高温后钢筋与混凝土局部黏结滑移关系.pdf

2 0 1 5年第 1 1 期 1 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 5 No 11 No v e mbe r 高温后钢筋与混凝土局部黏结滑移关系 廖杰 洪 ( 中铁上海设计 院集 团有限公 司， 2 0 0 0 7 0 ) 摘 要 ： 对高温后钢筋和混凝土之 间黏结 强度 的既有试验数据进行 统计分析 ， 给 出了不 同温度作 用后带肋钢 筋与 混凝土之 间相 对残余黏结 强度 的均值和均 方差。 分析 结果表 明， 其数据符合 正态分布 ， 在 此基 础上建立 了高温作 用 后钢筋与混凝土相对黏结残余 强度均值和 具有 9 5 保证率的分位值 随温度 变化 的表达式 。统计 了光 圆钢 筋与混凝 土之 间残余黏结强度 随所经历 最高温度 的表 达式 。 给 出了高温后钢 筋与混凝 土局部黏 结滑移 本构关 系模 型。 关 键 词 ： 黏 结 滑 移 ； 钢 筋 ； 混 凝 土 ； 高 温 Ab s t r a c t ： T h e e x i s t i n g t e s t d a t a o n t h e r e s i d u a l b o n d i n g s t r e n g t h b e t w e e n fir e d a ma g e d c o n c r e t e a n d r e b a r we r e c o l l e c t e d a n d a n a l y z e d T h e me a n v a l u e s a n d v a ri a n c e s o f t h e r e s i d u a l b o n d i n g s t r e n g t h b e t we e n ri b b e d b a r s a n d c o n c r e t e s u b j e c t e d t o d i fi e r e n t t e mp e r a t u r e a r e p r e s e n t e d T h e a n a l y s i s s h o ws t h a t t h e d a t a c o n f o r n 2 s t o n o r ma l d i s t ri b u t i o n ，t h u s t w o f o r mu l a s a r e e s t a b l i s h e d f o r r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e e l e v a t e d t e mp e r a t u r e a n d t h e me a n v a l u e a s w e l l a s t h e v a l u e wi t h a g u a r a n t e e r a t e o f 9 5 T h e r e l a t i o n s h i p o f t e mp e r a t u r e a n d t h e r e s i d u a l b o n d i n g s t r e n g t h b e t we e n r o u n d b a r a n d c o n c r e t e i s a l s o p r e s e n t e d At l a s t t h e l o c a l b o n d s l i p c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s h i p mo d e l i s p u t for w a r d Ke y wo r ： Bo n d - s l i p ； Re b a r ； C o n c r e t e； Hi g h t e mp e r a t u r e 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 5 ) 1 1 3 4 一 O 3 0前 言 高温后混凝土梁的抗剪试验 中 ，常常因锚 固不 足导致裂缝 出现或发生破坏。为精确模拟或分析高 温后混凝土梁的力学性能 ， 需要研究钢筋与混凝 土 的局 部 黏结 应 力 和滑 移 的本 构 关 系 。 目前 ， 虽然 已 有大量学 者对 高温后 钢筋与混凝土之间 的黏结滑 移 关 系 进行 了研究 ， 高 温后 黏 结应 力 的变 化 已有 大 量 的试验数据【 卜 埘， 但各学者之 间的结果相差较大。 