【高強(qiáng)混凝土中螺柱連接件的拉伸性能實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告（論文）】

高強(qiáng)混凝土中螺柱連接件的拉伸性能實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告目錄TOC\o"1-2"\h\u21038高強(qiáng)混凝土中螺柱連接件的拉伸性能實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告 132094一、研究內(nèi)容： 122676二、研究背景： 125937三、實(shí)驗(yàn)總結(jié)： 21515（一）原材料 210715（二）實(shí)驗(yàn)流程 324129（三）實(shí)驗(yàn)結(jié)果 63098（四）結(jié)果討論 624160四、實(shí)驗(yàn)總結(jié)： 10一、研究內(nèi)容：在本研究中，對(duì)不同直徑-d（13、16和19mm）和有效嵌入深度hef（40、60和80毫米）組合的螺柱進(jìn)行了張力（拉出）試驗(yàn)，其28天抗壓強(qiáng)度為88MPa。由于高強(qiáng)混凝土（HSC）將用于復(fù)合結(jié)構(gòu)的施工，因此需要研究HSC中螺柱連接件的性能。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，混凝土破壞模式占主導(dǎo)地位，只有直徑最小、有效嵌入深度hef最大的情況受鋼筋破壞模式控制。由于高強(qiáng)度，高強(qiáng)度混凝土中的鋼筋破壞發(fā)生在比普通混凝土更小的hef/d處。在混凝土破裂模式下，呈現(xiàn)脆性荷載-位移行為，破裂錐的角度范圍為30°～35°，接近混凝土容量設(shè)計(jì)（CCD）方法。此外，極限抗拉強(qiáng)度（Nu）、剛度和峰前延性取決于hef和d?，F(xiàn)有的預(yù)測模型（CCD法和變角錐法）都高估了HSC中的Nu，這是因?yàn)槠淇估?抗壓強(qiáng)度比普通混凝土低。本研究考慮到漏鋼錐的形成機(jī)理，提出了一種改進(jìn)的簡化CCD方法，用于預(yù)測HSC中螺柱的極限抗拉強(qiáng)度（Nu）。二、研究背景：鋼-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如下：完整性、抗震性能、自重小、布局靈活。因此鋼-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)成為工程施工（尤其是大型工程）中最流行、應(yīng)用最廣泛、最突出的結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)是在混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。通過連接器連接混凝土構(gòu)件和鋼構(gòu)件，使混凝土和鋼構(gòu)件協(xié)同工作，通過連接器的傳傳遞功能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，優(yōu)勢分為兩點(diǎn)：第一，傳遞鋼構(gòu)件和混凝土構(gòu)件之間的剪切力，抵抗構(gòu)件之間的滑動(dòng)；第二，通過連接器抗拔的能力防止構(gòu)件與構(gòu)件分離，保證鋼筋混凝土連接處的應(yīng)力和變形發(fā)展。鋼混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)中使用的連接器包括螺柱、截面鋼連接器、穿孔板連接器和彎桿連接器，其中螺柱是最常用、應(yīng)用最廣泛、性能全面的連接器。本文作者認(rèn)為目前國外學(xué)者對(duì)鋼-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)的螺柱的拉伸（拔出）性能的研究較少。然而，關(guān)于在一般混凝土結(jié)構(gòu)中使用的錨桿的拉伸行為的一些經(jīng)典的預(yù)測模型是可用的。在改論文中，作者對(duì)國外學(xué)者的相關(guān)研究進(jìn)行了總結(jié)和梳理，包括45°法、變角錐(VAC)法和混凝土容量設(shè)計(jì)(CCD)方法的相關(guān)研究成果。例如ACI委員會(huì)（1997）年提出的45°方法可用于不清楚的混凝土結(jié)構(gòu)，但是方差很大。Fuchs等人（1995）在45°方法的基礎(chǔ)上，開發(fā)了VAC方法，其中包括錨定尺寸（直徑）的影響，并假設(shè)錐體的角度取決于嵌入深度。法羅和克林納（1996）根據(jù)多種錨（主要包括磁頭錨和膨脹錨）的拉出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了CCD方法。CCD方法是基于以下假設(shè)：混凝土破壞錐距水平面35°，破壞錐的投影面積為矩形，矩形邊的長度為預(yù)埋深度的3倍。根據(jù)這些學(xué)者的研究，筆者發(fā)現(xiàn)CCD方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的預(yù)測效果優(yōu)于其他方法，但是在過去的二十年里，對(duì)螺柱的拉伸行為的研究非常有限。