加载速率对侧压力下光圆钢筋与混凝土粘结性能的影响*

李鑫鑫 吴智敏

(大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室 大连 116024)

加载速率对侧压力下光圆钢筋与混凝土粘结性能的影响*

李鑫鑫 吴智敏

(大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室 大连 116024)

为了研究加载速率对在不同侧向压力作用下光圆钢筋与混凝土间粘结性能的影响，采用30个拉拔试件研究了加载速率对粘结滑移曲线及粘结参数的影响.试验结果表明，加载速率对粘结性能的影响，取决于侧向压力的大小.当无侧向压力时，粘结性能与加载速率的大小无关.当侧压一定时，随着加载速率增加，粘结强度和残余强度上升，但极限粘结应力对应的滑移量下降.

粘结滑移；光圆钢筋；加载速率；侧压

0 引 言

在钢筋混凝土结构中，钢筋与混凝土之间的粘结性能是影响结构整体性能的重要因素.光圆钢筋作为最早应用于钢筋混凝土结构中的材料，其与混凝土间的粘结性能进行了广泛的研究[1].结果表明，光圆钢筋与混凝土间的粘结力主要由化学粘结力和摩擦力组成，当钢筋与混凝土发生相对滑移后，化学粘结力迅速退化，此时粘结强度主要由钢筋表面和混凝土间的动摩擦力构成[2].在连续梁与柱的节点处或简支梁的支座处，柱或支座的反力会在梁中上下主筋附近引起侧向压力，侧向压力的存在会对钢筋与混凝土的粘结性能产生较大影响.Robins和Standish[3-4]采用立方体和半梁式拉拔试件对光圆钢筋与轻骨料混凝土在侧向压力作用下的粘结性能进行了研究.试验发现，侧向压力越大，粘结强度的增加越明显.Xu等[5]对不同侧向压力作用下光圆钢筋的粘结性能进行了系统研究.研究表明，随着侧压的增加，粘结强度、残余强度以及粘结刚度随之增加，但最大粘结应力对应的滑移首先急剧降低，然后随着侧压的增加而逐渐上升.

钢筋混凝土结构在服役期间，不可避免地受到加载速率的影响.由于混凝土材料是一种率敏感材料，其力学性能随着加载速率的变化而发生改变，而钢筋与混凝土间的粘结性能又与混凝土的强度密切相关.因此，有必要对加载速率对钢筋与混凝土间的粘结性能的影响进行研究.对于变形钢筋，加载速率越大，粘结强度和残余强度也越大.Hjorth[6]发现，光圆钢筋的粘结强度和加载速率无关.Vos[7]利用霍普金森杆研究了冲击荷载下光圆钢筋的粘结性能，得到了相同的结论.Mo等[8]发现虽然光圆钢筋的粘结强度不随加载速率变化，但是峰值粘结应力对应的滑移量随着加载速率的增加而增大.

在梁的支座或梁柱节点处，与光圆钢筋相粘结的混凝土内部受到侧向压力的影响.现有研究有关侧向压力对光圆钢筋与混凝土粘结性能的影响集中在准静态加载情况下，对在侧向压力作用下动荷载对钢筋与混凝土粘结性能的影响还未见报道.因此，本文采用试验手段，研究了加载速率对不同单侧压作用下光圆钢筋与混凝土的粘结性能的影响，分析了加载速率和侧向应力对粘结参数的影响，从而为动荷载作用下钢筋与混凝土的粘结锚固提供试验和理论参考.

1 试验概况

1.1 试件制备

试件见图1，钢筋置埋于试件的中心，粘结长度为5倍钢筋直径.钢筋两端的非粘结段用PVC管包裹，以隔离钢筋与混凝土，保证粘结段的长度.所有拉拔试件都采用特制钢模浇筑成型.在浇筑前，钢筋水平放置并利用夹具将其固定在模的中心位置，检查夹具无松动后开始浇筑混凝土.待混凝土浇筑完毕，振捣密实后，在试件表面覆盖一层聚氯乙烯薄膜以防止水分蒸发.试件静置于成型室24 h后脱模，随后在标准养护室内养护28 d后置于实验室中直至进行试验.

