基于銹蝕與疲勞荷載耦合影響的鋼筋混凝土粘結滑移性能的測試方法及加載裝置與流程

本發明涉及土木工程混凝土結構試驗技術領域，具體涉及一種基于銹蝕與疲勞荷載耦合影響的鋼筋混凝土粘結滑移性能的測試方法及加載裝置。

背景技術：

鋼筋混凝土結構中鋼筋與混凝土之間的應力傳遞和變形協調是通過兩者間的粘結作用實現的，鋼筋與混凝土之間的化學膠著力、摩擦力和機械咬合力組成了鋼筋混凝土結構的粘結力。鋼筋與混凝土之間充分的粘結作用是鋼筋混凝土結構發揮良好工作性能的前提和基礎。鋼筋局部粘結應力和局部相對滑移之間的關系稱為粘結滑移本構關系，它反映了鋼筋和混凝土的全過程的接觸行為，是鋼筋混凝土構件有限元分析、受彎構件裂縫寬度計算、撓度計算，以及梁柱節點地震作用下力學性能研究的理論基礎。然而，隨著鋼筋混凝土結構服役時間的延長，鋼筋和混凝土之間的粘結作用將會在外部環境或荷載的作用下產生退化，其中包括鋼筋銹蝕引起的粘結強度的退化以及疲勞荷載引起的剛度降低。

當混凝土結構中鋼筋生銹以后，鋼筋與混凝土的粘結性能會產生很大變化。鋼筋發生銹蝕以后，體積變大，混凝土保護層會因此而產生環向拉應力。當銹蝕率較小時，保護層不會開裂，銹脹壓力會使粘結力略微增大；而當銹蝕率較大時，混凝土保護層將產生徑向裂縫甚至出現剝落，鋼筋和混凝土之間的粘結力因約束減小而降低，粘結力的降低將顯著影響構件的極限承載力和抗彎剛度，進而影響整個混凝土結構的安全性和適用性等服役性能。

除銹蝕以外，許多工程結構，如橋梁、吊車梁以及鐵路軌枕等在服役過程中承受更多的是重復荷載(亦稱：疲勞荷載)的作用，因此面臨著較為突出的疲勞問題。在疲勞荷載的反復作用下，鋼筋和混凝土之間相對滑移不斷發展，導致構件剛度減小，撓度增大，裂縫逐漸變寬，嚴重時還會導致粘結疲勞破壞，引起鋼筋混凝土結構的失效，從而對鋼筋混凝土結構的服役性能產生顯著影響。

目前，國內外對銹蝕引起的粘結退化進行了一定的研究，但是多集中于粘結強度的退化，關于銹蝕鋼筋混凝土的粘結滑移本構關系仍然非常少。如國外auyeungetal.^[1]，bhargavaetal.^[2]和leeetal.^[3]等提出了指數關系模型來描述粘結強度隨銹蝕率的變化規律，cabrera^[4]和stanishetal.^[5]提出了線性關系模型來描述粘結強度隨銹蝕率的變化規律，又如國內袁迎曙教授等^[6]提出了考慮保護層厚度影響的粘結強度退化線性公式。縱觀國內外已有研究，大多研究基于中心拔出無箍筋試件，箍筋對粘結強度退化的影響缺乏深入認識，且保護層厚度較大，與實際結構中鋼筋的外部約束條件并不完全符合。而關于疲勞荷載作用下的粘結滑移性能，國內外的研究更少，rehmandeligehausen^[7]和kochandbalázs^[8,^9]發現疲勞加載不會對粘結強度產生顯著影響，但可以使鋼筋和混凝土產生較大的殘余滑移，使構件的剛度降低；byungetal.^[10]同樣觀察到此現象，并提出了疲勞荷載作用后的粘結滑移本構關系模型。但是，基于鋼筋銹蝕與疲勞荷載對鋼筋混凝土粘結滑移性能的耦合影響，國內外相關研究仍未見報道。

