基于梁式与拉拔试验方法的钢筋与轻骨料混凝土黏结性能比较

杨守奇，杨念旭，张 哲

(1.中智汽达(洛阳)监理有限公司，河南 洛阳 471000；2. 河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000)

基于梁式与拉拔试验方法的钢筋与轻骨料混凝土黏结性能比较

杨守奇1，杨念旭2，张 哲2

(1.中智汽达(洛阳)监理有限公司，河南 洛阳 471000；2. 河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000)

为探讨拉拔试验和梁式试验的优缺点，通过拉拔和梁式试验得到F-S、τ-S、W-S曲线进行对比分析，发现拉拔试验更适用于实验室测试，梁式试验更适用于新型结构测试，研究结果对试验方法的选型提供理论基础。

拉拔试验；梁式试验；黏结-滑移；轻骨料混凝土；能量法；试验选型

Abstract： In order to explore the advantages and disadvantages of pull-out test and beam test, through drawing and beam test, theF-S,τ-SandW-Scurves are obtained and compared, and it is found that the drawing test is more suitable for the laboratory test, the beam test is more suitable for the new structure test, and the research results provide the theoretical basis for the selection of test methods.

Keywords：pull-out test; beam test; bond-slip; lightweight aggregate concrete; energy method; test selection

钢筋混凝土结构共同工作的基础是两者之间的黏结作用，目前对黏结作用的研究仍以试验研究为主，主要采用拉拔与梁式两种试验方法，两种试验方法的选择仍比较模糊。杜峰等从不同黏结试验方法的装置系统阐述了不同试验的区别[1]，并通过试验数据进行比较；牛建刚[2]、王磊[3]等均采用了拉拔试验分别进行不同基体混凝土或不同钢筋黏结性能测试；Jamal Khalaf[4]、Kim Hung Moa[5]、Petr Pokorny'a[6]等采用拉拔试验针对不同影响因素对钢筋黏结性能进行测试；李龙龙等采用理论计算从拉拔试验的能量角度对其破坏进行分析阐述[7]，为黏结本构更好应用到耗能分析提供理论；安明喆[8]、王晨霞[9]、Long Xu[10]等基于梁式试验，得到影响黏结性能的不同因素，针对这两种方法的应用界定，通过不同本构曲线的比较分析，得到明确的应用领域。

1 试验概况

试验原材料分别为：页岩陶粒和页岩陶砂(以下分别简称陶粒和陶砂)最大粒径为15 mm；碎石是针叶状石灰岩，粒径不大于15 mm，针片状含量不大于7.8%，含泥量小于1.0%，堆积密度为1 462 kg/m3；水泥为坚固牌P·O42.5R普通硅酸盐水泥；粉煤灰为二级粉煤灰；拉拔试件减水剂采用萘系高效减水剂，掺量为胶凝材料的0.4%～0.5%；梁式试件减水剂采用聚羧酸高效减水剂，掺量为胶凝材料的0.4%～0.5%。

表1 拉拔试件混凝土配合比及物理力学指标

注：W/B表示水胶比；fcu28 d表示28 d立方体抗压强度，MPa；fst28 d表示28 d劈裂抗拉强度，MPa；ρd表示干表观密度，kg/m3；mc表示水泥质量，kg；mf表示粉煤灰质量，kg；mLC表示陶粒质量，kg；mLF表示陶砂质量，kg；mwr表示减水剂质量占胶凝材料百分比，%。

表2 梁式试件全轻与石轻混凝土的配合比与强度值

注：mg表示碎石质量。

表3 两种钢筋的强度值

注：σs表示钢筋的屈服强度，MPa；σb表示钢筋的极限抗拉强度，MPa。

分别进行拉拔试验和梁式试验。

在采用《混凝土结构试验方法标准》[11]进行梁式试验时，需将梁荷载通过静力学转换为钢筋轴线拉力，受力示意图见图1。

从受力机理看，可将整个梁分成两个半梁，试验过程中采用加载板，其为均布荷载形式，为简化计算，将加载板看成小边界，应用圣维南原理将荷载转换为集中荷载进行计算，通过计算将集中荷载转换为梁底部通长钢筋拉力。

将均布荷载转换为集中荷载P1，进而通过换算，将Fc转换为P、P1的表达式。对O点取矩，合力矩为零(如图1所示)，则有

图1 半梁受力示意图

ΣMO=Pl1-Fcl3-P1l3=0

(1)

Fc=(Pl1-P1l2)/l3

(2)

式中：ΣMO——O点合力矩；P——支座反力；P1——通过均布荷载转换成的集中荷载；Fc——贯通钢筋所受的拉力；l1——支座与O点的水平距离；l2——集中荷载与O点的水平距离；l3——钢筋拉力与O点的垂直距离。

2 两种试验方法的黏结 — 滑移曲线

(1)F-S曲线比较

取钢筋直径d=16 mm、d=20 mm的全轻试件进行对比，如图2所示。

图2 两种试验方法的F - S曲线比较

由图2可知：梁式试验极限荷载值比拉拔试验极限荷载值大1个数量级，梁式试验中的月牙肋钢筋的极限黏结力比拉拔试件的光圆钢筋极限荷载值更是大两个数量级，表明具有横向约束的梁式试件钢筋与混凝土之间的黏结力得到明显提高；梁式试件的F-S曲线更为平缓，能够比较好地反映出两者之间的延性破坏；相对于拉拔试件，梁式试件的黏结滑移距离比较小，这取决于梁式试件具有很好的横向约束以及较大的握裹力；拉拔试件更容易观测到破坏全过程，从侧面反映出拉拔试件更适合于工程质量测试试验；拉拔试件在上升段的滑移距离占到整个曲线的滑移距离的60%以上，而梁式试件滑移曲线上升段滑移距离仅占全曲线滑移距离50%或更小。可以推断出，当具有更好握裹力(横向约束)时，在达到极限黏结力时，能够延缓钢筋与混凝土基体之间的滑移，从而提高构件的延性。

