重复荷载下混凝土中钢筋锚固长度的理论分析.pdf
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1、36 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 9卷第 6期 2 0 1 3年 1 2月 重复荷载下混凝土中钢筋锚固长度的理论分析 蒋德稳 , 邱洪兴 ( 1 淮海工学院土木工程学院, 江苏 连云港2 2 2 0 0 5 ; 2 东南大学土木工程学院, 江苏 南京2 1 0 0 9 6 ) 摘要: 为了研究重复荷载下混凝土中钢筋的临界锚固长度, 首先运用粘结滑移基本微分方程, 基于 B a l a z s 静载下 局部粘结滑移本构关系推导了临界锚固长度理论解, 分析了混凝土强度、 保护层厚度和钢筋直径对静载下锚固长 度的影
2、响; 然后基于 B y u n g H w a n重复荷载下局部粘结滑移本构关系 , 根据粘结疲劳寿命基本理论, 即当重复荷载 下钢筋滑移量增长到静载最大滑移量时发生粘结疲劳破坏 , 推导了重复荷载下粘结锚 固长度公式, 分析了应力水 平、 应力循环次数对重复荷载下锚固长度的影响。研究表明: 重复荷载下, 由于粘结性能的退化, 钢筋的临界锚固 长度应有所增加, 在低应力水平下 , 重复荷载次数对锚固长度影响不大, 在高应力水平下影响明显。研究结果可为 深入研究混凝土结构疲劳性能提供依据和方便。 关键词: 锚固长度; 粘结; 滑移 ; 钢筋混凝土 中图分类号: T U 3 7 5 4 文献标志码
3、 : A 文章编号: 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 6 0 3 6 0 5 Th e o r e t i c a l a n a l y s i s o n a n c h o r a g e l e n g t h o f b a r s i n c o n c r e t e u n d e r r e pe a t e d l o a d i n g J I AN G D e w e n , Q I U H o n g x i n g ( 1 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g , H u a i
4、 - h a l I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , L i a n y u n g a n g 2 2 2 0 0 5 , C h i n a ; 2 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g , S o u t h e a s t U n i v e r s i t y , N a n j i n g 2 1 0 0 9 6, C h i n a ) Ab s t r a c t : I n o r d e r t o s t u d y t h e r e b a F s c ri
5、 t i c a l l e n g t h u n d e r r e p e a t e d l o a d i n g, a c c o r d i n g t o t h e b a s i c d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n o f t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n b o n d s t r e s s a n d s l i p, t h e t h e o r e t i c a l s o l u t i o n o f t h e c rit i c a l a n c h
6、o r a g e l e n gth w a s d e d u c e d b a s e d o n B a l a z s S b o n d s l i p b asi c c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n mo d e l s u n d e r mo n o t o n i c l o a d i n g Th e e f f e c t o f c o n c r e t e s t r e n gth, t h i c k n e s s o f e o n c r e t e c o v e r a n d r e b a r
7、d i a me t e r o n a n c h o r a g e l e n g t h we r e a n a l y z e d B a s e d o n B y u n g Hw a n S b o n d s l i p b a s i c c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n mo d e l s u n d e r r e p e a t e d l o a d i n g , t h e c r i t i c a l l e n gt h o f r e p e a t e d l o a d i n g w a s i n
8、 f e r r e d a c c o r d i n g t o B a l a z s S b o n d f a t i g u e l i f e t h e o r y( i e , t h e c o n d i t i o n o f b o n d f a t i g u e d a ma g e i s t h a t s l i p p a g e u n d e r r e p e a t e d l o a d i n g r e a c h t h e m a x i m u m s l i p p a g e u n d e r m o n o t o n i c
9、 l o a d i n g ) T h e e f f e c t o f s t r e s s l e v e l s ,r e p e a t e d t i me s o n a n c h o r a g e l e n gth w e r e als o a n a l y z e d Re s e a r c h s h o w s t h a t t h e c r i t i c al a n c h o r a g e l e n gth u n d e r r e p e a t e d l o a d i n g s h o u l d b e i n c r e a