同樣的，在現有技術中，關于鋼筋混凝土的粘結性能、粘結強度、粘結應力等參數的測試方法及配套測試裝置，大多是基于鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土粘結滑移性能的影響關系而設計的測試模型，并不能綜合考慮鋼筋銹蝕以及疲勞荷載對鋼筋混凝土粘結滑移性能的耦合影響關系，故難以應用于實際工程，真實、客觀地反映出鋼筋混凝土的粘結滑移本構關系。如：

申請號為201210162916.8的中國發明專利，公開了一種用于測量鋼筋和混凝土粘結力的圓柱體試件，其把鋼筋穿過圓柱形pvc管，并通過直徑等于圓柱形pvc管外徑的圓形鋼板來固定鋼筋位置，該技術方案的不足之處在于：①通過膠帶來固定pvc管和鋼板，振搗混凝土時極易漏漿，并且效率較低，并不適合大規模的對比試驗；②圓柱形試塊保護層厚度比實際結構中要大很多，并且無法放置箍筋，在對試塊進行加載時，混凝土受壓易使鋼筋受拉，使其無法真正模擬鋼筋混凝土梁中的粘結受力狀態。

申請號為201510688835.5的中國發明專利，公開了一種測定鋼筋與混凝土粘結性能的拉拔裝置，該裝置利用萬能試驗機、并借助由鋼板和螺桿組成的加載架對中心拔出試塊進行靜力加載，該技術方案的不足之處在于：保護層過大，使得試塊加載后，受力方式與實際不符。

申請號為201510690612.2的中國發明專利，公開了一種擠壓式測定鋼筋與混凝土粘結性能的裝置及測試方法，該技術方案的不足之處在于：保護層過大，加載速率無法控制，無法進行重復加載，并且千斤頂與鋼筋不易對中，致使加載失敗；

申請號為201410306597.2的中國發明專利，公開了一種鋼筋混凝土粘結應力及滑移測量裝置，該技術方案的不足之處在于：保護層過大與實際不符，未考慮重復加載及銹蝕的情況；

申請號為201310578387.4的中國發明專利，公開了一種測定鋼筋與砼粘結性能的液壓固定裝置，該技術方案的不足之處在于：中心試件保護層過大，混凝土雙面受壓與實際結構中混凝土受力狀態不符；

綜上所述，如何提供一種真實、客觀的測試鋼筋混凝土粘結滑移性能的方法及其加載裝置，以用于準確研究不同保護層厚度、箍筋間距、銹蝕和疲勞荷載對鋼筋混凝土粘結滑移性能的耦合影響，進而建立不同約束條件下的粘結滑移本構模型，以應用于實際工程檢測，是本領域技術人員急需解決的技術難題。

技術實現要素：

本發明目的在于，提供一種鋼筋混凝土粘結滑移性能的測試方法及加載裝置，來真實、客觀地反映出實際工程中梁端式構件受銹蝕與疲勞荷載耦合影響的粘結滑移本構關系，解決了上述現有技術的缺陷。

為實現本發明目的，采用的技術方案具體如下：

一種基于銹蝕與疲勞荷載耦合影響的鋼筋混凝土粘結滑移性能的加載裝置，包括一外部反力架，外部反力架上設有mts試驗機，mts試驗機的端部安裝有轉換接頭和錨具；mts試驗機正下方設有內部反力架，內部反力架上設有放置待測試塊用的工位，該工位為由第一擋板、第二擋板、第一緊固螺桿和第二緊固螺桿共同圍成的方形空間；其中第一擋板位于靠近mts試驗機的一側，第二擋板位于第一擋板的正下方，第一緊固螺桿和第二緊固螺桿分別與第一擋板、第二擋板相連接；第一擋板與第二擋板之間，還設有上壓板，上壓板的一端固定在第一緊固螺桿上，另一端固定在第二緊固螺桿上；第一擋板頂端安裝有第一夾具，第一夾具上固定有第一位移傳感器；第二擋板底端安裝有第二夾具，第二夾具上固定有第二位移傳感器；第一位移傳感器和第二位移傳感器均設于第一擋板與第二擋板的中軸線上。

