钢筋黏结性能对钢筋混凝土梁抗剪性能影响

杨 成,张瀚引,熊 文,薛 昕

(厦门大学建筑与土木工程学院,福建厦门361005)

钢筋黏结性能对钢筋混凝土梁抗剪性能影响

杨 成,张瀚引,熊 文,薛 昕*

(厦门大学建筑与土木工程学院,福建厦门361005)

和传统钢筋相比,广泛应用于耐腐蚀工程中的表面涂层加工钢筋的黏结性能必然会发生变化,由此产生的对钢筋混凝土(以下简称RC)梁构件的承载机制和破坏模式的影响还未被揭示.另外,还存在由于箍筋锈蚀引起的黏结退化对RC梁的抗剪性能的影响,以及以往的研究存在的分歧.鉴于此,通过实验就表面涂层纵向受拉钢筋的黏结性能变化以及不同形式箍筋的黏结退化对RC梁的抗剪性能的影响展开研究.研究结果表明:表面涂层加工纵向受拉钢筋的黏结性能的变化基本上对RC梁的承载机制、破坏模式以及承载力等承载性能不产生影响;箍筋形式以及其黏结退化与否对RC梁的承载力影响不大,但相对于开口型箍筋,闭合型箍筋对斜裂缝开口变化有更好的约束作用.

黏结性能;表面涂层钢筋;抗剪性能;破坏形态

近年来,具有良好耐腐蚀性的表面涂层钢筋被广泛用于耐腐蚀结构中.常见的表面涂层钢筋有环氧树脂涂层钢筋、镀锌钢筋和复合涂层钢筋.由于上述钢筋是在钢材表层涂覆环氧树脂、锌等材料,与普通钢筋相比其黏结性能必然会发生变化[1].钢筋和混凝土之间的黏结性能直接关系到钢筋和混凝土之间的协同工作能力,进而影响到钢筋混凝土(RC)构件的承载机制和破坏模式,所以在使用表面涂层钢筋时,应从其黏结性能的变化对RC构件承载性能的影响进行合理的评价.关于环氧树脂涂层钢筋的黏结性能,有研究[2-3]表明其黏结强度对涂层厚度很敏感,黏结强度与普通钢筋差别较大;而有的研究[4-6]则认为其黏结强度与普通钢筋差别不大,通过实验得到的2种钢筋的黏结强度基本一致.以往的研究主要集中在表面涂层钢筋黏结性能等材料层面,而对于其黏结性能变化对承载机制和破坏模式等结构性能影响的研究较少,因此有必要对其进行深入探讨.

钢筋锈蚀可能引起以下3种现象:钢筋断面减小;混凝土中锈胀裂缝出现;钢筋和混凝土之间的黏结性能退化.在相同锈蚀程度下,钢筋与混凝土间黏结性能所受的影响更为明显.关于箍筋锈蚀,以往的研究在“箍筋锈蚀引起的黏结退化是否会影响到RC梁的抗剪性能”这一问题上存在分歧.有研究指出箍筋锈蚀引起的黏结退化降低了箍筋的斜裂缝抑制效果,从而导致混凝土承担剪力的下降[7-8];然而,也有研究通过对锈蚀梁承载过程中斜裂缝的变化进行分析,认为箍筋锈蚀对混凝土承担剪力没有太大影响[9-10].另外,笠松等[11]对人工环境锈蚀RC梁进行的调查结果也表明,只要箍筋不发生锚固破坏,箍筋的锈蚀对梁的承载机制几乎没有影响.我们推测引起上述分歧的原因之一可能是箍筋加工形式的影响,需要通过实验进行进一步验证.

基于以上背景,本研究采用人工模拟箍筋黏结退化的方法,通过实验对表面涂层纵向受拉钢筋的黏结性能变化以及不同加工形式箍筋的黏结退化对RC梁的抗剪性能的影响展开深入研究.

