地震作用下早龄期钢筋混凝土粘结特性试验研究.pdf

第 43 卷 第 8 期 2013 年 4 月下 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 8 Apr 2013 地震作用下早龄期钢筋混凝土粘结特性试验研究 * 杨俊杰 1， 戴妙娴2 ( 1 浙江工业大学建筑工程学院，杭州 310014;2 杭州市运河综合保护开发建设集团，杭州 310005) 摘要新浇筑的早龄期混凝土结构受到地震作用后钢筋与混凝土间产生相对变形， 尤其是预留钢筋随地震作用 的甩动， 会导致钢筋与混凝土间粘结特性改变。通过终凝初期( 12h) 混凝土与钢筋受地震作用( 峰值加速度分别为 0. 45g， 0. 25g， 0. 15g， 0. 06g， 0. 00g) 的模拟试验， 探讨了钢筋甩动使混凝土表面产生空穴的机理和形态、 受振动后钢 筋沿锚固长度的应变分布与粘结应力变化关系、 早龄期混凝土在受振后粘结应力损失的规律等。研究结果表明: 空穴的大小与振动力大小相关， 且会影响钢筋与混凝土的粘结应力分布形态， 使有效锚固长度减小。 关键词早龄期混凝土;地震作用;粘结特性;试验研究 中图分类号: TU375文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2013) 08- 0054- 04 Experimental study on bond behavior of early- age reinforced concrete under earthquake action Yang Junjie1，Dai Miaoxian2 ( 1 College of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China; 2 Hangzhou Canal Protection and Development Construction Group，Hangzhou 310005，China) Abstract: The relative deformation between reinforced bars and concrete would be present in the early-age concrete under the earthquake action，especially with the reinforced bars swinging，the change of bond behavior between reinforced bars and concrete would happen Simulative experiments of the early-age reinforced concrete ( 12h)under different degrees of seismic actions( 0. 45g，0. 25g，0. 15g，0. 06g and 0. 00g)were carried out The mechanism and formation of the gaps in early-age concrete associated with swinging actions of reinforced bars，the stress-strain relationship along the anchorage length，and the loss of bond stress after vibration were investigated The results show that the scale of gap relates to the seismic forces，changes the distribution of bond stresses，and reduces the effective anchorage length Keywords: early-age reinforced concrete;earthquake action;bond behavior;experimental study * 浙江省重大科技项目资助( 2010C13012) 。 