優選的，外部反力架為工字形結構，由垂直于地面且互相平行的兩根豎梁、與地面平行的一根橫梁組成。

優選的，內部反力架由第一支撐槽鋼，第二支撐槽鋼，第三支撐槽鋼，豎向工字鋼和支撐底板組成，其中，第一支撐槽鋼設于地面上，第二支撐槽鋼垂直固定于第一支撐槽鋼上，第三支撐槽鋼與豎向工字鋼互相平行且均垂直固定于第二支撐槽鋼上，支撐底板固定于豎向工字鋼上。

一種基于銹蝕與疲勞荷載耦合影響的鋼筋混凝土粘結滑移性能的測試方法，包括如下步驟：

(1)試塊澆筑：制作木模，木模內依次放入pvc管、縱筋和箍筋并綁扎，在木模頂部澆筑混凝土并振搗、養護、拆模，切割后得到試塊；

(2)試塊加速銹蝕：對試塊的底部從里到外依次用海綿、不銹鋼網和塑料薄膜進行綁扎，將試塊中的鋼筋接通直流電源的正極，不銹鋼網接通直流電源的負極，用氯化鈉溶液潤濕海綿，對試塊進行加速銹蝕；

(3)安裝加載裝置：將如前任一項所述的加載裝置的外部反力架和內部反力架固定于水平反力墻上，在內部反力架的工位上放置步驟(2)得到的試塊，調節mts試驗機，使試塊中的鋼筋穿過轉換接頭并被錨具錨固，且鋼筋、mts試驗機同處于中軸線上；

(4)預加載：對試塊進行預加載，先施加不超過1噸的豎向荷載，使得試塊底部與第一擋板、第二擋板均緊密接觸；再操作mts試驗機，卸載至零，并于第一擋板上安裝第一位移傳感器，于第二擋板上安裝第二位移傳感器，且第一位移傳感器和第二位移傳感器的頂針分別與試塊接觸；

(5)加載：操作mts試驗機進入加載模式，加載模式分為靜力加載或疲勞加載，分別采樣兩種模式下位移、荷載的試驗數據；

(6)數據處理與分析：對試驗數據進行處理，計算平均粘結應力和平均滑移，繪制平均粘結應力-平均滑移關系曲線，根據曲線分析試塊的粘結強度、殘余粘結強度，據此判斷在不同荷載作用情況下的試塊粘結滑移性能；

所述的試塊，為梁端式試塊。

優選的，步驟(1)中，試塊長、寬、高的尺寸為300×150×250mm，并且試塊中的鋼筋處于偏心位置。

優選的，步驟(2)中，加速銹蝕時的氯化鈉溶液的質量分數為5％，腐蝕電流密度為不超過200μa/cm²。

優選的，步驟(5)中，當加載模式為靜力加載時，施加荷載的加載速率為0.5mm/min；或，當加載模式為疲勞加載時，施加荷載的加載速率先升至最大疲勞荷載水平pmax，再降至最小疲勞荷載水平pmin，并進行重復加載，且疲勞荷載水平下限pmin＞0。

優選的，步驟(6)中，平均粘結應力r的計算公式為：式中f是拔出力，d是鋼筋直徑，la是錨固長度；平均滑移的計算公式為：s＝(sl+sf-sδ)/2，式中sf為對自由端位移傳感器滑移值進行平均得到的相對滑移，sl為對加載端位移傳感器滑移值進行平均得到的相對滑移，sδ為加載端鋼筋的拉伸變形；且，式中lδ是位移傳感器夾具固定點到加載端混凝土表面距離，為50mm；e是鋼筋彈性模量；a是鋼筋橫截面積。

