高延性冷轧带肋钢筋锚固性能的试验研究

  摘要：为了研究高延性冷轧带肋钢筋的锚固性能，对25组（75个）高延性冷轧带肋钢筋与混凝土试件进行了拔出试验。分析不同条件下高延性冷轧带肋钢筋的粘结滑移曲线特点、粘结锚固强度及影响粘结锚固强度的因素如混凝土强度、钢筋直径、锚固长度、保护层厚度和横向配箍率等。试验结果表明：高延性冷轧带肋钢筋能够提高钢筋与混凝土的粘结锚固强度，有效见笑锚固长度。在试验研究的基础上，提出高延性冷轧带肋钢筋粘结锚固强度公式及设计锚固长度取值的建议，为《冷轧带肋钢筋混凝土结构技术规程》的修订及工程应用提供参考。
  高延性冷轧带肋钢筋是在钢筋冷轧后才有电磁回火工艺处理的一种新型冷轧带肋钢筋，与普通冷轧带肋钢筋相比其强度和延性有很大提高，并由明显的屈服台阶。高延性冷轧带肋钢筋对于节约钢材、节省工程造价、节约资源、保护环境、具有特别重要意义。而钢筋与混凝土质检的粘结锚固作用是这两种材料能够共同工作，共同承受荷载的重要原因，因此高延性冷轧带肋钢筋锚固性能研究具有重大意义。
  试验所用高延性冷轧带肋钢筋由河南安阳市合力高速冷轧有限公司提供，两面肋有纵肋。通过材料的实验性试验表明高延性冷轧带肋钢筋有明显的屈服台阶，屈服强度均超过500Mpa，极限抗拉强度超过或接近600Mpa，实测强屈比1.074至1.136，屈服强度和极限抗拉强度的波动均较小，均匀生产率≥5%。
   1 高延性冷轧带肋钢筋锚固性能试验
   1.1 试验方案及试件制作
   根据试验要求，共涉及了25组（75个）试件，分别探讨混凝土强度、钢筋直径、锚固长度、保护层厚度和横向配箍率对粘结锚固性能的影响。高延性冷轧带肋钢筋试验方案见表1。
   每组试件均制作3个试模，通过在试模墙板上定位钻孔固定冷轧带肋钢筋的位置来准确控制混凝土保护层厚度，在靠近加载墙处的钢筋上缠绕塑料布形成50mm的无粘结段，以清除拔出试验时加载端垫块对混凝土局部挤压的影响。钢筋在试模内准确定位后浇筑混凝土并在震动台上振动密实，每组试件浇注的同时还制作2组（6个）立方体试块，以确定拔出试件的混凝土强度。试件和试块浇注完毕后一起置于室内养护，当混凝土强度达到设计要求后进行拔出试验。
  1.2 试验方法
  粘结锚固试件拔出试验在WE-30型液压万能试验机上进行，按照《混凝土结构试验方法标准》GB50152-92的要求分级加载。试验时分别在加载端和自由端安装百分表，以量测加载端和自由端的相对滑移和试件所受拉拔力由端的相对滑移时间所受的拉拔油压表记录。实验装置意图及试验现场如图1所示。
  2 冷轧带肋钢筋粘结滑移曲线的特点
  试验过程中，不同条件下滑移曲线不同特点   对于相对锚固长度适中、相对保护层厚度也适中的试件，当拉拔力较小时加载端的滑移值也较小，自由端尚未发生滑移；当加载至极限荷载1/4~至1/3左右时，自由端发生滑移，荷载滑移曲线开始呈现非线性状态；当加载至极限荷载的0.8~0.9左右，在荷载端稍微增加甚至不增加的情况下，滑移即有较大的增长，最后冷轧带肋钢筋被拔出；滑移即有较大的增长，最后冷轧带肋钢筋被拔出；有的试件钢筋被拔出时沿保护层厚度较小的试件表面出现一条或多条裂缝，典型的滑移曲线如图2所示。
  对于相对锚固长度适中、但相对保护层厚度较大的试件，自由端滑移发生较晚，当加载至极限荷载的1/2左右时自由端才发生滑移，最后钢筋被拔出，锚固破坏时试件表面大多无裂缝，其滑移曲线如图3所示。
  对于相对锚固长度较小的试件，当拉拔力较小时自由端即发生滑移，自由端滑移与加载端滑移几乎同时发生，钢筋被拔出，发生锚固破坏时试件表面大多无裂缝，其滑移曲线如图4所示。   对于相对锚固长度较大的试件，即使加载端滑移已经很大时，自由端也几乎不发生滑移，最后冷轧带肋钢筋被拉断，试件表面无裂缝，为发生锚固破坏，其滑移曲线如图5所示。
   3 高延性冷轧带肋钢筋锚固性能分析
   3.1 影响粘结锚固性能的因素
   3.1.1 混凝土强度
   图6为锚固长度相同试件的平均最大粘结应力岁混凝土强度变化的情况，从图中可以看出，冷轧带肋钢筋的平均粘结应力随混泥土抗拉强度的增大而增大，大致呈线性关系。最大粘结应力计算公式如下：
