裝配式混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋連接拉拔試驗(yàn)研究

0鋼筋錨固機(jī)理安裝結(jié)構(gòu)是指由預(yù)制構(gòu)件組成的快速裝配結(jié)構(gòu)，通過(guò)連接鋼筋和混凝土的加固連接形成。裝配式結(jié)構(gòu)上的鋼筋錨固質(zhì)量常受到孔洞成型方式、灌漿質(zhì)量等方面的影響。其中錨固體系的傳力規(guī)律作為核心問(wèn)題之一，其研究尚不成熟。因此，開(kāi)展鋼筋連接界面的破壞演化規(guī)律研究，對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用具有重要的理論和工程應(yīng)用價(jià)值國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼筋錨固進(jìn)行了大量的探索與研究。理論方面，王明恕等目前的研究集中在鋼筋錨固力學(xué)模型及承載力計(jì)算方面，但是對(duì)錨固體系傳力機(jī)理，鋼筋與錨固劑、錨固劑與混凝土界面?zhèn)髁σ?guī)律研究還不完善，還需要深入研究，為鋼筋錨固體系的理論和應(yīng)用提供依據(jù)。因此，本文針對(duì)鋼筋、錨固劑、混凝土界面間的破壞演化規(guī)律開(kāi)展鋼筋漿錨連接界面拉拔試驗(yàn)，以數(shù)字散斑相關(guān)方法為手段，通過(guò)觀測(cè)加載過(guò)程中錨固體系表面變形場(chǎng)演化趨勢(shì)，研究鋼筋錨固體系在拉拔過(guò)程中應(yīng)力-應(yīng)變演化規(guī)律，為裝配式結(jié)構(gòu)鋼筋錨固連接的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。1試驗(yàn)部分1.1模型創(chuàng)建與制作常規(guī)的鋼筋拉拔試驗(yàn)采用混凝土圓柱體作為基體，模型的荷載、約束條件和幾何模型均為軸心對(duì)稱(chēng)，在加載過(guò)程中模型內(nèi)部鋼筋和混凝土的應(yīng)力、應(yīng)變也為軸心對(duì)稱(chēng)。因此，為了對(duì)鋼筋、錨固劑、混凝土界面間的破壞演化規(guī)律進(jìn)行觀測(cè)，獲取錨固體系表面變形場(chǎng)演化規(guī)律，設(shè)計(jì)采用半圓柱體作為拉拔試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖1所示，并在模型上下兩端設(shè)置鋼箍作為離面位移約束，以保證加載過(guò)程中模型及荷載始終為軸心對(duì)稱(chēng)狀態(tài)。模型采用HRB400螺紋鋼筋，直徑為25mm，黏結(jié)長(zhǎng)度為600mm?；炷涟凑账唷⑸?、碎石的質(zhì)量比為1∶0.95∶2.46的比例配置，混凝土基體高度為700mm。模型制作時(shí)，將混凝土澆筑到內(nèi)徑為350mm、長(zhǎng)度為700mm的半圓形模具中，并布設(shè)PVC管作為鋼筋及灌漿料的后期澆筑預(yù)留孔徑。在混凝土完成初凝以后，取出預(yù)埋在混凝土基體中的PVC管。將鋼筋放置在模型中心預(yù)留孔洞，并澆注灌漿料進(jìn)行錨固。在模型養(yǎng)護(hù)完成后，在鋼筋、灌漿料和混凝土界面人工布設(shè)黑底白點(diǎn)散斑。1.2試驗(yàn)場(chǎng)景為了分析黏結(jié)劑厚度對(duì)鋼筋錨固體系連接界面破壞演化規(guī)律的影響，制作了4種不同黏結(jié)劑厚度的試件，試件的編號(hào)及具體參數(shù)見(jiàn)表1。1.3試驗(yàn)過(guò)程及測(cè)點(diǎn)布置采用液壓拉拔儀配合反力架作為試驗(yàn)的加載系統(tǒng)，如圖2所示。加載時(shí)將拉拔儀置于反力架面板上，試件置于反力架下部以保證試件軸心受拉。加載過(guò)程中，采用2臺(tái)CCD工業(yè)相機(jī)對(duì)試件軸面進(jìn)行觀測(cè)。1號(hào)相機(jī)采集整個(gè)試件軸面的圖像，2號(hào)相機(jī)采集試件上部受拉端重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域圖像，如圖3所示。采集預(yù)加載階段試件軸面作為初始圖像，待每級(jí)荷載穩(wěn)定后，再次采集軸面圖像，并記錄荷載及應(yīng)變。重復(fù)該過(guò)程，直至試件破壞。同時(shí)，為了獲取荷載在試件內(nèi)部的傳遞規(guī)律，在鋼筋上沿加載端向自由端共布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示。2結(jié)果與分析2.1錨固體系的破壞模式試驗(yàn)過(guò)程中，各試件的破壞過(guò)程相似。以sj-40為例，試驗(yàn)加載開(kāi)始后，在加載端開(kāi)始出現(xiàn)裂隙，并由鋼筋與灌漿料的交界面向混凝土外側(cè)擴(kuò)展，直至有灌漿料或混凝土剝落，最終灌漿料被擠碎，鋼筋錨固體系被破壞，如圖5(a)所示。試件sj-50和試件sj-75在加載端灌漿料與混凝土交界面處的混凝土和灌漿料剝落，如圖5(b)～5(c)所示。而試件sj-160的灌漿料在加載端處形成錐形體拉出破壞，如圖5(d)所示。