1 实验概况

1.1试件概况

实验梁试件总数为11根,根据剪跨比可分为长梁B3.0系列和短梁B1.5系列.2个系列中各有1根使用普通钢筋的标准梁用于参照对比.试件几何尺寸、配筋情况参照图1和表1,图1中,D表示钢筋直径,l表示试件剪跨长度.梁的截面尺寸均为160 mm×250 mm,截面有效高度为235 mm.纵向受拉钢筋采用直径22 mm的HRB400级螺纹钢筋,根据表面有无涂层分为无涂层的普通钢筋和厦门新钢金属有限公司提供的表面涂层钢筋.根据钢筋表面的涂覆材料,将涂层钢筋分为环氧树脂钢筋、镀锌钢筋以及复合涂层钢筋,环氧树脂钢筋涂层厚度在180～300μm内,镀锌钢筋涂层厚度大于70μm,复合涂层钢筋的涂层厚度介于175～400μm之间.环氧树脂钢筋的黏结强度略低于普通钢筋(根据国家标准[12]应大于85%的普通钢筋黏结强度);镀锌钢筋表面布满细微金属颗粒,较为粗糙,可以推定其与混凝土的黏结强度应不小于普通钢筋;由于复合涂层钢筋是在镀锌钢筋的表面再涂覆环氧树脂,肋纹的高度降低且表面变得光滑,所以其黏结强度应为最低.受压区架立筋采用直径16 mm的HPB235级光圆钢筋,箍筋采用直径6 mm的HPB235级光圆钢筋,配筋间距为100 mm,箍筋形状分为开口型和闭口型2种.B3.0-sa梁和B3.0-sb梁剪跨区内分别使用闭合箍筋和开口箍筋并且都进行了黏结失效处理.B3.0-sc梁左侧剪跨区内使用开口箍筋,右侧剪跨区内使用闭合箍筋但均未进行黏结失效处理.混凝土的设计抗压强度为40 N/mm2.对箍筋的黏结失效模拟采用如下人工模拟方法:按照设计图纸,对中跨内箍筋包裹玻璃纸,在混凝土浇筑前还要在表面涂润滑机油以达到大幅降低箍筋与混凝土之间黏结强度的效果.黏结失效模拟对象为剪跨区内所有箍筋.为了测定箍筋在加载过程中的应变变化以及最终的屈服状态,在剪跨区内可能与受剪斜裂缝相交的箍筋竖向两侧粘贴电阻应变片进行加载过程的应变实时测定.

图1　试件配筋图(a)和参数(b)(单位:mm)Fig.1 Reinforcement details(a)and geometry of specimens(b)(unit:mm)

1.2加载方案

如图2(a)所示,本研究采用跨中加载的三点加载方式.加载过程中采用0.3 mm/min的位移控制,峰值点过后荷载下降幅度超过最大荷载的10%时即停止加载.在加载过程对荷载值、挠度值(通过沿跨长布置的6个位移计,参照图2(a))、箍筋应变值(通过箍筋应变片,布置位置参照图2(b)和图2(c))进行连续实时监测.另外,每间隔一定的时间再对受弯裂缝和受剪裂缝的变化进行测定.

表1　试件设计参数表Tab.1 Details of specimens

图2　加载实验布置图Fig.2 Layout of loading test

2 长梁实验结果及分析

长梁加载实验结果如表2所示.

表2　长梁加载实验结果Tab.2 Loading results of long specimens

2.1不同纵向受拉钢筋影响比较分析

图3为采用不同种类纵向受拉钢筋RC梁的荷载-挠度曲线以及各个梁破坏时的裂缝分布图.可以看出,图中表示的梁除了B3.0-lc梁以外均发生了由于加载板附近混凝土压溃导致构件承载力丧失的剪压破坏.在加载过程中各实验梁的刚度相差不大,斜裂缝出现后,B3.0-la梁、B3.0-lb梁和B3.0-lc梁甚至表现出比基准梁更高的刚度.进入破坏以后,B3.0-la梁破坏时表现出脆性;B3.0-lb梁的平滑段拉得较长,表现出较好的延性;B3.0-lc的平滑段拉得很长,荷载下降很慢,对照其破坏裂缝图发现,B3.0-lc破坏时出现多条明显的受弯裂缝,跨中的一条主要受弯裂缝甚至从梁底一直延伸到顶部,但同时主斜裂缝也延伸到承载板附近,最终都使受压区混凝土发生压溃后梁失去承载能力.由于没有测定纵向受拉钢筋的应变举动,所以初步断定B3.0-lc梁发生了剪压破坏,但是不能否认有发生受弯破坏的可能性.从破坏时的裂缝分布图来看,使用表面涂层钢筋梁的主斜裂缝的发生位置以及倾角和使用普通钢筋的标准梁基本一致.加载过程中观察实验梁裂缝变化情况,发现使用表面涂层加工钢筋的梁的斜裂缝开口进展状况和基准梁基本一致,所以可以认为表面涂层加工钢筋的使用对混凝土承担剪力基本不造成影响.

图4表示实验梁的箍筋屈服位置,箍筋测点布置参照图2(c).由于箍筋测点较多,这里只列出了B3.0-la梁的箍筋应变测量情况,如图5所示.B3.0-la梁中超过箍筋屈服分界线的③,⑥,⑧,⑩号箍筋最终达到屈服,④,⑤,⑨号位置的测点失效,从周边箍筋的屈服状况来看,可以推测上述位置的箍筋最终也进入屈服状态.从箍筋屈服位置来看,B3.0-la梁、B3.0-lb梁、B3.0-lc梁与基准梁箍筋屈服位置相差不大.对照图3中的裂缝图可知,屈服箍筋的位置和斜裂缝分布基本一致.从箍筋的屈服状况可以看出,表面涂层钢筋的使用对箍筋屈服位置和根数影响不大,根据修正桁架理论[13],可以推定箍筋承担剪力和基准梁基本一致.