朱伯龙等l8 】 及吴吴i n 1 提出了过高温后黏结 滑移本构 关 系 ， 但 并 非 局部 黏 结 应力 一 滑 移 本构 关 系 ， 不 能 直 接应用 于有限元模拟 。本文收集各学者 的研究 成 果 ， 在统计分析 的基础上 求得 随温度变 化的平均 折减系数 ，并获得具有 9 5 保证率的折减系数 ， 对 数据进行拟合 。在参考常温钢筋混凝土局部黏结滑 移关 系的基础上获得 了高温后局部黏结滑移 的本 构模 型 。 1 高温 后钢 筋 与 混凝 土黏 结滑 移关 系研 究现 状 从 1 9 5 4年至今 ，各 国学者对高温后钢筋与混 凝土界面黏结滑移关系进行了大量 的研究 ， 但至今 尚无可靠 的黏结滑移本构关系可以采用。从各学者 的研 究 中可 以得 出如 下结 论 ： 基金项 目： 国家 自然科 学基金项 目( 5 1 3 7 8 3 9 7 ) 。 3 4 ( 1 ) 随温度的升高 ， 黏结力降 卜 。 ( 2 ) 随恒温时间的增长， 黏结力降低。E 1 一 Ha w a r y 等【 1 研究表 明 ： 1 0 0 C 时恒温 2 h 、 4 h 、 8 h ， 承载力分别 下降至 1 1 8 、 1 0 、 0 6 1 ； 3 0 0 时恒温 2 h 、 4 h 、 8 h ， 承载 力分别下 降至 0 3 8 、 0 3 7 、 0 3 6 ； 5 0 0 C 时恒温 2 h 、 4 h 、 8 h ， 承载力分别下 降至 0 0 4 、 0 0 3 、 0 0 2 。C h i a n g等 进行了温度一 恒 温时间对黏结 强度折减 的耦 合 ， 其 结果表明 ， 随恒温时间的增长 ， 黏结强度下降 ， 但下 降程度不大 ， 恒温 3 h相对恒温 0 5 h下降 1 0 左右 ， 温度越高下降幅度越小 。相比本身 的离散程度 ， 对 恒 温 时间 影 响 的过度 追 求 没有 必 要 。因此 ， 本 文 的 分析 中忽 略恒 温 时间 的影 响 。 ( 3 ) 不 同冷却方式对 黏结强度 的影 响不 一致 ， 喷水冷却下降更严重。E 1 一 Ha w a r y等 1 的研究 中， 最 高温度 1 0 0 C 时喷水冷却下降明显 ，但最高温度为 3 0 0 和 5 0 0 C时影 响 不大 。文献 7 的研究 中 ， 对 于 埋人深度为 6 c m的钢筋 冷却方式不 同对其没有明 显影响， 但对于埋人深度为 l O c m和 1 6 c m 的黏结强 度有影响 ， 但差别并不大 。 ( 4 ) 光 圆钢筋高温后黏结强度下降 比带肋钢筋 下降严重7 一 。 2数据收 集 收集 目前大部分试验成果4 - ” 】 ， 考虑带肋钢筋和 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 廖杰洪 高温后钢筋与混凝土局部黏结滑移关系 光 圆钢筋性质 的差异 ， 本文将带肋钢筋和光 圆钢筋 分别进行统计 ， 见图 1 。图中， 表示高温后黏结强 度 ； 7 I o 表示常温黏结强度 ； 文献 “ 一 ” 后数字表示不 同 工 况 。 文献【 4 卜1 文献 4 1 5 文献【 7 】 一 3 文献 8 卜1 令 文献 1 0 卜3 文献【 4 卜2 文献【 4 卜6 龠文献 【 7 】 一 4 文献【 9 e文献 1 1 】 文献 4 - 3 文献【 7 卜1 E文献 7 1 - 5 文献【 1 0 卜1 叁文献 1 2 - 1 v 文献 4 一 4 O 文献 7 卜2 + 文献 7 1 6 文献【 l O 卜2 A 文献【 1 2 卜2 温度 ( a ) 带肋钢筋 温度， ( b ) 光 圆钢筋 图 l 高温后钢筋与混凝 土界面黏结强度的统计结果 3数 据 分析 3 1 带 肋钢 筋数 据 分析 考虑各文献 的试件个数 ( 如文献 4 每工况 3个 试件 ， 文献 8 每工况 6个试件 ) ， 不 同温度下 ， 残余 黏结强度 与常温下黏结强度之 比的数学期 望( 均 值 ) 及样本标准差如表 1所示 。 为获得具有 9 5 可靠 性的相对残余 黏结强度 ， 对数据进行了统计分析。 采用 S h a p i r o Wi l k检验法 ， 在显著性水平位 0 O 5的条件下 ， 检验数据是否符合 正态分布。 当显著性 P值不小于 O O 5时 ， 假设成立 ， 即该数据符合正态分布。 P值计算结果如表 1 所示 ， P值 皆大于 0 0 5 可见试验数据属于正态分布。 据此 可求得具有 9 5 保证率 的高 温后相对 残余黏结强 表 1 带肋钢筋高温后黏结强度数据统计 度 。根据统计结果拟合 曲线 ， 得出黏结强度折减系 数 平 均 值 ( T ) 及 具 有9 5 保 证 率 值( ： h - o ) 随 温 度 ( ) 变化的计算公式 ， 分别如式 ( 1 ) 和式 ( 2 ) 所示 。 