螺旋箍筋約束疊合剪力墻14 mm豎向鋼筋搭接性能試驗(yàn)研究

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了7個(gè)鋼筋搭接試件.試件編號(hào)以L(fǎng)45R8C45-Y,L45R8C45-N為例說(shuō)明,其中“L45”表示搭接長(zhǎng)度為0.45l_a,“R8”表示箍筋配箍率為0.8%,“C45”表示預(yù)制側(cè)混凝土立方體強(qiáng)度,“Y”和“N”分別表示搭接鋼筋開(kāi)槽處理和未做開(kāi)槽處理.根據(jù)不同的研究目的,分為A組和B組(表1).A組研究不同配箍率(0,0.8%,2.8%)對(duì)鋼筋搭接的破壞模式、搭接性能的各類(lèi)指標(biāo)的影響,搭接長(zhǎng)度為0.45l_a,搭接區(qū)采用C45預(yù)制混凝土和相同強(qiáng)度的現(xiàn)澆細(xì)石混凝土.B組研究該連接方式下搭接筋的粘結(jié)應(yīng)力分布,通過(guò)鋼筋開(kāi)槽獲取搭接區(qū)域鋼筋的粘結(jié)應(yīng)力.其中,B組根據(jù)不同因素對(duì)粘結(jié)應(yīng)力分布影響又分為B-1組與B-2組,B-1組研究配箍率(0, 0.8%, 2.8%, 3.1%)對(duì)應(yīng)力分布影響,B-2組研究混凝土強(qiáng)度(C45,C55)對(duì)應(yīng)力分布影響,B-1和B-2中的L45R28C45-Y和L25R31C45-Y試件研究不同搭接長(zhǎng)度(0.45l_a,0.25l_a)對(duì)搭接鋼筋與混凝土粘結(jié)應(yīng)力分布的影響.

試驗(yàn)基于螺旋箍筋約束漿錨搭接試驗(yàn)得到的搭接強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式^[11],以搭接破壞時(shí)鋼筋不屈服為設(shè)計(jì)原則,設(shè)計(jì)了2組搭接長(zhǎng)度(0.25l_a,0.45l_a)和包括無(wú)箍筋組在內(nèi)的4組箍筋配箍率(0, 0.8%, 2.8%, 3.1%),試件參數(shù)表見(jiàn)表1.試件詳細(xì)情況如下:(1)采用2對(duì)2搭接鋼筋形式,以避免1對(duì)1搭接鋼筋偏心產(chǎn)生的附加彎矩對(duì)鋼筋搭接性能的影響;(2)試件模擬疊合剪力墻構(gòu)造特點(diǎn),兩側(cè)為普通混凝土預(yù)制層,中間為細(xì)石混凝土現(xiàn)澆層,預(yù)制側(cè)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C45、C55,現(xiàn)澆側(cè)混凝土采用等同預(yù)制側(cè)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)原則;(3)根據(jù)剪力墻邊緣構(gòu)件常用的鋼筋直徑,選取搭接鋼筋直徑14 mm,鋼筋等級(jí)為HRB400級(jí);(4)螺旋箍筋覆蓋搭接長(zhǎng)度,并在搭接區(qū)域外設(shè)置足夠的錨固長(zhǎng)度,鋼筋等級(jí)為HPB300級(jí).

試件施工圖如圖1所示.設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C45、C55的混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度分別為44.2 MPa、54.1 MPa.鋼筋的實(shí)測(cè)力學(xué)性能見(jiàn)表2.

表1 試件參數(shù)表
Tab.1 Details of specimens

圖1 試件施工圖
Fig.1 Sketch of specimens

表2 鋼筋力學(xué)性能
Tab.2 Mechanical properties of steel bars

試驗(yàn)采用同濟(jì)大學(xué)試驗(yàn)室的微機(jī)控制作動(dòng)器進(jìn)行試驗(yàn).試件一端兩鋼筋通過(guò)轉(zhuǎn)換鋼板分別與作動(dòng)器、底座鉸接連接,以確保上下拉拔方向在同一中心線(xiàn)上.試驗(yàn)采用位移控制的單向單調(diào)加載方式.

