高温后反复荷载下钢筋与混凝土粘结性能试验研究

刘桂荣, 张华岳, 王亚宇, 薛宇峰

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

高温后反复荷载下钢筋与混凝土粘结性能试验研究

刘桂荣, 张华岳, 王亚宇, 薛宇峰

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

为了研究高温后反复荷载作用下钢筋与混凝土之间的粘结退化性能,对15个遭受高温作用后的混凝土粘结试件进行了反复荷载作用下的加载试验。结果表明:由于纵向受力钢筋受箍筋约束,高温后的试件均发生主筋拔出破坏;高温后钢筋与混凝土的粘结强度随着温度升高而逐渐降低,过火温度为700 ℃的试块,其粘结强度比常温降低了65%左右;反复荷载作用下,反向加载时钢筋与混凝土的粘结强度比正向加载时降低了约15%。最后,通过试验数据的回归分析,给出了温度对高温后钢筋与混凝土粘结强度影响的回归公式,并考虑高温作用，给出了反复荷载作用下钢筋与混凝土粘结强度的衰减系数。

反复荷载;高温;粘结滑移;箍筋

研究表明,钢筋与混凝土之间的粘结作用是影响钢筋混凝土结构的承载能力和使用性能的重要因素之一[1]。钢筋混凝土建筑结构遭受高温作用后,例如建筑火灾,由于混凝土吸水膨胀,钢筋收缩,二者之间的摩擦力和咬合力减小,使得高温后钢筋和混凝土的粘结强度较常温下明显降低[2-3]。目前,国内外学者针对高温后单调荷载作用下钢筋与混凝土的粘结性能展开了研究，主要考虑了混凝土保护层、升温速率、温度等级及混凝土强度等影响因素对高温后二者粘结性能的影响[4-8]。

抗震设防区的钢筋混凝土结构在经历火灾作用以后,还有可能进一步遭受地震作用,而钢筋混凝土结构在地震荷载下的变形性能与钢筋、混凝土之间的粘结性能密切相关[9]。已有研究发现,常温下反复加载时钢筋与混凝土的粘结性能与单调加载时有着本质的区别:与单调加载相比,在反复荷载作用下,粘结性能表现出明显的退化性[10-11]。文献检索表明,针对反复荷载作用下高温后钢筋与混凝土之间的粘结滑移研究极少。因此,针对高温后反复荷载作用下钢筋与混凝土粘结性能的研究亟待加强。

本文进行了高温后反复荷载作用下钢筋与混凝土之间的粘结滑移关系试验研究,期望为火灾后钢筋混凝土构件及结构的抗震性能力学分析提供研究基础。

1 试验概况

1.1 试件

考虑5种温度等级(20、100、300、500、700 ℃)制作粘结试件,每组试件3个。试件尺寸和配筋如图1所示。

图1 试件的尺寸及配筋(单位:mm)

试件横截面尺寸为150 mm×150 mm。中心放置直径为16 mm的HRB400钢筋；为考虑实际构件中箍筋约束的影响,在试件中部布置间距为40 mm的2道箍筋,箍筋选用直径6.5 mm的HPB300钢筋；混凝土保护层厚20 mm。试件粘结段长度为5d(其中d为纵向钢筋的直径),即80 mm。为消除加载时试件端部应力集中的影响,钢筋两端各80 mm的长度为非粘结段。

浇筑试件用的混凝土配合比(水泥∶水∶砂∶石子)为1.00∶0.46∶1.29∶1.93。水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥;细骨料选用石灰岩质岩石破碎机制砂,细度模数为3.82;粗骨料采用5～20 mm连续粒级的碎石,堆积密度为1 680.4 kg/m3;减水剂采用焦作市协力建材有限公司生产的TX-102缓凝减水剂,减水剂掺量相对于水泥质量的百分含量为0.2%,设计坍落度为150 mm。同时浇筑边长为150 mm的立方体伴随试块,测量立方体抗压强度。

试验所用的直径16.0 mm带肋钢筋的屈服强度和极限强度分别为473.86、639.07 MPa;直径6.5 mm光圆钢筋的屈服强度和极限强度分别为445.96、638.46 MPa。

1.2 高温加热过程

粘结试件采用高温炉进行加热,加热速率设置为20 ℃/min,每次放入1组(3个试件)。由于混凝土是热惰性材料,内部温度上升缓慢,为了使混凝土内部温度达到预设温度,炉内温度升至预设温度后恒温6 h[8],然后将试件取出在空气中自然冷却。

反复荷载的施加采用先荷载后位移控制的方法。荷载控制以10 kN为基准逐级施加,循环1次。

当发现有明显的滑移或滑移量达到2 mm时,采用滑移量控制。滑移量控制回载点即控制加荷端滑移值,分别为2、4、6、8 mm。每个位移值下循环3次,直至破坏。加载过程中,通过数据采集系统测量加载端荷载、钢筋自由端滑移量等。

2 试验结果与分析

2.1 破坏形态

变形钢筋的锚固破坏一般为粘结滑移破坏和劈裂破坏两种形式。本试验由于试件内配置两道箍筋,对混凝土产生了约束作用,试件破坏时主筋从混凝土中拔出,试件表面无新的裂缝产生,属于粘结滑移破坏。试件破坏后的形态如图2所示。