Pallare′s&Hajjar(2010)根據(jù)一些早期研究的222個(gè)張力試驗(yàn)結(jié)果，比較了CCD方法與45°方法的預(yù)測精度，他們發(fā)現(xiàn)CCD方法提供了更精確的預(yù)測，散點(diǎn)結(jié)果更少。從國外學(xué)者的研究來看，目前還沒有關(guān)于高強(qiáng)度混凝土(HSC)中的螺柱拉出行為的研究。只有Nilforoush等人在2017年的研究中對(duì)兩種現(xiàn)澆錨固螺栓進(jìn)行了張力測試。結(jié)果表明，造血混凝土試樣比普通混凝土具有更高的極限強(qiáng)度，位移較小，與CCD方法的預(yù)測非常吻合。然而，他們只提供了有限的數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)參數(shù)。文獻(xiàn)中的預(yù)測方法僅適用于抗壓強(qiáng)度低于60MPa的普通混凝土，而本研究中鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)施工工程要求設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度為80MPa的HSC。因此，需要研究拉伸行為，包括螺柱的破壞模式，作為其在復(fù)合結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用說明。筆者根據(jù)這些研究成果設(shè)計(jì)了以HSC中螺柱的拉拔行為，作為預(yù)測和評(píng)估鋼-HSC復(fù)合結(jié)構(gòu)性能的一個(gè)方面。實(shí)驗(yàn)總結(jié)：（一）原材料①C80HSC和直徑分別為13mm、16mm、19mm的頭頭螺柱。星狀細(xì)胞的混合比例見圖1。采用ML15型圓柱頭螺柱，螺柱的基本物理性質(zhì)見圖2。圖1BFRC與C80HSC強(qiáng)度等級(jí)的混合比例圖2ML15錨定螺栓的基本物理特性（特征值）②水泥。采用浙江虎山集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的PO52.5普通硅酸鹽水泥。③地面高爐爐渣。山東日照有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)地面高爐礦渣。用于代替部分水泥，以減少水合熱，抑制裂縫的發(fā)展。④骨料。骨料由浙江青計(jì)算有限公司生產(chǎn)。粗骨料分級(jí)良好，粒徑為5～25mm，細(xì)骨料分級(jí)良好，為河砂，細(xì)度模量為2.6。⑤超增塑劑外加劑?；炷林惺褂玫腒C-NF-1聚羧酸增塑劑由浙江永健商業(yè)混凝土有限公司生產(chǎn)，超塑劑的物理性能見圖3。圖3ML15錨定螺栓的基本物理特性（特征值）實(shí)驗(yàn)流程①標(biāo)本制備定制用于螺柱張力測試的圓柱形模具，鑄造成分別為直徑和高度為270mm和120mm的圓柱形混凝土試件。這些尺寸的設(shè)計(jì)排除了對(duì)螺栓拔出行為的邊緣影響；模具的直徑是最大有效嵌入深度(hef)的3倍以上，其高度超過1.5倍最大有效嵌入深度hef。在這項(xiàng)研究中筆者使用了定制的模具，在混凝土澆灌之前，螺釘固定在所需的嵌入深度。鑄造24h后拆除。然后，用防水膜和管道膠帶包裹暴露的螺柱，以避免固化期間的腐蝕，并將試件相對(duì)移至標(biāo)準(zhǔn)固化室，保持濕度>90%，溫度>20°C。此外，鑄造150mm立方體試樣進(jìn)行壓縮和分裂張力試驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)如圖4所示：圖4拉出試驗(yàn)②機(jī)械性能試驗(yàn)根據(jù)GB/T50081-2019(2019)，對(duì)立方體試樣進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度和裂解拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)，如圖5所示。圖5對(duì)150mm立方體試樣進(jìn)行的壓縮和分裂張力試驗(yàn)③HSC中螺柱的張力試驗(yàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，筆者選用了9種不同直徑(d)和hef的場景。這些場景hef/d的范圍從2.11到6.15。每個(gè)方案測試兩個(gè)試樣，結(jié)果總共有18個(gè)試樣進(jìn)行張力（拉出）試驗(yàn)。如圖6所示，筆者采用微機(jī)控制的1000kn范圍的電液伺服通用測試機(jī)，通過拉出夾具上的拉出桿對(duì)螺柱施加張力載荷。螺柱周圍的混凝土表面是無限制的，這樣混凝土就可以自由地形成斷裂錐。夾具底板上的圓形開口的直徑為250毫米，大于最大hef的3倍。圖6在高強(qiáng)度混凝土中安裝的螺栓的張力試驗(yàn)的設(shè)置接著，筆者螺柱上安裝了兩個(gè)線性可變差動(dòng)變壓器，以測量加載過程中的位移（螺柱底部接頭和HSC試件相對(duì)于混凝土底部的滑動(dòng)位移）。