作者简介: 杨俊杰， 硕士， 教授， Email: yjnjie 163 com。 0引言 早龄期钢筋混凝土受不同强度的地震振动力作 用后， 混凝土强度及其与钢筋间粘结力均会受到程 度不同的影响 1- 3。在实际施工过程中， 预留钢筋 受地震作用还会对周边混凝土产生影响， 导致钢筋 与混凝土间的粘结应力沿钢筋锚固长度的分布发生 改变， 这是探讨地震作用下早龄期钢筋与混凝土粘 结性能的关键问题之一。为了解早龄期钢筋混凝土 受地震振动力作用后钢筋混凝土粘结力的分布与未 受振的区别、 粘结力的折损主要发生在钢筋的哪些 区段， 开展钢筋与混凝土粘结力的分布试验是十分 必要的。由文献 2 和 3 的试验结果可知， 龄期为 12h( 终凝后不久) 的钢筋混凝土受振动力作用后产 生的粘结折损最大。因此， 本文粘结力分布试验只 针对该龄期下受振动的钢筋混凝土进行。 1试验方案 1. 1 试件设计 本试验设 计了 5 组 ( A 组 E 组) 尺寸 均 为 200mm 200mm 200mm 粘结试件， A 组 E 组分 别对应于承受 0. 45g， 0. 25g， 0. 15g， 0. 06g， 0. 00g 峰 值加速度的地震振动力作用， 龄期均为 12h。取每 组( 不包括 E 组) 中的 1 个试件在振动台上进行不 同受振程度钢筋的振动空穴深度的研究， 每组中的 3 个试件经过振动台上受振动力作用且标准养护 28d 后， 进 行 拉 拔 试 验。试 件 中 心 埋 置 直 径 为 18mm， 长 900mm 的月牙纹钢筋。在试件浇筑前， 在 底模板预留一个与钢筋直径等同的孔， 以便钢筋的 安插。钢筋顶部用夹具固定， 保证在浇筑过程中钢 筋不发生偏移。为了避免试验过程中试件加载端混 凝土受到局部挤压， 而造成与结构中钢筋端部附近 的应力状态差别大， 影响试验结果的真实性， 采用加 载端的局部钢筋与周围混凝土脱空的试件， 在加载 端安装 PVC 无粘结套管( 长度 70mm) ， 隔离钢筋与 混凝土。 1. 2 拉拔试验加载方案和测试内容 A 组 E 组试件在振动台上受振动力作用且标 准养护 28d 后， 再对各组试件进行拉拔试验。试验 采用 30 吨位 ZY- 30 型锚杆拉力计对试件进行单调 单端加载。加载方式按混凝土结构试验方法标 第 43 卷 第 8 期杨俊杰， 等 地震作用下早龄期钢筋混凝土粘结特性试验研究 图 1加载装置示意图 准 ( GB 5015292) 4 要求， 采用分级加载法: 级 差 为 5kN 直 至 试 件 破坏。测点布置及试验 加载装置见图 1。 目前常规的试验手 段还无法直接测得粘结 应力， 测得的是钢筋应 变沿锚固长度的分布， 为了准确获得荷载作用 下钢筋的应变分布， 先 将钢筋剖开并开槽， 在 钢筋 槽 内 贴 箔 式 应 变 片， 从套管与试件的交界面开始， 每 20mm 布设 1 个 应变片， 每根钢筋设 7 个应变片， 应变信号用导线引 出( 图 2) 。图 3 为浇筑完成的钢筋混凝土试块， 实 际锚固长度为 130mm。测试内容主要有: 分级荷载 Fi及其对应的传感器反馈值、 钢筋应变值， 为了观测 在每级荷载下钢筋与混凝土之间的相对滑移量， 在 钢筋自由端和受力端分别安装百分表和位移计， 以 测量自由端位移 sf及受力端位移 sl， 从而可得每个 试件的荷载-滑移( F-珋s) 曲线及粘结应力-滑移( 珔-珋s) 曲线。 图 2钢筋内贴片示意图 图 3试块浇筑成型图 2振动作用下早龄期钢筋混凝土的粘结应力特性 2. 1 不同受振程度钢筋的振动空穴深度 钢筋混凝土试件( 取每组( 不包括 E 组) 中的 1 个试件) 在龄期为 12h 时受不同振动力作用后， 将 红墨水沿钢筋长度方向灌入， 等红墨水充分渗入混 凝土后， 将钢筋混凝土试件劈开， 钢筋被染红深度可 视为空穴深度。空穴是由振动力作用下， 上部钢筋 的摆动引起的， 它的存在使局部钢筋与混凝土间粘 结大大减弱， 甚至丧失。