图1 光圆钢筋拉拔试件

为了了解侧向压力对更高强度混凝土与钢筋粘结性能的影响，本文采用设计强度为C50的混凝土，其配合比(质量比)水泥∶水∶砂∶粗骨料=1∶0.38∶0.99∶2.31.钢筋采用直径为16 mm的普通光圆钢筋，钢筋的屈服强度为310 MPa，弹性模量为210 GPa.

1.2 试验装置

本次试验在改装后的静动力电液伺服三轴试验机上完成.该试验机包含一个竖向和两个水平方向三个独立的轴，每个轴均能提供2 500 kN的最大压力，1 000 kN的最大拉力.采用与竖轴相连最大量程为50 kN的荷载传感器来记录拉拔力，在试件的加载端和自由端分别布置两支精度为0.001 mm，量程为20 mm的LVDT来测量钢筋与混凝土的相对滑移.数据通过imc采集系统进行采集，采集频率随着加载速率的增加而提升.试验中，水平轴施加侧向压力，竖轴施加竖向拉拔力.当试件在反力架内安装好后，水平轴施加侧向压力.待侧压达到需要的应力水平并保持稳定后，开始进行拉拔试验.拉拔力采用位移控制的方式进行施加，由于试验机的限制，本试验主要考虑了0.01,0.1,1，5 mm/s 4种加载速率，取0.01 mm/s为准静态加载速率v0.在施加侧向压力前，试件和加载板间放入由两层聚氯乙烯薄膜和一层黄油组成的减摩片以消除加载板对试件的约束作用，侧向压力主要考虑了0.0fcu，0.2fcu和0.4fcu3种，并且只有0.4fcu考虑了加载速率5 mm/s的影响，其中fcu为边长为150 mm×150 mm×150 mm立方体的单轴抗压强度，以上每个受力组合均含有3个试件，共计30个试件，具体的试验组合见表1，表中所列粘结参数均为3个试件的平均值.

表1 拉拔试件试验结果汇总

2 试验结果及分析

2.1 粘结滑移曲线

在不同的侧向压力和加载速率下，所有的试件均为拔出破坏，混凝土内没有发现裂缝.为了分析粘结滑移曲线随侧压和加载速率的变化，本文取加载端和自由端的平均滑移量作为滑移量，粘结段上的平均应力作为粘结力，即：

(1)

(2)

式中：s为平均滑移量；sl为加载端的平均滑移量；sf为自由端的平均滑移量；τ为粘结应力；F为拉拔力；d为钢筋直径；l为粘结长度.对所测数据进行如上处理后，即得到粘结滑移曲线，见图2.

图2 无侧向应力下的粘结滑移曲线

由图2可见，当无侧向压力并且其他条件一定时，光圆钢筋与混凝土在不同加载速率下的粘结滑移本构关系可以用一个公式进行表征.

图3所示为在不同加载速率和侧向压力下试件的粘结滑移曲线.由图3可见，当有侧向压力作用时，粘结应力随滑移量线性增长，直至达到最大粘结应力，随后迅速下降至残余强度.侧压越大，加载速率越高，曲线所覆盖的面积也越大，试件的耗能能力也越大.由此表明侧压对光圆钢筋与混凝土间的粘结性能和破坏机理有很大影响.当侧向压力一定时，随着加载速率的增加，tu，s0，tr以及粘结刚度均发生很大的改变.因此有必要对各粘结参数进行讨论.

图3 在不同加载速率和侧向压力下试件的粘结滑移曲线

2.2 粘结强度

图4 加载速率与粘结强度的关系

2.3 粘结强度对应滑移量及粘结刚度

由表1可知，当无侧向压力时，随着加载速率的增加，s0保持不变.可见峰值应力对应滑移量与加载速率无关.当侧向压力施加以后，见图5，s0迅速下降，随后又随着侧压的增加而缓慢上升.随着加载速率的增大，s0逐渐下降，加载速率越大，下降幅度越显著.

