高强钢筋高强混凝土粘结锚固性能研究

徐 成 吴建文 蒋明慧 丁 吉

(四川工程职业技术学院，德阳 618000)

1 引 言

钢筋混凝土结构之所以能够较好地承受各种载荷的作用，是因为钢筋和混凝土这两种性能不同的材料之间存在很好的粘结作用。由于载荷很少直接作用于钢筋上，因此只有通过粘结作用，两种材料之间才能实现力的互相传递，共同承受载荷[1,2]。建筑用钢筋需要高握裹力，要求钢筋表面的表面外形具有很高的粘结能力才能实现握裹力的提高。近年来，随着材料科学技术的发展与提高，出现了不同种类和强度的钢筋，如螺旋肋钢筋、带肋钢筋等，然而不同钢筋与混凝土之间的粘结锚固效果却有较大的不同[3,4]。因此，高强钢筋在混凝土中的锚固性能便成为值得探索和研究的课题，本文的目的在于通过对比不同类型钢筋的粘结锚固性能，从而使得钢筋混凝土结构能够更好地承受各种载荷的作用。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

为了增强钢筋混凝土框架结构的锚固性能，需要对钢筋的外形结构进行优化设计，研究钢筋表面的握裹力。为此，选择了市场上常见的三种不同外形的钢筋，分别为冷轧带肋螺纹钢筋(A)、冷拔光圆钢筋(B)、螺旋肋钢筋(C)，三种类型钢筋的外形具体参数见表1。

表1钢筋的外形参数

Table1Theshapeparameterofsteelmm

高强钢筋ABC直径外径7.167.187.18内径6.826.886.80肋间距槽宽7.37.07.2肋宽7.17.07.4肋高0.170.150.19

2.2 试验方案及试件制作

2.2.1混凝土试件制作

对比试验冷轧带肋螺纹钢筋、冷拔光圆钢筋、PC钢棒粘结锚固性能。考虑拔出试验的试验结果离散性较大，参考《混凝土结构试验方法标准》(GB 50152—92)[3]的要求，试件混凝土强度等级为C50，采用复合硅酸盐水泥，碎石骨料粒径不大于12 mm的中砂，水泥∶石子∶砂∶水=1∶2.2∶1.3∶0.5。试件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，混凝土试件与拔出试件同条件养护。试件在制作时，每组参数包括3个试件。共设计了三组27个试件，试验方案见表2。

表2锚固性能试验方案

Table2Theanchorageperformancetestdesign

种类公称直径d/mm锚固长度l/mm保护层厚度c/mm混凝土强度等级钢棒710046.5C5020046.5C5030046.5C50

2.2.2加载及量测方案

拉拔试验的试件及装置示意图分别如图1所示，其中图1(a)为试件示意图，图1(b)为试验装置示意图，图2为试件试验时的图片。试验于2012年7月在四川工程职业技术学院力学实验室进行。试件的加载端放置硬塑料管，留有一段无粘结长度以避免局部挤压的影响，硬塑料管在浇筑混凝土前用胶与钢筋固定，但对其粘结力几乎没有影响，两端无粘结段的总长约50 mm。试件所受的拉拔力由油压表和荷载传感器同时记录。

图1 试件和试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of specimen and test setup

图2 试件试验装置及试验过程Fig.2 Specimen test device and test process

整个试验在WE-30型液压式万能材料试验机上进行，并参考《混凝土结构试验方法标准》(GB 50152—92)[5]的要求分级加载。

3 试验结果与分析

根据试件的拉拔试验所得到的拉拔力-拉拔位移曲线，曲线的发展趋势大体可以分为四个阶段：弹性变形阶段、弹塑性变形阶段、塑性变形阶段和下降阶段。对3组不同外形的钢筋被拉拔或者破坏时的最大拉伸载荷进行了统计分析，结果如表3所示，其中，冷轧带肋螺纹钢筋和冷拔光圆钢筋各锚固长度下的拉伸载荷为3件试样的平均值。

表3高强钢筋的锚固性能

Table3Theanchorageperformanceofhighstrengthsteel

种类锚固长度/mm拉伸载荷/kN拉拔状态冷轧带肋螺纹钢筋10027.08钢筋被拔出20027.64钢筋被拔出30027.85钢筋被拔出冷拔光圆钢筋10012.15钢筋被拔出20014.3钢筋被拔出30020.9钢筋被拔出螺旋肋钢筋10020030039.6钢筋被拔出18.6钢筋被拔出36.6钢筋被拔出58.6钢筋被拔出58.9钢筋被拔出64.4钢筋被拉断64.4钢筋被拉断64.2钢筋被拉断63.6钢筋被拉断