空穴的出现使钢筋与混凝 土间的粘结被局部破坏， 钢筋的有效锚固长度减小。 经量测可发现， 在 0. 45g， 0. 25g， 0. 15g， 0. 06g 峰值 加速度振动力作用下， 试件在钢筋与混凝土间上口 空穴深度分别可达 5. 6， 4. 5， 3. 4， 1. 9cm。图 4 表示 了不同振动力作用后的空穴的深度。 图 4钢筋与混凝土受振动力作用后产生的空穴现象 每层结构施工时， 会将上层柱钢筋预留一部分， 它们不同程度地露出楼层面， 高的达几米， 最少也有 500mm。当地震作用时， 这部分钢筋的摆动也会导 致柱根位置新浇楼层混凝土出现空穴现象。这种空 穴现象会使结构再次受地震作用时首先在此处产生 一个柱根铰， 降低整个结构的抗侧刚度。即使没有 出现较强的地震作用， 也会在较大轴向压力条件下 过早出现柱根塑性铰， 这对结构的稳定性是不利的。 2. 2振动力对钢筋应变分布的影响 图 5 为 12h 龄期钢筋混凝土试件在不同地震振 动力作用下， 且经 28d 标准养护后的钢筋应变演化 过程。显然， 钢筋均为拉应变， 且钢筋拉应变在加载 端最大， 并沿锚固深度的增加逐步减小。 从图 5 可知: 荷载较小时， 钢筋内应变分布呈较 明显的非线性， 当钢筋接近于屈服状态时， 沿钢筋长 度上应变分布趋于线性; 在同一荷载作用下， 离加载 端越近， 钢筋应变都较大; 受振动峰值加速度越大， 同一锚固长度下钢筋的应变也越大， 峰值加速度振 动力越大的试件， 钢筋应变值越早达到屈服应变值， 且钢筋应变沿锚固长度的衰减速度变缓。 2. 3 振动力对粘结应力分布的影响 2. 3. 1 不同振动力作用下沿钢筋锚固长度的粘结应 力分布 粘结应力沿锚固长度的分布是探讨动荷载作用 下钢筋与混凝土的粘结性能的关键。粘结作用由钢 筋与混凝土之间的胶着力、 摩阻力和机械咬合力所 构成， 其宏观效果是一种剪应力， 它使受力钢筋的应 力沿长度发生变化。 55 建筑结构2013 年 图 5不同荷载作用下钢筋应变分布图 己知钢筋应变， 则粘结应力可按式 ( 1) 计算。 根据实测钢筋应变， 利用微段的平衡条件求出两测 点间的平均粘结应力， 得到第 i 个测点与第 i + 1 测 点的钢筋应变后， 这两点间的平均粘结应力 i为: i= ( s， i+1 s， i) EsAs dhi ( 1) 注: 由于各组试件在锚固深度为 100 120mm 间的计算结果表明各试件应力变化规律的一致性有差别， 产生差别的原因尚未能确定， 有待进一步研究， 所以这里没有涉及。 图 6粘结应力随锚固深度的变化 式中: hi代表第 i 测点与第 i + 1 测点的距离; E s， As， d 分别为钢筋的弹性模量、 面积及直径; s， i ， s， i + 1分 别表示第 i 测点与第 i + 1 测点的钢筋应变。 图 6 是根据龄期 12h 钢筋混凝土试件受振且标 准养护 28d 后在不同拉拔荷载作用下实测的钢筋应 变值， 按式( 1) 计算得到的钢筋表面粘结应力分布 图。由图可知: 试件受到的峰值加速度振动力作用 越大， 其加载端附近粘结应力较未受振动作用试件 的粘结应力越小， 且峰值粘结应力显著降低， 粘结应 力在整个锚固区分布更趋于均匀。这是因为钢筋混 凝土在龄期 12h 时正处于终凝后不久阶段， 随着振 动力的加大， 加上受钢筋甩动的影响， 试件上部产生 的扩孔现象越严重， 空穴深度大， 使得端部粘结应力 明显减小， 在 0. 45g 的峰值加速度作用下钢筋混凝 土间扩孔深度可达 5. 6cm， 该段范围内粘结应力必 然减小; 0. 15g 的峰值加速度作用下空穴深度比 0. 45g 的峰值加速度时有所减小， 加载端附近试件 粘结应力则有所回升( 图 6( c) ) 。对比图 6( d) 与图 6( e) 可发现， 受 0. 06g 的峰值加速度作用的试件各 锚固段的粘结应力大小和峰值粘结应力分布与未受 振试件的情况基本一致， 说明该振动力作用对试件 粘结应力影响不大。 2. 3. 2 不同振动力作用后钢筋拉拔力在锚固段的 分布 图 7 为拉拔力为 30kN 作用下， 受不同振动力 的试件沿钢筋锚固长度的粘结应力。