由此可見(jiàn)，錨固體系的破壞模式與錨固劑厚度有關(guān)。表2為各試件破壞時(shí)的最大拉拔力。從表2可以看出，對(duì)于鋼筋漿錨連接試件，隨灌漿料厚度的增大，試件破壞時(shí)的拉拔力也隨之增大。2.2鋼筋錨固的傳遞圖6為加載過(guò)程中鋼筋應(yīng)變沿縱向軸線(xiàn)的演化規(guī)律。由圖6可見(jiàn)，拉拔力在試件內(nèi)沿鋼筋從加載端向自由端逐步傳遞。并且，當(dāng)sj-40和sj-50上的拉拔力傳遞到測(cè)點(diǎn)2位置處時(shí)，鋼筋錨固便發(fā)生破壞。而sj-160中的拉拔力則至少傳遞至測(cè)點(diǎn)4深度處，鋼筋錨固才發(fā)生破壞。因此，灌漿料厚度越大，荷載向試件內(nèi)部傳遞相對(duì)也越深。另外，各個(gè)測(cè)點(diǎn)荷載-應(yīng)變演化規(guī)律比較相似，尤其是sj-160，沿軸向變形較為一致。2.3表1中波系統(tǒng)變形場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律由于采用半圓柱體試件，觀測(cè)面的變形場(chǎng)是以鋼筋為軸的對(duì)稱(chēng)圖像，故選取觀測(cè)面的一半作為分析區(qū)域。2.3.1鋼筋漿錨連接界面位移場(chǎng)演化規(guī)律分析數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)是通過(guò)對(duì)變形前后散斑圖像進(jìn)行位置搜索，分析各區(qū)域灰度分布差異實(shí)現(xiàn)位置和應(yīng)變的測(cè)量。同一坐標(biāo)體系中，前、后散斑圖灰度分布可用函數(shù)f(x,y)、g(x,y)分別表示如下:式中:int為取整數(shù);n為子區(qū)內(nèi)散斑顆粒數(shù);a通過(guò)上式的計(jì)算，可以獲得試件觀測(cè)表面應(yīng)變場(chǎng)變化特征以試件sj-160為例，選取試件受到典型荷載作用時(shí)整體區(qū)域，采用Vic-2D圖像分析系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算與分析，獲得試件表面位移場(chǎng)，繪制位移場(chǎng)云圖，從而對(duì)鋼筋漿錨連接界面變形演化規(guī)律進(jìn)行研究。圖7為試件的水平向位移場(chǎng)云圖，圖中豎線(xiàn)為灌漿料與混凝土基體的分界面，在分析時(shí)規(guī)定像素從左向右移動(dòng)為正。由圖7可以看出，在水平向混凝土及灌漿料均趨向于背離鋼筋方向變形，且自加載端至自由端位移量越來(lái)越小。隨著拉拔力增大，位移也隨之增大。而由于在灌漿料與混凝土界面的材料的不連續(xù)性，在界面處的等值線(xiàn)易發(fā)生波動(dòng)，并隨拉拔力增大，該現(xiàn)象由加載端逐漸向自由端傳遞，當(dāng)拉拔力達(dá)到96kN時(shí)，波動(dòng)已完全傳遞至自由端。灌漿料及混凝土界面處水平變形量均大于其同一高度位置處。圖8為試件sj-160縱向位移場(chǎng)云圖，計(jì)算時(shí)規(guī)定像素以從上向下移動(dòng)為正。由圖8可知，在荷載作用下縱向位移場(chǎng)均為負(fù)，且越靠近鋼筋，位移值越大，并隨拉拔力的增加，位移值也隨之增大。當(dāng)拉拔力達(dá)到62kN時(shí)，在50mm深度處出現(xiàn)集中增大現(xiàn)象，且隨著拉拔力的增加，區(qū)域范圍也逐漸增大，同時(shí)試件的位移也顯著增加。當(dāng)拉拔力增加到96kN時(shí)，等值線(xiàn)在灌漿料與混凝土界面發(fā)生突變，在混凝土側(cè)區(qū)域，等值線(xiàn)基本水平分布;而在灌漿料區(qū)域，同一水平高度，距離鋼筋越近，灌漿料的位移越大，且在距鋼筋25mm處，加載端附近的灌漿料發(fā)生位移集中現(xiàn)象。2.3.2預(yù)壓錨點(diǎn)內(nèi)最大剪切應(yīng)變分布場(chǎng)分析在已有變形場(chǎng)的基礎(chǔ)上，利用拉格朗日展開(kāi)式計(jì)算試件觀測(cè)表面的應(yīng)變場(chǎng)分布:通過(guò)對(duì)位移場(chǎng)的計(jì)算，可以獲得觀測(cè)面第一主應(yīng)變(ε在第一主應(yīng)變場(chǎng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)式(6)可以進(jìn)一步獲得觀測(cè)面的最大剪切應(yīng)變分布場(chǎng)云圖，如圖10所示。式中:ε由圖10可知，加載初期，γ主要存在于加載端鋼筋附近的灌漿料區(qū)域，隨著拉拔力不斷增大，在加載端鋼筋附近，灌漿料區(qū)域的剪應(yīng)變影響范圍向試件深處擴(kuò)展，混凝土基體與灌漿料連接界面處的應(yīng)變及兩側(cè)區(qū)域的應(yīng)變也隨之增大。當(dāng)拉拔力達(dá)到96kN時(shí)，灌漿料區(qū)域內(nèi)的應(yīng)變值隨錨固深度增加而減小，加載端附近鋼筋的灌漿料應(yīng)變最大，此時(shí)界面處應(yīng)變略大于兩側(cè)的應(yīng)變，試件破壞。3錨固劑厚度的影響(1)受錨固劑厚度的影響，錨固體系產(chǎn)生了鋼筋被拉出和混凝土劈裂2種破壞模式，且錨固體系的承載力隨錨固劑厚