  3.1.2 钢筋直径
  图7表示相对锚固长度和混凝土强度基本相同试件的最大相对平均粘结应力岁钢筋直径变化的情况，可以看出，当其他条件基本相同时，结果随着钢筋的直径的增大而减小。
  3.1.3 锚固长度
  图8表示钢筋直径和保护层厚度基本相同的试件的最大相对平均粘结应力随着锚固长度的变化情况，从图中可见：在其他因素基本相同的情况下，结果随着锚固长度的增大而减小。
  3.1.4 保护层厚度
  图9表示钢筋直径、锚固 和混凝土强度基本相同试件随相对保护层厚度变化情况。可以看出，随着相对保护层厚度增大而增大，大致成线性关系。
  3.1.5 横向配箍率
  图10表示钢筋直径和锚固长度基本相同的试件的最大相对平均粘结应力随着横向配箍率变化情况。从图中可以看出，随着配箍率增大而增大，大致呈线性关系。
  3.2 高延性冷轧带肋钢筋借锚固强度的计算
  试验结果表明，影响高延性冷轧带肋钢筋粘结锚固性能的因素与月牙热轧钢筋相同，因此高延性冷轧带肋钢筋粘结锚固强度可在月牙纹热轧钢筋的粘结锚固强度公式基础上进行修正。
  我国《混凝土结构设计规范》粘结锚固专题研究组综合影响粘结锚固的因素，提出了月牙纹热轧钢筋的粘结锚固强度的计算公式如下：   根据粘结锚固拉拔试件的各项试验参数按上述公式计算得到的高延性冷轧带肋钢筋粘结强度计算值和实测值（进列出发生锚固破坏的试件）见表2,。高延性冷带肋钢筋实测的极限粘结强度和计算极限粘结强度壁纸的平均值。
  我国《混凝土结构设计规范》粘结锚固专题研究组提出的月牙纹热轧钢筋的极限粘结强度的计算公式主要适用于粗直径钢筋，其粘结锚固强度计算值应偏低一些，而冷轧带肋纲吉的直径大多不超过12mm，属于细直径钢筋的范围，其粘结锚固强度计算值应高于粗直径热轧钢筋。根据试验结构并考虑95%的保证率，可计算出冷轧带肋钢筋粘结锚固强度的提高系数为1.196，偏安全取1.15，得到高延性冷轧带肋钢筋粘结锚固强度的计算公式为：
   3.3 高延性冷轧带肋钢筋设计锚固长度取值
   钢筋的锚固设计的目的是给出锚固于混凝土中的钢筋在拉拔力作用下钢筋屈服而不发生粘结锚固破坏的必要而充分的锚固长度，有锚固承载力的极限状态程得锚固长度的计算公式为：   由于粘结锚固强度与混凝土的抗拉强度成比例，《混凝土结构设计规范》GB50010将各种钢筋的手拉锚固长度的计算公式统一表示为：   由前面分析可知高延性冷轧带肋钢筋的粘结锚固强度为月牙热轧钢筋的1.15倍，由上述两个计算公式可得到高延性冷轧带肋钢筋的受拉锚固长度的计算公式为：
  即得到现行《冷轧带肋钢筋混泥土结构技术规程》JGJ95-2003所采用的公式。现行规程规定当混凝土强度等级大于C40时，可取与C40级混凝土对应的抗拉强度，本次试验结果表明，当混凝土强度等级超过C40（试验混凝土最高强度仍能较好达到C70）时，按上述计算公式的设计锚固长度仍能较好适用。考虑到冷轧带肋钢筋强度设计值的提高及以高强混凝土的应用日益增多，为避免钢筋的锚固长度过大，建议锚固长度计算公式中的混凝土强度等级的上限可提高到C60。
  取高延性冷轧带肋钢筋抗拉强度设计值415，按照上述计算并适当取整，得到表3中数值，可供《冷轧带肋钢筋混凝土结构技术规程》修订及工程应用参考。   4 结论及建议
  （1）高延性冷轧带肋钢筋实测强屈比1.074~1.136，建议适当调整其冷轧带肋参数提高钢筋的强屈比。
  （2）试验结果表明：高延性冷轧带肋钢筋的平均粘结锚固强度岁混凝土强度、保护层厚度和横向配箍率的增大而增大，大致呈线性；随着钢筋的直径、相对锚固长度增大而减小。
  （3）高延性冷轧带肋钢筋属于细直径钢筋的范围，其粘结锚固强度高于粗直径的热轧钢筋，根据试验结果并考虑95%的保证率，偏安全可取冷轧带肋钢筋粘结锚固强度的系数为1.15。
  （4）高延性冷轧带肋钢筋的设计锚固长度可按照上述公式计算，考虑到冷轧带肋钢筋强度设计值的提高及高强钢筋混凝土应用日益增多，为避免钢筋的锚固长度过大，建议锚固长度公式中混凝土强度等级的上线可提高至C60。