由图 7 可见: 随着振动加速度的增大， 其峰值粘结应力逐渐减小; 65 第 43 卷 第 8 期杨俊杰， 等 地震作用下早龄期钢筋混凝土粘结特性试验研究 图 7 30kN 荷载作用时各试件 粘结应力分布图 图 8试件 12h 受振后即时 拉拔粘结应力-滑移关系 图 9试件 12h 受振且标准养护 28d 后的拉拔粘结应力-滑移关系 同时， 峰值粘结应力出现的位置向锚固端延伸， 即未 受振或受振动力较小( 0. 06g 和 0. 15g) 的试件峰值 粘结应力一般出现在锚固的中部， 而受振动较大的 试件峰值粘结应力后延至远离拉拔端。这可能与试 件受振后空穴深度的分布相关， 空穴的产生使钢筋 与混凝土之间的机械咬合作用和粘结作用退化， 甚 至完全破坏， 而使钢筋受拉后全长峰值粘结应力后 延， 即需要有更长距离的钢筋来传递拉拔力。这也 表明在设计中应考虑更长的锚固段。 3振动力作用下早龄期钢筋混凝土粘结滑移特性 钢筋与混凝土的粘结应力-滑移关系( -s 曲线) 描述的是锚固长度范围内， 荷载变化过程中各点的 局部粘结应力 和该处滑移 s 的关系。本次拉拔试 验无法得到在各级荷载下钢筋各点上的粘结应力及 相应的滑移值， 而只能得到在某级荷载下整个锚固 区内的平均粘结应力值珔 和在钢筋自由端位移值 sf 和受力端测量的位移值 sl。假设5: ( 1) 锚固长度较小时锚固区内每一点的 值相 同， 即粘结应力是均匀不变的， 则可以用珔 来代替锚 固区内任意一点的 值。 ( 2) 在钢筋拔出过程中锚固区内每一点的滑移 值相同， 则可用各级荷载下钢筋的平均滑移值珋s = ( sf+ sl) /2 来代替锚固区内任意一点的滑移值。 在此假设的基础上， 考虑以平均粘结应力-平均 滑移( 珔-珋s) 曲线来代替锚固区内任意一点的粘结应 力-滑移( -s) 曲线。 典型的粘结应力-滑移关系曲线可以划分为微 滑移段、 滑移段、 劈裂段、 下降段和残余段五段， 由于 所用设备的限制， 且试件为短锚试件， 本次试验只绘 出了前三段。图 8、 图 9 分别为在 12h 受振后即时 进行拉拔试验和振后养护 28d 进行拉拔试验所得的 粘结应力-滑移曲线， 反映了 5 组试件的平均粘结应 力和滑移关系曲线。从图 8、 图 9 可以看出: 受振后 即时拉拔的平均粘结应力很小， 且曲线的斜率较小; 不论是即时拉拔或标准养护 28d 后拉拔， 相同的粘 结应力下， 受振动力越大， 在曲线的上升段钢筋和混 凝土之间的相对滑移量越大; 受较大振动力作用， 在 曲线上升段前期， 粘结应力-滑移曲线斜率明显较 小， 退化相对较快， 说明粘结刚度随振动力的加大有 降低的趋势。原因在于试件受振动力越大， 钢筋和 混凝土间的化学胶着力及机械咬合力越小， 钢筋受 到的约束力越小， 产生相同的滑移所需要的荷载就 越小。即在相同荷载大小作用下的钢筋滑移就越 大， 因此钢筋的粘结力就越小。 4结论 由上述试验结果， 初步探究了在混凝土初凝至 终凝阶段( 12h) 的钢筋混凝土受振后的粘结滑移机 理， 得出以下结论: ( 1) 受振动力峰值加速度越大， 同一拉拔力作 用下沿锚固长度的钢筋应变越大。 ( 2) 峰值加速度振动力越大， 钢筋混凝土间的 峰值粘结应力越小， 且峰值粘结应力位置离拉拔端 越远。 ( 3) 早期受振动力越大， 钢筋和混凝土之间的 初期滑移发展越迅速， 两者的相对滑移量越大， 粘结 应力-滑移关系曲线相对平缓。 参考文献 1 金贤玉， 钱春， 钱在兹 对早龄期混凝土产生损伤的试 验研究与分析J 土木工程学报， 1997， 30( 6) : 47- 51 2 金臻丽， 杨俊杰， 应义淼， 等 余震作用下早龄期混凝 土强度及损伤试验J 建筑结构， 2011， 41( 3) : 69- 71 3 戴妙娴， 杨俊杰， 应义淼， 等 余震作用下早龄期混凝 土握裹力试验J 建筑结构， 2011， 41( 3) : 75- 77 4 GB 5015292 混凝土结构试验方法标准S 北京: 中 国建筑工业出版社， 1992 5 郑晓燕 锈蚀钢筋与混凝土动态粘结性D 南京: 河 海大学， 2004: 3- 13 75