與現有技術相比，本發明的有益效果具體如下：

(1)本發明提供的一種鋼筋混凝土粘結滑移性能的測試方法，適用于梁端式構件，能準確測得不同保護層厚度及箍筋約束條件下的較為完整的粘結滑移曲線，客觀反應了梁端式構件受鋼筋銹蝕與疲勞荷載耦合影響的粘結滑移本構關系，與工程實際吻合度高，避免了傳統方法下與實際不符的缺點。

(2)本發明提供的測試方法，操作便捷，測量精度高，可以實現對普通鋼筋混凝土試件、銹蝕鋼筋混凝土試件在靜力荷載或疲勞荷載下粘結滑移性能的研究。

(3)本發明還提供了一種加載裝置，專用于前述的基于銹蝕與疲勞荷載耦合影響的粘結滑移性能的測試方法，該裝置結構簡單，拆裝方便，為自制的、原創設計結構，該裝置可以實現對大尺寸梁端式構件進行水平、豎向、單調以及重復等多種形式的加載。

附圖說明

圖1為本發明中梁端式構件剖面圖示意圖。

圖2為本發明中梁端式構件拆模以后示意圖。

圖3為本發明中梁端式構件加速銹蝕示意圖。

圖4為本發明中加載系統示意圖。

圖5為本發明中內部反力架主視示意圖。

圖6為本發明中內部反力架后視示意圖。

圖7為本發明中內部反力架側視示意圖。

圖8為本發明中mts轉換接頭示意圖。

圖9為本發明測得的靜力荷載作用下的粘結滑移曲線。

圖10為本發明測得的疲勞荷載作用下的粘結滑移曲線。

具體實施方式

以下結合附圖具體說明本發明基于梁端式構件研究普通變形鋼筋、銹蝕變形鋼筋與混凝土粘結滑移性能的方法。

如圖1所示，步驟一：試塊澆筑

制作長寬高尺寸為300×150×250mm的木模，木模沿長度方向兩端打孔。位于木模底側并且孔徑為25mm的圓孔兩個，孔中心至底部的距離由保護層厚度決定，至兩側的距離為75mm；位于木模頂部并且孔徑為8mm的圓孔四個，孔中心至兩側和頂部的距離分別為30mm和50mm。木模內放置好箍筋，將20mm熱軋變形鋼筋以及pvc塑料套管從底部孔穿入，pvc塑料套管內徑略大于鋼筋直徑。調整鋼筋和套管位置，使其符合圖1中所示尺寸要求，鋼筋粘結段和非粘結段交界面處用硅膠進行密封，防止漏漿。將兩根8mm光圓鋼筋從上部兩孔穿入充當架立筋，調整箍筋位置并進行綁扎。從非保護層側即木模頂部澆筑混凝土并振搗、養護、拆模，用磨光機除去裸露部分架立筋以及pvc塑料管，最終試塊如圖2所示。所述的試塊，為梁端式試塊。

步驟二：試塊加速銹蝕

制作長寬尺寸為350×300mm的吸水海綿、不銹鋼網以及塑料薄膜，海綿厚度為30mm。將海綿、不銹鋼網以及塑料薄膜包裹在梁端式試塊底部(保護層區域)，綁扎順序從里到外為海綿、不銹鋼網和塑料薄膜。將梁端式試塊中拉拔鋼筋用導線與穩壓直流電源正極連接，不銹鋼網用導線與電源負極連接，用5％的nacl溶液充份潤濕吸水海綿24小時，待銹蝕鋼筋區域的混凝土充份浸濕后，開啟直流電源進行通電試驗，腐蝕電流密度控制為不超過200μa/cm²。通電期間，用5％的nacl溶液保持棉花布充份濕潤，并保持電流為恒定值。加速銹蝕實驗的設計如圖3所示，加速銹蝕通電時間由法拉第定律確定，達到預期通電時間后，關閉直流電源，試塊加速銹蝕試驗結束。