带肋钢筋统计值和拟合曲线见图 2 。 温度 图 2 带肋钢筋统计情况和拟合结果 r r z o = l 一 0 8 5 3 ( 1 0 0 0 ) ( 1 ) q p T o = 0 9 3 6 1 1 5 ( 1 0 0 0 ) ( 2 ) 3 2 光 圆钢筋 数据 分析 由于光 圆钢筋数据较少 ， 不进行统计学分析。在 考虑各文献试件数量 的情况下获得各温度下 的均 值 ， 如图 3所示。对所有试验数据进行数值拟合 ， 得 出高温后光 圆钢筋黏结强度折减系数与经历最高 温度关系的拟合公式 ， 如式 ( 3 ) 所示。 2 C t o= 2 _0 7 ( ) _ 3 -0 5 ( ) + 1 1 8 ( 3 ) 3 3 高温后黏结一 滑移本构关系 根据朱伯龙阎 、 吴昊 1 1 】 、 钱在兹【 3 1 等的研究成果 一 3 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 1 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 5期 温度， 图 3 光 圆钢筋统计和拟合结果 在温度低于 4 0 0 时极限位移未见明显增长 温度 大于 4 0 0 ( 2 时 自由端位移才有所增 大 ， 此时， 黏结强 度下降幅度较大 。可简单认为 ， 极限位移不随温度 变化 。 在确定 了极 限强度 和极限位移后 ，则 可根据 C E B F I P m o d e l c o d e t 4 】 的建议作 出高温后钢筋混凝 土黏结滑移本构关系。根据以上分析 ， 得到高温后 非约束混凝土 ( 破坏模 式为混凝土劈裂破坏 ) 一般 黏结状况高温后钢筋混凝土黏结滑移本构关 系 。 如 图 4所示 1 O 0 _ 8 。 h O - 4 O 2 O 0 1 2 3 4 滑移 ram 图 4 高温后非约束混凝土钢筋一 混凝 土黏结 滑移 本构关系 4结 论 ( 1 ) 在 统计 范围 内， 带 肋钢筋与混凝土 之间残 余极限强度均符合正态分布。 ( 2 ) 高 温后 ， 带肋钢筋 与混凝 土之 间的黏结 强 度随温度的提高近似线性降低 ， 可采用一次方程表 达它们之间的关系。 ( 3 ) 高温后 ， 光 圆钢筋 与混凝 土之间黏结 强度 随温度的提高下降比带肋钢筋快 ， 可采用二次方程 表达高温后 光 圆钢筋与混凝土之 间黏结强度 随温 度变 化 的关 系 。 ( 4 ) 通过总结分析获得 的高温后 钢筋与混凝土 一 3 6一 黏结 强度的均值 和钢筋一 混凝 土黏结滑移 本构 关 系 。 可为高温后混凝土结构的有限元模拟或精细分 析提供参考 ： 获得的高温后带肋钢筋 与混凝土之间 具有 9 5 保证率 的黏结强度可 为高温后 混凝 土结 构的检测提供参考。 参考文献 ： 【 1 Mi l o v a n o v A F ，S l a ma n o v G D T h e i n f l u e n c e o f h i g h t e mp e r a t u r e u p o n t h e p r o p e r t i e s o f r e i n f o r c i n g s t e e l s a n d b o n d s t r e n g t h b e t w e e n r e i n f o r c e me n t a n d c o n c r e t e J I s s l e d o v a n i j i a p o Z h a r o u p o r n y m b e t o n u i Z h e l e z o b e t o n u ， 1 9 5 4 ： 2 0 3 2 2 3 2 】 牛向 阳， 王全凤 ， 杨 勇新， 等 高温后普 通 混凝土 与细 晶粒 钢筋黏结性能试验研究 J 建筑结构， 2 0 1 2 ，4 2 ( 3 ) ： 1 1 6 一 l 1 8 ， 3 2 【 3 】E 1 一 H a w a r y M M， Ha m o u s h S A B o n d s h e a r mo d u l u s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e a t h i g h t e mp e r a t u r e s J E n g i n e e ri n g f r a c t u r e m e c h a n i c s ， 1 9 9 6 ， 5 5 ( 6 ) ： 9 9 1 - 9 9 9 4 】 C h i a n g C H ， T s a i C L T i me t e mp e r a t u r