試驗(yàn)測(cè)量?jī)?nèi)容包括:荷載、鋼筋自由端和加載端滑移,最小保護(hù)層側(cè)混凝土膨脹應(yīng)變,開(kāi)槽鋼筋應(yīng)變.其中,鋼筋滑移通過(guò)端部設(shè)置位移計(jì)和應(yīng)變片測(cè)量; 沿搭接長(zhǎng)度方向設(shè)置4個(gè)應(yīng)變片測(cè)量最小保護(hù)層側(cè)的混凝土膨脹應(yīng)變; 根據(jù)文獻(xiàn)[16-17],通過(guò)搭接鋼筋開(kāi)槽等間距內(nèi)置應(yīng)變片獲取搭接區(qū)搭接筋的應(yīng)變分布.

A組試件破壞過(guò)程基本相同,鋼筋滑移平均值均超過(guò)1 mm,鋼筋出現(xiàn)了顯著的拔出現(xiàn)象.受力階段分為彈性階段、滑移階段、破壞階段.各試件的荷載-滑移曲線(xiàn)見(jiàn)圖4,滑移為四根鋼筋加載段滑移值的平均值.

在彈性階段,試件的荷載-位移曲線(xiàn)基本近似直線(xiàn),試件到達(dá)峰值荷載的80%左右時(shí),隨后進(jìn)入滑移階段,此時(shí)鋼筋未屈服.在滑移階段,荷載緩慢增加,鋼筋與混凝土間出現(xiàn)較大滑移,鋼筋被緩慢拔出,試件L45R0C45-N在滑移值達(dá)到5.21 mm時(shí)預(yù)制與現(xiàn)澆混凝土界面發(fā)生劈裂破壞,L45R8C45-N、L45R28C45-N的最小保護(hù)層側(cè)混凝土表面出現(xiàn)縱向微裂縫見(jiàn)圖5(a).在破壞階段,試件L45R8C45-N鋼筋屈服后拔出破壞見(jiàn)圖5(b),試件L45R28C45-N鋼筋拉斷.

圖4 荷載-滑移 曲線(xiàn)
Fig.4 Pull-out force vs. slip curves

圖5 試件破壞形態(tài)
Fig.5 Failure pattern of specimens

從受力過(guò)程和破壞形態(tài)來(lái)看,配箍率不小于0.8%、搭接長(zhǎng)度不小于0.45l_a的鋼筋搭接形式可確保搭接鋼筋在疊合混凝土內(nèi)的有效傳力.

各試件的平均峰值強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)滑移值隨配箍率的變化規(guī)律見(jiàn)圖6所示.

根據(jù)特征值變化規(guī)律圖可知:

(1)鋼筋屈服時(shí),當(dāng)配箍率從0增加到0.8%時(shí),屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的滑移值(s_y)提升了139.8%,當(dāng)配箍率從0.8%增加到2.8%時(shí),s_y基本持平;

(2)破壞時(shí),當(dāng)配箍率從0增加到0.8%時(shí),峰值強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)滑移值(s_max)分別提升了27.1%、158.4%,箍筋約束作用效果顯著; 當(dāng)配箍率從0.8%增加到2.8%時(shí),峰值強(qiáng)度和s_max分別提升了2.1%、38.1%,增長(zhǎng)率均顯著降低;

總體而言,在低配箍率水平下,箍筋對(duì)搭接性能特征值的影響較為顯著; 當(dāng)配箍率提升到一定程度時(shí),箍筋的約束作用有限,增幅降低.

圖6 特征值變化規(guī)律
Fig.6 Characteristic relation variation

根據(jù)描述混凝土鋼筋粘結(jié)機(jī)理的厚壁圓筒理論,鋼筋周向混凝土的膨脹應(yīng)變與混凝土鋼筋界面法向壓力相關(guān).本試驗(yàn)通過(guò)外貼應(yīng)變片,探究不同配箍率對(duì)箍筋和混凝土約束作用的影響.大部分試件在荷載達(dá)到峰值荷載80%時(shí),滑移增長(zhǎng)較快,此時(shí)混凝土的膨脹應(yīng)變也增長(zhǎng)較快,因此選擇80%峰值荷載和峰值荷載兩個(gè)階段分析混凝土膨脹應(yīng)變沿搭接長(zhǎng)度方向的分布特點(diǎn).但由于部分試件的混凝土應(yīng)變片在快速增長(zhǎng)期提前破壞未能獲取完整的應(yīng)變分布,而未列為本節(jié)的分析對(duì)象.混凝土表面膨脹應(yīng)變隨搭接位置變化曲線(xiàn)如圖7所示,l_s為搭接長(zhǎng)度.