步驟三：安裝加載裝置

本發明的加載裝置，如圖4～圖8所示，包括一外部反力架1，外部反力架上設有mts試驗機2，mts試驗機2的端部安裝有轉換接頭201和錨具202；mts試驗機2正下方設有內部反力架3，內部反力架3上設有放置待測試塊用的工位4，該工位4為由第一擋板401、第二擋板402、第一緊固螺桿403和第二緊固螺桿404共同圍成的方形空間；其中第一擋板401位于靠近mts試驗機2的一側，第二擋板402位于第一擋板401的正下方，第一緊固螺桿403和第二緊固螺桿404分別與第一擋板401、第二擋板402相連接；第一擋板401與第二擋板402之間，還設有上壓板5，上壓板5的一端固定在第一緊固螺桿403上，另一端固定在第二緊固螺桿404上；第一擋板401頂端安裝有第一夾具6，第一夾具6上固定有第一位移傳感器7；第二擋板402底端安裝有第二夾具8，第二夾具8上固定有第二位移傳感器9；第一位移傳感器7和第二位移傳感器9均設于第一擋板401與第二擋板402的中軸線上。

更進一步的，外部反力架1為工字形結構，由垂直于地面且互相平行的兩根豎梁(101和102)、與地面平行的一根橫梁(103)組成。

更進一步的，內部反力架3由第一支撐槽鋼301，第二支撐槽鋼302，第三支撐槽鋼303，豎向工字鋼304和支撐底板305組成，其中，第一支撐槽鋼301設于地面上，第二支撐槽鋼302垂直固定于第一支撐槽鋼301上，第三支撐槽鋼303與豎向工字鋼304互相平行且均垂直固定于第二支撐槽鋼302上，支撐底板305固定于豎向工字鋼304上；支撐底板305上焊接有工位4。

更進一步的，錨具202由一套筒和夾片組成。

本加載裝置的安裝過程具體如下：

首先，將本加載裝置的外部反力架1和內部反力架3固定于水平反力墻上，調整mts試驗機2的高度，通過四根螺桿將轉換接頭2固定于mts試驗機2上。

其次，將步驟(2)得到的試塊放置于內部反力架3的工位4上(即放置于第二擋板402上)，使試塊中的鋼筋穿過轉換接頭2上的圓孔，調整試塊位置，保證鋼筋和mts試驗機2處于同一中軸線上，利用錨具202將鋼筋錨固。

此時，工位4焊接于支撐底板305；上壓板7通過螺母固定于第一緊固螺桿403和第二緊固螺桿404之間；第一支撐槽鋼301，第二支撐槽鋼302，第三支撐槽鋼303和豎向工字鋼304以焊接方式連接；第一支撐槽鋼301通過錨桿固定于水平反力墻上。

步驟四：預加載

操作mts試驗機2，力控制模式下對試塊進行預加載，先施加不超過一噸的豎向荷載，使得試塊底部與第一擋板401、第二擋板402均緊密接觸，使得試塊保持緊固；再操作mts試驗機2，卸載至零，并于第一擋板401(即加載端，下同)上安裝第一位移傳感器7，于第二擋板402(即自由端，下同)上安裝第二位移傳感器9，保證第一位移傳感器7和第二位移傳感器9的頂針分別與試塊的良好接觸；利用動態數據采集儀歸零。