e a n a l y s i s o f b o n d s t r e n g t h o f a r e b a r a f t e r fi r e e x p o s u r e J C e m e n t a n d C o n c r e t e r e s e a r c h ， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 1 0 ) ： 1 6 5 1 一 l 6 5 4 【 5 】 Ha d d a d R H ， A 1 一 S a l e h R J ， A 1 - A k h r a s N M E fi e e t of e l e v a t e d t e mp e r a t u r e o n b o n d b e t we e n s t e e l r e i n f o r c e me n t a n d fi b e r r e i nfo r c e d c o n c r e t e J F i r e S a f e t y J o u r n a l ， 2 0 0 8 ， 4 3 ( 5 ) ： 3 3 4 - 3 4 3 6 】 袁广林， 郭操， 李庆 涛， 等 高温后冷却环境对钢筋 混凝土黏 结性能 的损伤f J 中国矿业 大学学报， 2 0 0 5 ， 3 4 ( 5 ) ： 6 0 5 6 0 8 【 7 】 R e s i d u a l b o n d s t r e n g t h b e t w e e n s t e e l b a r s a n d c o n c r e t e aft e r e l e v a t e d t e m p e r a t u r e s S o u r c e 【 J J F i r e S af e t y J o u mal， 2 0 0 9 ， 4 4 ( 6 ) ： 8 5 4-85 9 8 】 朱伯龙 ， 陆洲导， 胡 克旭 高温 ( 火灾) 下 混凝土 与钢筋 的 本构关系U 1 四川建筑科学研究， 1 9 9 0 ( 1 ) ： 3 7 4 3 【 9 】 王孔藩 ， 许清风 ， 刘挺林 高 温 自然冷却后 钢筋与 混凝 土之 间黏结强度的试验研究 J 】 施工 技术 ， 2 0 0 5 ， 3 4 ( 8 ) ： 6 ， 1 1 1 0 】 周新刚， 吴江 龙 高温后混凝 土与钢筋黏结性能 的试 验研 究 J 工业建 筑， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 5 ) ： 3 7 - 4 0 【 1 1 】 吴吴 高温 后钢筋 混凝土 黏结性 能试验研 究 D I 青 岛： 青 岛理工大学， 2 0 0 9 1 2 】B e d n a r e k Z ， O g r o d n i k P T e s t i n g s t e e l - c o n c r e t e b o n d i n fi r e c o n d i t i o n s 【 C P r o c o f t h e 9 t h I n t e ma t i o n a l C o n f e r e n c e “ Mo d e rn Bu i l d i n g Ma t e ria l s ， S t r u c t u r e s a n d T e c h n i q u e s S ， Vi l n i u s ， L i t h u a n i a ， 2 0 0 7 【 l 3 钱在兹， 谢狄敏， 金贤玉 混凝 土受 明火高温 作用后 的抗 拉强度与黏结强 度的试验研究 C 】 ， 全国结构工 程学术会 议 1 9 97： 1 -5 【 1 4 】 C 9 m i t 6 E u r o - I n t e r n a t i o n al d u B r t o n C E B - F I P m o d e l c o d e 1 9 9 0 ： d e s i g n c o d e M T e l f o r d ， 1 9 9 3 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 9 2 5 作者简 介：廖杰洪 ( 1 9 8 7 一 ) ， 男 ， 博 士 、 工程师 。 通讯地 址 ： 中铁上海设计 院集 团有 限公 司 联 系电话 ： 1 3 8 1 6 7 2 4 9 8 7 E - ma il ： l ia i e h o n g 1 6 3 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m