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钢筋与普通混凝土动态粘结滑移试验研究

添加时间:2019-02-20 15:38 来源:山西建筑 作者:林瑶 李敏
  摘要:使用电液伺服测试系统对钢筋和混凝土动态粘结性能进行了研究。采用C30混凝土和HRB400钢筋, 加载速率设定为0.005 mm/s和5 mm/s, 分别对应准静态加载速率和地震荷载范围内的快速加载速率, 得到粘结应力滑移曲线, 结果表明, 加载速率越快, 钢筋与混凝土的粘结强度越高。
 
  关键词:加载速率; 钢筋; 混凝土; 粘结强度;
 
  1 概述
 
  钢筋与混凝土具有较好的粘结性能是其组成的复合材料共同工作的基本前提。钢筋混凝土结构在正常使用阶段可能会遭受地震作用, 其动荷载作用下的粘结性能不同于静力加载, 进而影响钢筋混凝土结构的抗震性能。目前, 钢筋与混凝土静态粘结性能的研究已经比较成熟, 而钢筋混凝土动态粘结性能的研究刚起步, 相应的试验研究还不充分[1,2,3,4,5]。
 
  本文使用电液伺服材料试验机, 通过拉拔试验, 对钢筋和普通混凝土动态粘结性能进行了试验研究。加载速率设定为0.005 mm/s和5 mm/s, 分别对应准静态加载和地震荷载范围内的快速加载速率, 经过数据处理和图表分析, 得到加载速率影响钢筋与混凝土的粘结性能的规律, 该规律对钢筋混凝土结构的抗震设计有参考意义。
 
  2 试验过程
 
  本次试验是在大连理工大学结构实验室的大型静、动三轴电液伺服试验机上进行的, 该设备理论上可以提供的最大拉力为100 t, 最大压力为250 t, 该试验设备可提供静态和动态加载时所需的速率。上部加载头设有球铰, 可防止受力不均。
 
  2.1 试验材料
 
  试验所采用的普通混凝土标号是C30, 所用混凝土配合比如表1所示, 水泥采用普通硅酸盐水泥42.5;细骨料为天然河砂, 砂子细度模数为2.9;粗骨料为连续级配的碎石, 石子粒径为5 mm~25 mm;搅拌用水为普通自来水。
 
  kg/m3
 
  表1 混凝土配合比

 
  试验用钢筋采用的标号是HRB400, 直径为20 mm, 锚固长度为100 mm。钢筋截取时将带有标号的部分去掉, 经打磨去掉带有锈迹的部分, 以防影响钢筋与混凝土之间的粘结性能, 造成试验的误差。
 
  2.2 试件
 
  考虑到试验设备及拉拔试验常规试件尺寸, 试件基本尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体, 共计6个, 试件全部采用钢模分批浇筑成型。由于试验过程中钢筋的加载端易受到局部挤压, 会造成试验结果的失真, 可以通过PVC管消除局部影响, 也可控制粘结锚固的长度。
 
  试件制作采用150 mm×150 mm×150 mm钢模, 并在钢筋伸出侧开孔, 孔径为25 mm。将混凝土材料按相应的配合比搅拌, 然后装入钢模内, 在振动台上振动成型, 并用塑料膜覆盖, 如图1所示, 待24 h后拆模, 在养护室标准养护28 d。
 
  图1 混凝土试件浇筑

 
  2.3 加载
 
  将试件竖直放置, 用两片钢板夹住拉拔试件的混凝土试块, 保证试件的位置不发生移动, 试验机加载头与拉拔试件的钢筋螺栓连接, 提供拉拔力, 慢速加载速率为0.005 mm/s, 对应准静态加载;快速加载速率为5 mm/s, 对应地震发生时的快速加载。同一种工况做三个试件, 结果取平均值。
 
  3 试验结果
 
  粘结应力取平均粘结应力, 计算公式如式 (1) 所示:
 
  其中, F为拉拔力;τ为平均粘结应力;d为钢筋直径;la为锚固长度。
 
  滑移量取加载端和自由端的平均滑移:
 
  其中, S为平均滑移;Sl为加载端滑移量;Sf为自由端滑移量。
 
  得到粘结滑移曲线如图2所示, 其中S2表示加载速率为0.005 mm/s的慢速加载时的粘结应力—滑移曲线, D2表示加载速率为5 mm/s的快速加载时粘结应力—滑移曲线。这两组曲线对比发现, 快速加载比慢速加载粘结强度提高14.6%。分析其原因, 由于带肋钢筋与混凝土的粘结强度与混凝土的强度有关, 而加载速率影响混凝土的强度, 加载速率越高, 混凝土的强度就越高, 因此加载速率提高, 粘结强度越高。
 
  同时, 试验还观察到, 破坏时的峰值滑移变化不大, 在慢速加载和快速加载时均发生混凝土开裂破坏, 可见加载速率没有影响拉拔试件的破坏模式。
 
  图2 粘结应力—滑移曲线

 
  4 结语
 
  本文采用电液伺服材料试验机, 试验研究了加载速率对钢筋混凝土拉拔试件粘结滑移性能的影响, 研究结果表明, 对于由C30混凝土和HRB400组成的拉拔试件, 当加载速率变化时, 钢筋与混凝土的粘结滑移特性也发生变化, 粘结应力与加载速率成正增长关系, 加载速率增大, 粘结应力提高, 加载速率对峰值滑移量影响不大, 这一结论对钢筋混凝土结构抗震设计有一定的参考意义。
 
  参考文献
 
  [1] 陈肇元, 曹炽康, 李庆标.建筑钢筋在快速变形下的力学性能[Z].
  [2] 陈肇元.高强钢筋在快速变形下的性能及其在抗爆结构中的应用[Z].
  [3] 洪小健, 赵鸣.加载速率对锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的影响[J].同济大学学报, 2002, 30 (7) :792-796.
  [4] 郑晓燕.锈蚀钢筋与混凝土动态粘结性能研究[D].南京:河海大学, 2004.
  [5] 李敏, 李宏男.钢筋混凝土梁的动态试验与数值模拟[J].振动与冲击, 2015, 34 (6) :110-115.
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