综合以上分析,可得出以下结论:RC梁中的纵向受拉钢筋为表面涂层钢筋时,虽然表面涂层钢筋的黏结强度和普通钢筋相比稍有变化,但主要斜裂缝的发生位置和倾角,以及加载过程中的裂缝开口变化和基准梁相比基本不变,由此推定RC梁的承载机制和抗剪承载力与基准梁基本相同.

图3　不同纵向受拉钢筋长梁的荷载-挠度曲线Fig.3 Load-deflection relationship of long specimens with different longitudinal bar

图4　不同纵向受拉钢筋长梁的箍筋屈服位置Fig.4 Yield position of stirrups in long specimens with different longitudinal bar

2.2箍筋形状以及箍筋黏结性能的影响分析

图6表示了基准梁和实验梁的荷载-挠度曲线.从图中可以看出,经过箍筋黏结失效处理的B3.0-sa梁和B3.0-sb梁到破坏为止的整体刚度都略低于基准梁.另外,B3.0-sa梁的承载力和基准梁相比稍有降低, B3.0-sb梁的承载力更接近于基准梁,但峰值后承载力下降更为剧烈,显示出明显的脆性破坏.经过无黏结失效处理,发现左右剪跨区分别采用开口箍筋和闭合箍筋的B3.0-sc梁的刚度明显比其他梁小,但最大荷载接近于基准梁.可见B3.0-sc梁的破坏发生在配置开口型箍筋的左侧剪跨区.从主裂缝性状来看,B3.0-sc梁的裂缝分布状况以及主斜裂缝分布位置和倾角接近于基准梁,但经过黏结失效处理的B3.0-sa梁和B3.0-sb梁除了斜裂缝总数和基准梁相比相对较少以外,主斜裂缝发生位置还稍向加载点靠近,这在剪跨区内配置开口型箍筋的B3.0-sb梁中尤为明显.研究认为总斜裂缝数的减少主要是由箍筋的黏结退化引起.

图5　B3.0-la梁荷载-箍筋应变曲线Fig.5 Load-stirrups strain of B3.0-la

图6　不同箍筋长梁的荷载-挠度曲线Fig.6 Load-deflection relationship of long specimens with different stirrups

实验梁的箍筋屈服位置如图7所示.从图中可知, 4根实验梁的箍筋屈服位置基本相同,B3.0-sb、B3.0-sc梁的箍筋屈服范围稍向跨中扩展.由此可知,虽然B3.0-sa梁和B3.0-sb梁主斜裂缝发生的位置及倾角出现变化,但屈服箍筋的数量和位置和基准梁基本一致.说明即使是发生了黏结退化的开口型箍筋,其端部的弯钩在加载过程中与混凝土之间仍保持了较好的锚固作用,起到和闭合型箍筋相同的效果,所以最终箍筋都进入屈服状态.

图8是实验梁的主斜裂缝开口变化图.从图中可知,对于箍筋无黏结失效处理的基准梁和B3.0-sc梁,两者的主斜裂缝开口变化基本相同.与此相比,箍筋经过黏结失效处理的B3.0-sa梁和B3.0-sb梁的主斜裂缝的开口变化更为迅速,特别是采用开口型箍筋的B3.0-sb梁,主斜裂缝出现较早,且在整个加载过程中都保持较高的裂缝开口变化速度.上述结果表明,箍筋黏结失效会导致对斜裂缝发展的限制作用减弱,斜裂缝开口变化加速;和闭合型箍筋相比,开口型箍筋黏结退化导致的对斜裂缝开口变化的限制作用减弱更为明显.

图7　不同箍筋长梁的箍筋屈服位置Fig.7 Yield position of stirrups in long specimens with different stirrups

图8　不同箍筋长梁的裂缝变化曲线Fig.8 Crack opening behavior of long specimens with different stirrups

综合以上分析可以得出结论:虽然箍筋黏结失效会对斜裂缝总数、主斜裂缝发生位置和倾角以及开口变化速度产生一定的影响,但对抗剪承载机制以及抗剪承载力的影响不大.开口型箍筋和闭口型箍筋对RC梁抗剪性能的影响主要表现在峰值后的举动:闭口型箍筋RC梁峰值后时具有较好的延性,而开口型箍筋RC梁破坏时呈相对脆性.

