混凝土对锚筋纵向约束力不足从而导致锚筋从混凝土中缓慢拔出而发生破坏.故试件具有良好的延性.

对钢筋拔出的试件打开观看，发现肋间混凝土均被刮犁破坏.

当锚固长度较长时发生锚筋屈服破坏，此时混凝土大部分完好无损，部分出现细微裂缝.

3 HRB500钢筋的粘结锚固性能影响因素[3]

3.1 混凝土强度影响

试验表明，粘结锚固强度随混凝土强度的提高而提高，而且与其抗拉强度成正比，这是因为无论内裂、劈裂、挤压或是摩阻都与混凝土的质量特别是其抗裂性有联系.由试验值与相应抗拉强度统计回归得到关系式 ( 1)所示

3.2 保护层厚度的影响

因为锚筋直径的大小对粘结锚固强度的影响相对较小，所以使用相对保护层厚度 /作为影响因素并分析其影响.采用加大砼保护层厚度的措施，可以提高外围混凝土抗劈裂能力，可增大试件劈裂应力和极限粘结强度.但当混凝土保护层厚度大于4.5时，试件将不会发生劈裂破坏，而钢筋沿横肋外围切断混凝土拔出，因此粘结强度将不再增加.

3.3 锚固长度对粘结锚固强度的影响

C类试件4组12个，加上CX类4组12个，一共24个，锚固深度 = 70～250mm， /=5～18.

试件中钢筋埋深越大，其受力后粘结应力分布越不均匀，破坏时平均粘结强度 和最大实际粘结应力比值越小（图7）.

试验结果表明，平均粘结锚固强度随锚固长度的增加，拉拔力的增加而减小.因为应力分布不均匀，当锚固长度较小时，高应力区相对较大，应力曲线较丰满，平均粘结应力相对较大；当锚固长度较长时，高应力区相对较小，平均粘结应力相对较小.极限粘结应力变化随着锚固长度的增加而趋于平缓.当钢筋锚固长度 /gt;10时，钢筋加载端屈服而不被拔出.

经统计回归后得锚固长度的影响关系如下：

3.4 横向配箍率对粘结强度的影响

D类试件共4组12个，DX类4组12个，另有C2，CX2组共6个试件，配箍率=1.35～2.26.

在拔出试件中配置横向箍筋，能够推迟和约束径向—纵向劈裂缝发展，防止发生劈裂破坏，增大其极限粘结强度，而且下降段平缓，粘结延性好（图8）.

经统计回归后得配箍率的影响关系如下：

4 HRB500钢筋粘结锚固强度的计算公式

根据上述分析，考虑影响钢筋粘结强度主要因素，经简化统计回归后得到HRB500钢筋极限粘结强度

4.1 锚固设计的建议公式

4.1.1 锚固承载力极限状态

混凝土中的锚固钢筋，可能由于钢筋屈服而失效，也可能因为拉拔力的作用发生锚固破坏；当屈服力与锚固力数值相等时，钢筋屈服和锚固破坏失效同时发生，这种状态称为锚固承载力极限状态.由平衡条件可得锚固承载力极限状态方程

4.1.2 临界锚固长度计算公式

从表3中可看出，按照现行规范计算，HRB500钢筋的锚固长度大于试验得到的临界锚固长度，说明现行规范有更多的安全余量，但从经济效益，节约材料，方便施工来看，应适当减少HRB500钢筋的锚固长度.

表3 HRB500钢筋的锚固长度Tab.3 Anchoring length of HRB500 stellbar

5 HRB500钢筋的粘结应力分布

为获得粘结应力在试件内部的分布情况，研究 - s 本构关系，取CX组和DX组试件，采用钢筋内贴片方式以量测钢筋应力沿锚长的分布.

具体做法：将钢筋在铣床上沿上线剖开一个3 mm×3 mm凹槽，把电阻片（2mm×3mm）按20mm的间隔贴在槽内，应变片端线和导线与钢筋之间用胶带绝缘，导线从钢筋自由端引出.接好导线后用环氧树脂填满凹槽以防潮保护[4-5].如图9和图10所示.

图11和图12为粘结应力分布.

在加载初期，粘结应力主要集中在加载端，随着外加荷载的增大，粘结应力曲线峰值逐渐向自由端移动，荷载逐渐向自由端传递.在/=0.6位置处达到峰值并稳定在此附近（图11和图12）.

当锚固长度比较短时，粘结应力曲线相对丰满，因此平均粘结锚固强度高；同普通月牙肋钢筋粘结应力分布一致[6].

6 结论

1）HRB500钢筋的粘结锚固强度随着混凝土抗拉强度增长而增长；

3）锚固长度越长，粘结锚固强度越小，因此盲目增加锚固长度没有意义；

4）配置横向箍筋可以改善构件性能，由脆性破坏转化为延性破坏，同时增加粘结锚固强度；

5）设计锚固长度按现行规范计算有更多的安全余量，可进一步研究；

6）通过内贴片测量内部钢筋应变，得到的粘结应力在钢筋各个部位的分布，与普通月牙肋钢筋相似，但峰值点有所前提，大约在处.

[1]毛达岭.HRB500钢筋粘结锚固性能的试验研究 [D].郑州：郑州大学，2004.

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[3]管品武，孟会英，李丽.钢筋与砼间粘结锚固性能及粘结作用机理 [J].郑州工业大学学报，2001，22（3）：65-68.

[4]过镇海，时旭东.钢筋混凝土原理和分析 [M].北京：清华大学出版社，2003.146-162.

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[6]王国杰，郑建岚.自密实混凝土与钢筋粘结锚固性能试验研究 [J].福州大学学报，2004，32（3）：334-338.

[7]GB 50010-2010，混凝土结构设计规范 [S].