根據(jù)以上混凝土表面膨脹應(yīng)變?cè)诳v向的分布曲線(xiàn)圖可知:

(1)在同一級(jí)荷載下,混凝土應(yīng)變隨搭接方向單調(diào)變化,加載端混凝土膨脹變形大于自由端混凝土膨脹變形.由此可見(jiàn),混凝土和箍筋的約束力沿搭接方向的分布也呈現(xiàn)不均勻性,約束力在靠近加載端區(qū)域較大;

(2)在同一位置處,混凝土應(yīng)變隨荷載增加都呈單調(diào)遞增趨勢(shì),說(shuō)明對(duì)搭接鋼筋的約束力逐漸增強(qiáng).

(3)相同搭接長(zhǎng)度下,80%峰值荷載時(shí),膨脹應(yīng)變隨配箍率的增加而增加,而到峰值荷載時(shí),規(guī)律相反.這是由于配箍率越大,箍筋對(duì)混凝土膨脹應(yīng)變的約束作用越強(qiáng),混凝土膨脹應(yīng)變發(fā)展速度越慢.

圖7 混凝土表面膨脹應(yīng)變分布
Fig.7 Dilation strain distribution on concrete surface

搭接區(qū)鋼筋應(yīng)力的變化受鋼筋與混凝土的粘結(jié)應(yīng)力分布的影響.明確粘結(jié)應(yīng)力沿搭接長(zhǎng)度方向的分布規(guī)律是研究鋼筋搭接機(jī)理及建立粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ).

搭接鋼筋與混凝土的粘結(jié)應(yīng)力通常采用鋼筋開(kāi)槽內(nèi)置多個(gè)應(yīng)變片獲得.具體步驟如下:①以?xún)蓚€(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)間的鋼筋為隔離體、計(jì)算隔離體區(qū)段的平均粘結(jié)應(yīng)力; ②以相鄰兩應(yīng)變片的中點(diǎn)為控制點(diǎn),根據(jù)隔離體區(qū)段的平均粘結(jié)應(yīng)力為控制點(diǎn)粘結(jié)強(qiáng)度,相鄰控制點(diǎn)間粘結(jié)應(yīng)力分布平滑曲線(xiàn)連接.圖8為B組各試件不同荷載水平的應(yīng)力分布,其中,60%峰值荷載為鋼筋屈服前,80%和100%峰值荷載為鋼筋屈服后.

根據(jù)以上試件應(yīng)力分布圖可知:

(1)鋼筋屈服前和屈服后,粘結(jié)應(yīng)力分布形式基本相近.

(2)當(dāng)搭接長(zhǎng)度為時(shí),配箍率為0的最大應(yīng)力峰靠近自由端; 配箍率為2.8%的最大應(yīng)力峰靠近拉拔端.

(3)當(dāng)搭接長(zhǎng)度為0.45l_a時(shí),分布呈多峰型分布,配箍率0,0.8%兩試件最大應(yīng)力峰峰值分別為20.9 MPa,20.2 MPa,相差3%.配箍率對(duì)應(yīng)力峰峰值強(qiáng)度的影響不顯著.

(4)搭接長(zhǎng)度為0.25l_a時(shí),分布呈現(xiàn)雙峰型分布,混凝土強(qiáng)度C45,C55兩試件最大應(yīng)力峰峰值分別為17.37 MPa,17.5 MPa,相差1%.混凝土強(qiáng)度對(duì)應(yīng)力峰峰值強(qiáng)度的影響不顯著.

圖8 鋼筋粘結(jié)應(yīng)力分布
Fig.8 Bond stress distribution of reinforcement