图5 加载速率与粘结强度对应滑移量的关系

若上升段曲线的粘结刚度记为k=tu/s0，由表1可知，尽管有很大的离散性，但当v=0.01 mm/s时，平均粘结刚度不随侧压应力的增长而发生变化.然而在侧向压力一定时，粘结刚度随着加载速率的提高逐渐上升.侧向压力越大，加载速率越高粘结刚度上升的比例也就越大.

2.4 残余强度

随着滑移量的不断增加，粘结强度逐渐下降至一个定值，即为残余强度tr.为了便于研究，本文采用残余强度和粘结强度的比值，即kr=tr/tu来研究残余强度的变化趋势.由表1可知，当无侧向压力时，kr与加载速率无关，在0.79左右.当侧向压力施加后，见图6，kr基本与侧向应力的水平和加载速率无关，也即侧向压力和加载速率对kr无影响.经统计，kr的平均值约为0.57.所以，可以认为，残余强度与极限粘结强度在不同侧压和加载速率下变化趋势一致，均是由于摩擦阻力受到了加载速率和侧压的影响.

图6 加载速率与残余强度的关系

3 结 论

1) 侧向压力直接关系到加载速率对光圆钢筋与混凝土粘结性能的影响.当无侧向压力时，粘结性能与加载速率无关.当有侧向压力作用时，侧压越大，加载速率对粘结参数的影响越显著.

2) 当侧向压力一定时，随着加载速率的增大，粘结强度、残余强度以及粘结刚度也随之增加，并且粘结强度和残余强度增加的程度相同.

3) 当加载速率一定时，侧向压力越大，粘结强度对应的滑移量也越大.当侧压一定时，加载速率越大，粘结强度对应的滑移量越小.

[1]BALDWIN M I，CLARK L A.The assessment of reinforcing bars with inadequate anchorage[J].Magazine of Concrete Research,1995,47(171):95-102.

[2]FELDMAN L R，BARTLETT F M.Bond stresses along plain steel reinforcing bars in pullout specimens[J].ACI Structural Journal,2007,104(6):685-692.

[3]ROBINS P J，STANDISH I G.The effect of lateral pressure on the bond of round reinforcing bars in concrete[J].International Journal of Adhesion and Adhesives,1982,2(2):129-133.

[4]ROBINS P J，STANDISH I G.The influence of lateral pressure upon anchorage bond [J]. Magazine of Concrete Research,1984,36(129):195-202.

[5]XU F, WU Z M,ZHENG J J，et al.Bond behavior of plain round bars in concrete under complex lateral pressures[J].ACI Structural Journal,2014,111(1): 15-25.

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[7]VOS E.Influence of loading rate and radial pressure on bond in reinforced concrete[D].Delft:Delft University of Technology, Netherlands,1983.

[8]MO Y L，CHAN J.Bond and slip of plain rebars in concrete[J].Journal of Materials in Civil Engineering,1996,8(4):208-211.

Effect of Loading Rate on the Bond Behavior Between Plain Round Bars and Concrete Under Lateral Pressure

LI Xinxin WU Zhimin

(StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineeringDalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

In order to study the influence of loading rate on the bond behavior between plain round bars and concrete under lateral pressure,a total of 30 pull-out specimens were tested to investigate the effect of the loading rate on the bond slip curves and bond parameters.The experimental results showed that the influence of loading rate on bond behavior depending upon the value of lateral pressure.When no lateral pressure is applied,the bond behavior is insensitive to the loading rate.However,for a given lateral pressure,the ultimate and residual bond strengths increase but the slip at the peak bond stress decreases with the increase of the loading rate.

bond slip;plain round bar;loading rate;lateral pressure

2015-02-07

*国家自然科学基金项目资助(批准号：51278082)

TU375

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.03.021

李鑫鑫(1985- )：男，博士生，主要研究领域为钢筋混凝土的粘结性能