由表3可知，在同等锚固长度的前提下，冷轧带肋螺纹钢筋和冷拔光圆钢筋都被拔出，而螺旋肋钢筋则表现出不同的特征。螺旋肋钢筋锚固埋入长度为100 mm时，3件试样分别在39.5 kN、18.5 kN和36.5 kN时被拔出；埋入长度为200 mm的试件，在58.5 kN和59.0 kN的状态下被拔出，但是有一件试件在65.5 kN时被拔断；继续增加锚固长度，在埋入长度为300 mm时，3组试样均没有被拔出的现象，而是分别在64.5 kN、64.0 kN和63.5 kN时候都被拔断。由此可以看出，螺旋肋钢筋的锚固性能在同等锚固长度的前提下，优于冷轧带肋螺纹钢筋和冷拔光圆钢筋；随着锚固长度的增加，拉伸断裂载荷逐渐增大；当锚固长度大于300 mm的状态下，高强钢筋都可以与混凝土保持较好的粘结锚固性能。其中，高强螺旋肋钢筋的粘结锚固特点为滑移值偏大，带有一定光面钢筋的特征，其粘结拉拔受力过程大致可分为5个阶段：

(1) 微滑移段：加载之初，当拉拔力较小时，加载端滑移值较小，自由端未发生滑移。胶结滑脱逐渐向内渗透，但未达到自由端。

(2) 滑移段：当加载至极限载荷的1/4～1/3，自由端发生滑移，说明锚固长度上的化学胶结力丧失殆尽。此后，滑移与荷载进入一段较为短暂的稳定增长阶段，开始呈现非线性状态。

(3) 开裂段：当加载至极限荷载的0.80～0.85，在荷载稍微增加甚至不增加的情况下，滑移有较大的增长，呈现明显的非线性状态。此后，荷载稍有增加，试件沿混凝土保护层最小处产生裂缝，裂缝由自由端逐渐向下延伸，直至底部垫块处。当保护层较大时，裂缝细小，甚至没有贯通到试件的侧面，只能在试件的自由端从PC棒向外发展出几条裂纹。

(4) 下降段：达到峰值后，荷载迅速下降，滑移大幅增加，对配箍试件，载荷的下降则比较缓慢。

(5) 残余段：当滑移达到一定的限值时，载荷不再下降，直至高强钢筋从混凝土中缓慢拔出。对锚固长度较大的试件，如锚固长度为300 mm，自由端和加载端的滑移都较小，达到一定的限值后，滑移的增长部分是由高强钢筋的伸长引起，试件表面完好，试验至高强钢筋拉断而结束。

图3所示为螺旋肋钢筋拉拔过程中的破坏形态，其中，图3(a)、图3(b)、图3(c)分别为锚固长度为100 mm、200 mm和300 mm下的状态图。可以看出，高强螺旋肋钢筋的粘结锚固破坏形态大致可分为三类：①当保护层较薄或锚固长度较短时，容易发生劈裂破坏，试件沿混凝土保护层最小处产生裂缝，裂缝由自由端逐渐向下延伸，直至底部的垫块处。与带肋钢筋不同的是高强螺旋肋钢筋粘结锚固的劈裂破坏一般只出现一条裂缝(图3(d))，试件并未劈裂成两半，而带肋钢筋粘结锚固的劈裂破坏大多出现2～3条裂缝，试件被劈裂成两半或三半；②当保护层较厚或配有横向箍筋时，钢筋周边的裂缝不能发展到试件表面，高强螺旋肋钢筋被缓慢拔出；③当锚固长度较大且保护层厚度也较大时，高强螺旋肋钢筋被拉断，未发生锚固破坏(图3(e))。

图3 钢筋的拉拔过程Fig.3 Pull-out process of rebar

4 结 论

通过对不同类型钢筋的混凝土构件进行了拉拔加载试验，得出以下结论：

(1) 螺旋肋钢筋的锚固性能在同等锚固长度的前提下，优于冷轧带肋螺纹钢筋和冷拔光圆钢筋。

(2) 随着锚固长度的增加，拉伸断裂载荷逐渐增大；当锚固长度大于300 mm的状态下，螺旋肋钢筋可以与混凝土保持较好的粘结锚固性能。

[ 1 ] 余琼,张燕语.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁挠度研究[J].结构工程师,2011,27(1):139-143．

Yu Qiong, Zhang Yanyu. Study on deflection of RC beams strengthened with prestressed CFRP [J]. Structural Engineers, 2011, 27 (1): 139-143. (in Chinese)

[ 2 ] Mcvay M, Cook R A, Krishnamurthy K. Pullout simulation of post installed chemically bonded anchors[J]. Journal of Structural Engineering, 1996, 122(9) : 1016-1024.(in Chinese)

[ 3 ] 徐淑美,周德源,毕大勇.预埋式槽型锚轨拉拔性能的试验研究[J].结构工程师,2010,26(5):111-114.

Xu Shumei, Zhou Deyuan, Bi Dayong. Test study on tensile behavior of cast-in channels[J]. Structural Engineers, 2010, 26(5) : 111-114.(in Chinese)

[ 4 ] 叶见曙.结构设计原理[M].北京:人民交通出版社,1996.

Ye Jiansu. The principle of structure design[M]．Beijing: China Communications Press,1996. (in Chinese)

[ 5 ] 中华人民共和国建设部.GB 50152—92混凝土结构试验方法标准[S].北京:中国建筑工业出版社,1992.

Ministryof Construction of the People’s Republic of China. GB 50152—92 Standard methods for testing of conerete structures[S]．Beijing: China Architecture and Building Press,1992. (in Chinese)