(2)τ-S曲线比较

由于拉拔试件属于短锚试件，而梁式试件相对拉拔试件锚固长度较大，通过式(3)得到的平均黏结应力没有拉拔试件精确。通过将梁式试件简化成短锚试件求解。

τ=F/πd

(3)

式中：F——拉拔力；d——钢筋直径。

图3 不同工况下采用短锚计算的应力滑移曲线对比图

钢筋与混凝土之间的黏结作用是通过化学胶着力、机械咬合力、摩擦阻尼力等提供，是一种常见的剪应力。但是目前无法通过试验直接测得钢筋混凝土界面应力，仅通过测量钢筋应变计算得到测点处的界面应力。

不同工况下采用短锚计算的应力滑移曲线对比图如图3所示，由图3可知：两种不同工况下试件的τ-S曲线趋势基本一致，均有明显的上升和下降段，拉拔试件曲线上升段较为陡峭，梁式试验平台期所占整条曲线比例较大，下降段较缓，主要是因为拉拔试验为未配箍试件，随着拉拔力的增大，钢筋表面黏结应力迅速增大，化学胶着力瞬间失效，钢筋与混凝土随即产生相对滑移，而梁式试件为配箍试件，且其黏结长度较大，有较大的截面尺寸，在初期化学胶着力持续效应较拉拔试件长，且由于握裹力的增大，使得拉拔力增大引起较小幅度的滑移；拉拔试件τ-S曲线平台期几乎为零，主要由于不配箍试件钢筋与混凝土界面的混凝土在黏结应力急速增长期迅速受压破碎；对于梁式试件，较大的握裹力与黏结长度，使界面混凝土不易发生破裂，钢筋肋对于混凝土的挤压有一个缓慢的过程，直到肋间混凝土完全破坏而出现下降段。但两者的平均黏结应力相差达到一个数量级，梁式试件中钢筋与混凝土之间更好的提供了黏结作用，梁式试验与工程实际的近似性使得其更适用于新型结构的结构试验。

(3)W-S曲线比较

拔出破坏过程中的声发射能量特征与受力过程为一一对应关系。因此，只要通过试验得到F-S曲线，就可以通过式(4)变换导出W-S曲线。

W=FS

(4)

由于梁式试验数据点较少，经计算求得的能量曲线相对拉拔试验较为粗糙，但仍能反映破坏时能量释放的大致情况，通过与拉拔试件能量曲线对比，能很好地得出二者之间的异同。这里通过d=16 mm时的能量曲线进行比较分析，如图4、图5、图6所示。

图4 部分拉拔试件W-S曲线

图5 梁式试件右半梁能量曲线

通过图5可以发现，梁式试件的能量曲线相对于图4的拉拔试件的能量曲线较为平缓，且比较平滑。这是由于拉拔试件不受横向约束，混凝土内部的离散性决定了其能量曲线的不均匀性；而梁式试件采用了箍筋，且横截面较大，受力方式的不同减小了混凝土基体内部不均匀因素的影响，破坏时能量释放比较缓慢均匀从而也使得能量曲线更加均匀。

图6 d=16 mm, 两种试验方法能量比较分析

由图6可知，拉拔试件消耗能量值仅为梁式试件破坏能量消耗值的1/5左右，且拉拔试件能量消耗增长比较集中，梁式试件能量消耗增长比较均匀地分布于整个滑移长度上，说明拉拔试件有一个突然释放能量的过程，梁式试件破坏释放能量相对较为缓慢。

3 优缺点比较

拉拔试验采用的试件较小，试验比较简单，试验费用较低，相当部分科研人员采用了拉拔试验进行黏结性能的研究。而梁式试验试件较大，试验过程烦琐，费用高，目前采用这种方法相对较少。但对于这两种试验方法，拉拔试件为短锚试件，与实际构件的节点处相似；而梁式试件与工程实际中的梁相近，更接近实际工程；梁式试验试验荷载远比拉拔试件大，梁式试验的受力更接近工程实际，拉拔试验更适合试验室抽样检验。

4 结论

针对黏结性能的研究，拉拔试验较简单且费用低，应用较为广泛，而梁式试验较为复杂且费用较高，研究人员采用较少。通过两种试验方法的比较，得到如下结论：

(1) 拉拔试验更适合进行实验室测试使用，梁式试验更适合新型结构试验；

(2) 采用进行横向约束的梁式试件比拉拔试件在达到极限荷载时发生的滑移长度小，梁式试验过程中，试件具有更好的延性，采用拉拔破坏更容易观察到破坏全过程；

(3) 两种试验方法黏结破坏能量释放增长曲线基本一致，梁式构件能量变化比拉拔试件均匀，拉拔试件滑移耗能仅为梁式试验的1/5左右。

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ComparisonofbondingbetweenreinforcementandLWACbasedonbeamandpull-outtext

YANG Shou-qi1, YANG Nian-xu2, ZHANG Zhe2

(1.LuoYangZhidaConstructionSupervisionCo.Ltd.,Luoyang471000,China; 2.SchoolofCivilEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China)

2017-06-12

国家自然科学基金项目(41172317)

杨守奇(1979—)，男，河南滑县人，工程师。

1674-7046(2017)04-0048-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.04.009

TU375.1

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