步驟五：加載

操作mts試驗機2進入加載模式，加載模式分為靜力加載或疲勞加載，同時啟動動態數據采集儀按一定頻率進行采樣，須分別采樣兩種模式下位移、荷載的試驗數據。

當對試塊采取的加載模式為靜力加載時，按位移控制模式施加荷載，施加荷載的加載速率為0.5mm/min，自由端滑移達到一倍鋼筋肋間距時停止加載；或，

當對試塊采取的加載模式為疲勞加載時，按位移控制模式施加荷載，施加荷載的加載速率先升至最大疲勞荷載水平pmax，再降至最小疲勞荷載水平pmin(且疲勞荷載水平下限pmin＞0)，隨后按一定頻率對試塊進行重復加載，相應的力和位移的數據采樣頻率提高至不低于疲勞加載頻率。達到預設疲勞次數以后，在未發生粘結疲勞破壞的情況下按位移控制模式繼續單調加載，加載速率仍控制為0.5mm/min，直至自由端滑移達到一倍鋼筋肋間距時停止加載。

步驟六：數據處理與分析

對試驗數據進行處理，計算平均粘結應力和平均滑移，繪制平均粘結應力-平均滑移關系曲線，根據曲線分析試塊的粘結強度、殘余粘結強度，據此判斷在不同荷載作用情況下的試塊粘結滑移性能。

(1)平均粘結應力和平均滑移的計算

本發明中，錨固段粘結長度設置為5d鋼筋直徑，可近似認為粘結應力沿錨固段均勻分布，故，平均粘結應力(即粘結強度)的計算公式為：

式a中：f是拔出力，d是鋼筋直徑，la是錨固長度。

平均滑移的計算公式為：s＝(sl+sf-sδ)/2(b)，

式b中：sf為對自由端位移傳感器滑移值進行平均得到的相對滑移，sl為對加載端位移傳感器滑移值進行平均得到的相對滑移，sδ為加載端鋼筋的拉伸變形。

加載端鋼筋的拉伸變形sδ的計算公式為：

式c中：lδ是位移傳感器夾具固定點到加載端混凝土表面距離，為50mm；e是鋼筋彈性模量；a是鋼筋橫截面積。

(2)繪制粘結應力-滑移曲線

以平均相對滑移值為橫坐標、平均粘結應力為縱坐標繪制粘結應力-滑移曲線，如圖9和圖10所示。

圖9是靜力荷載作用下，不同銹蝕率試塊所對應的粘結應力滑移曲線，可以看出隨著銹蝕率增大，粘結應力滑移曲線形態發生變化，殘余粘結應力與峰值粘結應力的比值逐漸變小。與非銹蝕試塊相比，銹蝕試塊粘結強度明顯降低，但殘余粘結強度變化不是很明顯。

圖10是疲勞荷載作用下，不同銹蝕率試塊所測得的粘結應力滑移曲線。與圖9中靜力加載試塊相比，疲勞加載試塊粘結滑移曲線形態明顯發生變化。由于疲勞荷載的作用，鋼筋和混凝土之間不斷產生不可恢復的殘余滑移(見圖中滯回環)，這在實際工程中表明：疲勞荷載會導致構件剛度降低、變形增大，這也反映了：受銹蝕與疲勞荷載耦合影響的試塊，其粘結滑移性能與普通的靜力荷載下的粘結滑移性能是截然不同的。

圖9和圖10表明，本發明可以測得完整的銹蝕與疲勞荷載耦合作用下的粘結應力滑移曲線，這在上述背景技術所提到的專利中是沒有的。

需要補充說明的是，本發明中加載裝置不僅適用于對普通梁端式構件、銹蝕梁端式構件進行靜力加載和疲勞加載，還可以在此基礎上考慮梁端彎矩以及剪力對粘結性能的影響對試件進行梁端式加載，以模擬鋼筋混凝土梁梁端粘結滑移性能，此種研究方法國內尚未出現。進行梁端式加載時，本發明提供的測試方法之步驟(1)對梁端式試塊的尺寸進行設計時，應注意保護層厚度最好不要超過35mm，以免發生剪切破壞；在步驟(1)中，第一擋板401沿試塊高度方向尺寸應不大于250mm，具體根據需要實現的彎矩大小而決定。

附：參考文獻

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