3 短梁实验结果以及分析

短梁共4根实验梁,实验加载结果如表3所示.

表3　短梁加载实验结果Tab.3 Loading results of short specimens

图9表示了4根实验梁的荷载-挠度曲线.从曲线和裂缝图可以看出,4根梁都发生了剪压破坏,且直至试件破坏之前,4根梁的整体刚度基本无区别.达到最大荷载之后,4根梁的荷载-挠度曲线都急剧下降,显示出明显的脆性破坏特征,但其抗剪承载力呈现强弱分别.基准梁和B1.5-la梁(使用环氧树脂镀膜钢筋)的抗剪承载力较高,但B1.5-lb梁和B1.5-lc梁的承载力较低.和基准梁相比,纵向受拉钢筋使用镀锌钢筋的梁的承载力下降幅度甚至达到13%.镀锌钢筋的黏结强度不低于普通钢筋,理应不会对承载力造成减小的影响,出现上述结果的原因目前还无法确定,需要进一步的研究探讨.

图9 短梁荷载-挠度曲线Fig.9 Load-deflection relationship of short specimens

图10表示短梁箍筋屈服位置,箍筋测点布置参照图2(b).结合图10中的裂缝分布图来看,B1.5-la、B1.5-lb梁的主斜裂缝发生位置以及分布和基准梁几乎一致,而B1.5-lc梁的主斜裂缝位置稍向加载点迁移,但主斜裂缝的小幅移动并未反映到箍筋屈服位置上.使用表面加工钢筋试件的箍筋屈服位置和基准梁一致.根据以上结果,得出和长梁相同的结论,即表面处理钢筋的使用并不影响到梁的抗剪承载机制.

图10　短梁箍筋屈服位置Fig.10 Yield position of stirrups in short specimens

4 结 论

本研究通过实验对表面涂层纵向受拉钢筋的黏结性能变化以及不同形式箍筋的黏结退化对RC梁的抗剪性能的影响展开研究,得到以下结论:

1)无论长梁和短梁,环氧树脂钢筋、镀锌钢筋以及复合涂层钢筋的使用对RC梁的荷载-挠度关系、最终承载力以及构件破坏形态等承载性能没有太大的影响.可以推测这是由于钢筋表面处理导致的纵向受拉钢筋黏结性能的整体小幅度变化对RC梁的抗剪性能影响不大.

2)箍筋黏结退化导致斜裂缝数量减少,斜裂缝发展加速,这在箍筋形式为开口型时尤为明显.但在本研究的范围内,无论是开口型箍筋还是闭口型箍筋,只要锚固端在承载过程中没有失效,最终箍筋都会达到屈服,黏结退化对抗剪承载力影响都不大.

3)箍筋形式对斜裂缝的变化会产生一定的影响,相对于开口型箍筋,闭合性箍筋对斜裂缝变化有更好的限制作用,但只要锚固端在承载过程中没有失效,则箍筋形式对梁的最终承载力影响不大.

致谢:本研究中使用的表面涂层加工钢筋由厦门新钢金属制品有限公司提供,在此表示衷心的感谢!

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Effect of Bond Performance on Shear Behaviors of Reinforced Concrete Beams

YANG Cheng,ZHANG Hanyin,XIONG Wen,XUE Xin*

(School of Architecture and Civil Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

In recent years,surface-coated steel bars have been widely used in reinforced concrete(RC)structures under corrosion environments.Their bond performance is different from that of the conventional steel bars,but the effect on the structural performance of RC members has not been clarified yet.In addition,published studies have expressed different opinions on the effect of the bond deterioration on the shear performance of RC beams.This study carries out an experimental investigation on the effect of surface coated longitudinal tension bars and the bond deterioration of stirrups with different types on shear behaviors of RC beams.Test results indicate that RC beams with different surface-coated reinforcement show little difference in shear behaviors from control beams using the conventional reinforcement.The bond strength and the type of stirrups exert little influence on shear capacity of RC beams.However, comparing with opened-type stirrups,closed-type stirrups impose a better restriction on the development of diagonal cracks.

bond performance;surface coated reinforcement;shear behavior;failure mode

TU 375.1

A

0438-0479(2016)06-0906-06

10.6043/j.issn.0438-0479.201602022

2016-02-10 录用日期:2016-04-11

福建省自然科学基金(2013J01207)

xuexin@xmu.edu.cn

杨成,张瀚引,熊文,等.钢筋黏结性能对钢筋混凝土梁抗剪性能影响[J].厦门大学学报(自然科学版),2016,55(6): 906-911.

YANG C,ZHANG H Y,XIONG W,et al.Effect of bond performance on the shear behavior of reinfoced concrete beams [J].Journal of Xiamen University(Natural Science),2016,55(6):906-911.(in Chinese)