10、 s e d b e c a u s e o f b o n d p e rf o r ma n c e d e t e ri o r a t i o n Un d e r l o w s t r e s s l e v e l , t h e r e p e a t e d t i me s h a v e l i t t l e i n flu e n c e o n t h e a n c h o r a g e l e n g t h, w h i l e t h e i nfl u e n c e u n d e r h i g h s t r e s s l e v e l i s
11、 d i s t i n c t T h e r e s u l t s o f t h e p r e s e n t s t u d y a r e e x p e c t e d t o b e u s e f u l f o r t h o r o u g h a n aly s i s o f c o n c r e t e s t r u c t u r e S f a t i gu e p e rf o rm a n c e Ke y wo r d s: a n c h o r a g e l e n g t h;b o n d ;s l i p;r e i nfo r c e
12、d c o n c r e t e O 引 言 钢筋和混凝土这两种材料能够共 同工作 , 其中 很重要的一个原因是因为钢筋和混凝土之 间有很好 的粘结作用。当混凝土构件受到荷载作用时, 在构 件或结构的某些部位 , 钢筋 和混凝土之间会 产生相 对滑移, 进而引起构件开裂或节点处的转角过大, 影 响结构的正常使用, 严重者还会影响结构的承载能 收稿 日期 : 2 0 1 2 -0 4 3 作者简介: 蒋德稳( 1 9 7 3 一) , 男, 江苏盐城人, 副教授, 博士, 主要从 事混凝土结构耐久性和疲劳性 能研究 。 基金项 目: 9 7 3项 目( 2 0 0 7 C B 7 1 4 2
13、0 0 ) Ema i l : J 5 5 91 3 7 1 1 6 3 c o in 力 , 使结构破坏。在通常情况下 , 纵向钢筋 的承载受 力是通过一定长度上钢筋表面与握裹层混凝土的粘 结锚 固作用实现的。因此 , 锚 固设计 的关键是确定 锚固长度 。静载下 , 当锚 固抗力等于钢筋 的屈服力 时, 相应的锚固长度为临界锚固长度, 这是保证受力 钢筋不发生锚 固破坏 的最小长度 ; 当锚 固抗力等于 钢筋 的极 限拉力时 , 相应的锚固长度为极 限锚 固长 度, 显然, 超过此值的锚固长度部分将不起作用 。 J 。 重复荷载下 , 由于粘结性能 的退化 , 临界锚 固长度 、 极限锚固
14、长度应有所增加。国内外试验表明 J , 高 周疲劳荷载下, 一般粘结疲劳发生之前, 钢筋和混凝 土就已经疲劳破坏了, 所以, 一般通过限制钢筋或混 凝土的应力幅来防止粘结疲劳破坏 , 而没有采用增 蒋德稳, 等: 重复荷载下混凝土中钢筋锚固长度的理论分析 3 7 大锚固长度的方法。低周反复荷载( 地震荷载) 下, 钢筋与周围混凝土的粘结锚固性能将比单调受拉时 不利 , 所 以国内外规范均通过增大钢筋锚 固长度来 考虑 , 如我国 G B J 1 O _8 9 规定 : 一 、 二级抗震等级 附加锚 固长度为 5 d ( d为钢筋直径 ) ; G B S 0 0 1 0 - 2 0 0 2 【
15、5 规定 : 一 、 二级抗震等级提高 1 5 的锚 固长 度 , 三级提高 5 。 针对高周疲劳荷载的情况 , 本文通过应用 B a l a z s 和 B y u n g H w a n 静载和重复荷载的局部粘结滑移 本构关系 , 基于粘结滑移基本微分方程 , 求解出静载 和重复荷载下锚 固长度公式 , 试图采用与低周反 复 荷载类似的方法, 即通过锚固长度的增加来考虑粘 结性能的退化。同时 , 为深入研究重复荷载下锚 固 问题提供理论基础。 1 基本理论 为 了比较全面地研究粘结应力和滑移关系 , 首 先对基本关系式进行必要的分析, 图 1 给出了锚固 端钢筋混凝土单元体受力情况。 _=
16、 _ 与 叶 # l I 一一 一 一 I I d x I ( a ) 钢筋受 到的应力状态 = : 口5 +d ) 。 ( +d 。 ( b ) 作用于钢筋 混凝土单元 上的力 I 一 : = l I _ 一 I 一 l J 4- - I一 ( C ) 钢筋和 混凝土的应 力和应变 图 1 钢筋混凝土 单兀体 受力分析 F i g 1 F o r c e a n a l y s i s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e e l e me n t s 1 1 基本方程 由图 1 ( a ) 和 ( b ) 可得平衡方程 : :霄 d r ( ) (
17、 1 ) 。 d c r c = A 警 ( 2 ) 其中, A 。 为钢筋面积( m m ) ; O r 为钢筋应力( M P a ) ; A 为 混 凝 土 面 积 ( m m ) ; 。为 混 凝 土 压 应 力 ( M P a ) ; 为混凝土截面应力不均匀系数, 一般 可 假定为0 7 5 ; d为钢筋直径; ( ) 为钢筋与混凝土 间粘结应力( MP a ) 。 由图 1 ( C ) 可得几何方程: 占 + = d s ( 3 ) 其中, 占 为钢筋拉应变; 为混凝土压应变; s 为钢 筋与混凝土的相对滑移( m m) 。假定钢筋与混凝土 均处于弹性状态 , 则物理方程 : 。 =
18、 E 占 ( 4 ) =E ( 5 ) 其中 , E 为钢筋弹性模量 ( MP a ) ; E 。 为混凝土弹性 模量( M P a ) 。 将物理方程( 4 ) 和( 5 ) 代人平衡方程( 2 ) , 再求 导可得 : =JB 占 。 ( 6 ) 其中, 卢= , 对几何方程( 4 ) 求导, 将式( 2 ) 和 式( 3 ) 代入可得微分方程如下: s )一 丁 :0 ( 7 ) 1 2 基于 B a l a z s 局部粘结滑移本构关系求解 B a l a z s 7 在 1 9 9 3 年提出了局部粘结滑移本构关 系( 幂函数形式 ) 如下 : r ( ) : f 1 ( 8 ) 、
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