图2 粘结滑移破坏

2.2 粘结应力-滑移量滞回曲线

通过反复加载试验,可得到不同温度下的粘结应力-滑移量滞回曲线,部分曲线如图3所示。

图3 不同温度下的粘结应力-滑移量滞回曲线

由图3可知:在荷载控制阶段,开始加荷后,随着荷载的增加, 粘结应力-滑移量曲线一直上升,达到荷载控制点后,卸载至零,这时由于钢筋应力的弹性回缩,滑移部分恢复,其数值减小。但由于钢筋与混凝土之间的反向摩阻力作用,滑移未能完全恢复,完全卸载后仍有残余滑移存在。反向施加荷载,摩阻力逐渐被克服,粘结应力基本不变,滑移恢复,粘结刚度接近于零,形成了滞回曲线的水平段,即滞回曲线的“捏拢”现象。当滑移接近为零时,钢筋横肋与混凝土重新接触,粘结应力上升,达到荷载控制点后,卸载至零。如此反复加载,试件发生明显的粘结滑移或者粘结滑移达到2 mm后,改为滑移量控制,回载点是控制加荷端滑移值为2 mm的整数倍,每一回载点下反复3次。同一控制滑移量下,粘结应力-滑移量曲线的变化规律与荷载控制阶段相似。不同的是:在滑移量控制阶段,正向加载时的最大粘结应力超过了劈裂粘结强度,反向加载时粘结试件的粘结刚度、强度显著退化,同一控制滑移量值下,反向加载的最大粘结应力小于正向加载时的最大粘结应力。反复加载使钢筋混凝土界面颗粒磨细,咬合齿破碎,粘结应力显著退化。对于同一滑移量,试件第2次的粘结应力下降幅度最大,随后下降幅度减小。

比较高温后不同温度等级试块的粘结应力-滑移量滞回曲线发现:温度对粘结应力-滑移量滞回曲线的变化规律影响不大。但是,温度对极限粘结应力和滞回圈数的影响较大:随着温度的升高,极限粘结应力降低,特别是500 ℃以后,在相同滑移量的情况下试块的粘结应力明显降低;随着温度升高,粘结试件的滞回圈数减少,特别是500 ℃以后,试件破坏之前经历的滞回圈数明显减少。

2.3 温度对粘结强度的影响

表1 各试件的试验结果

图4 极限粘结强度与温度的关系

(1)

式中:τ0为常温下钢筋混凝土的粘结强度,MPa;kT为温度影响系数，本次试验通过回归计算得到的φ16带肋钢筋温度影响系数kT=0.003 5T;T为温度,℃。

2.4 粘结强度的衰减

反复荷载作用下,粘结强度的退化取决于滑移量的大小和加载循环次数。当试件达到极限粘结强度后,第2次加载到相同滑移量时,粘结强度降低较大,随后的循环降低幅度有所减小。定义在某一特定滑移量下粘结强度衰减系数(kn)为:

kn=τn/τ1。

(2)

式中:τ1为某加载控制滑移量下第1次循环的粘结应力,MPa;τn为某加载控制滑移量下第n次循环的粘结应力,MPa。

利用式(2)可计算出不同温度下各构件的粘结强度衰减系数。经分析发现,kn与循环次数n基本符合幂函数关系,本文取简化形式为:

kn=nα。

(3)

式中:n为循环次数;α为影响系数,对本次试验不同高温作用后有箍筋约束的钢筋与混凝土粘结强度衰减系数进行回归计算,得α=-0.000 7T-0.801 8。

3 结语

1)由于箍筋的约束作用,高温后钢筋混凝土粘结试件表面未产生新裂缝,均发生了粘结滑移破坏。

2)反复荷载作用下,由于正向加载时的最大粘结应力超过了劈裂粘结强度,高温后钢筋与混凝土反向加载粘结强度比正向加载时降低了15%左右。

3)高温作用降低了钢筋与混凝土之间的粘结强度。700 ℃高温作用后,钢筋与混凝土极限粘结强度下降了65%左右。在试验研究的基础上,通过分析给出了高温后极限粘结强度的计算公式。

4)反复荷载导致钢筋与混凝土粘结强度退化,在相同的控制滑移量下,随着循环次数增加,粘结强度衰减系数可以采用幂函数表示。考虑高温的影响,给出了影响系数的取值。

[10]章萍.反复荷载下钢筋与高性能混凝土粘结本构关系的试验研究[D].上海:同济大学,2003.

[11]ALAVI-FARD M,MARZOUK H.Bond behavior of high strength concrete under reversed pull-out cyclic loading[J].Canadian Journal of Civil Engineering,2002,29(2):191-200.

(责任编辑：陈海涛)

Research on Post-high-temperature Bond Property between Steel and Concrete under Cyclic Loading

LIU Guirong, ZHANG Huayue, WANG Yayu, XUE Yufeng

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

In order to investigate the bond deterioration between steel and concrete after high temperature under cyclic loading, experiments were carried out on 15 specimens with stirrups after high temperatures under cyclic loading. The results revealed that pullout failure of the main-reinforcement was found on all the tested specimens due to the confinement of stirrups for the longitudinal reinforcement; residual bond strength between steel bars and concrete showed a decrease trend with an increase of temperatures; the specimens exposed to 700 ℃ suffered a bond strength loss of approximately 65%; the bond strength between steel and concrete under reverse loading reduced by 15% from the positive loading level. On the basis of a regression analysis about the experimental data, a regression formula of temperature and bond strength between steel and concrete was proposed, and in consideration of high temperature effect, a degradation parameter was obtained to indicate the reduction of the maximum bond stress under the cyclic loading.

cyclic loading; high temperature; bond slip; stirrup

2016-12-27

国家自然科学基金项目(51308213)。

刘桂荣(1979—),女,河南安阳人,副教授,博士,从事混凝土结构高温性能及抗震性能方面的研究。E-mail:liugr@ncwu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.04.012

TV332；TU528.571

A

1002-5634(2017)04-0084-04