在正式加載之前，預(yù)加載進(jìn)行三次，每次達(dá)到估計(jì)的最終拉出載荷的30%，以檢查構(gòu)件是否處于軸向張力狀態(tài)，以及測試裝置的安裝是否正確。然后，在正式加載過程中采用負(fù)荷控制方法，直到達(dá)到估計(jì)值的70%，極限張力強(qiáng)度（Nu)達(dá)到，加載速率為6kN/min。然后采用位移控制方法，加載速率為0.5mm/min，記錄峰后的行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果①機(jī)械性能28天抗壓強(qiáng)度的平均試驗(yàn)結(jié)果（fcu）和分裂的抗拉強(qiáng)度（ft）的150毫米的立方體是88.1MPa(標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.269MPa)和5.045MPa(標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.15MPa)。請(qǐng)注意，轉(zhuǎn)換后的fcu對(duì)于來自150mm立方體的200mm立方體，等于83.7MPa，這對(duì)于螺柱的Nu預(yù)測模型是必需的。②HSC中螺柱的失效模式和極限抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果如表1所示，包括了失效模式、初始剛度、極限抗拉強(qiáng)度和位移。除D13H80外，幾乎所有試驗(yàn)方案。隨著hef的增加，直徑的Nu增加，筆者認(rèn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)中正?；炷恋慕Y(jié)果呈現(xiàn)出了相同的趨勢。初始剛度K0.3極限抗拉強(qiáng)度-Nu峰值位移Nu/UN最大位移Umax方案ID 故障模式(kN/mm)(kN)負(fù)載UN(mm)(kN/mm)(mm)D13H40-1 混凝土突破28.2228.321.0427.21.38D13H40-2 混凝土突破27.2827.341.1523.81.55D13H60-1 混凝土突破33.7644.811.8424.42.03D13H60-2 混凝土突破29.5944.821.9423.12.01D13H80-1 鋼35.6568.784.5715.18.04D13H80-2 鋼36.6864.264.0915.77.86D16H40-1 混凝土突破37.6130.141.0129.81.34D16H40-2 混凝土突破36.4832.911.0631.01.17D16H60-1 混凝土突破44.6152.221.3638.41.66D16H60-2 混凝土突破39.7249.851.3138.11.5D16H80-1 混凝土突破41.2976.222.234.62.3D16H80-2 混凝土突破47.5980.762.0938.62.14D19H40-1 混凝土突破43.8127.190.7934.40.92D19H40-2 混凝土突破43.5627.690.7238.50.91D19H60-1 混凝土突破49.7344.430.9745.81.23D19H60-2 混凝土突破50.254.431.1248.61.18D19H80-1 混凝土突破54.5979.831.5252.51.59D19H80-2 混凝土突破52.4281.941.458.51.62表1HSC中安裝的螺柱拉伸試驗(yàn)結(jié)果結(jié)果討論①故障模式鋼故障模式圖7高強(qiáng)度混凝土螺柱的鋼破壞方式如圖7，鋼失效僅發(fā)生在D13H80上，這是最小的直徑，預(yù)埋深度最大(最高的hef/d比率）的情況。這與關(guān)于普通混凝土中錨的文獻(xiàn)一致。對(duì)于普通混凝土中特定直徑的錨，更高的hef結(jié)果更高的Nu錨固的失效，并最終導(dǎo)致鋼的失效，此時(shí)hef/d>7.5。在正常混凝土中進(jìn)行的222項(xiàng)試驗(yàn)中，大多數(shù)在鋼失效模式下發(fā)生。這是因?yàn)椋谕籬ef/d比值下，對(duì)于相同性能的螺柱，更高的混凝土強(qiáng)度導(dǎo)致更高的阻力。從基礎(chǔ)材料到螺柱上的拉荷載能力也會(huì)導(dǎo)致更高的螺柱荷載能力。因此，在相同的條件(相同的d和hef)下，鋼在混凝土中比普通混凝土更容易達(dá)到斷裂能力。其余的測試場景在混凝土斷開模式下均失敗，沒有觀察到拉出故障模式?；炷镣黄剖Ｊ綀D8螺柱預(yù)測鋼強(qiáng)度與螺柱極限抗拉強(qiáng)度的比較如圖8所示，混凝土斷裂主導(dǎo)了大多數(shù)研究的場景。對(duì)混凝土斷開失效的實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果如下。在測試的初始階段，即在50%之前，Nu沒有顯示出明顯的損壞或裂紋。隨著進(jìn)一步的加載，混凝土試樣的吱吱聲開始了，這應(yīng)該是由于混凝土內(nèi)部開裂和破碎造成的。然而，在80%之前，沒有顯示出明顯的裂紋Nu已到達(dá)。隨著進(jìn)一步的加載，一些hef較小的試樣在混凝土圓筒的接觸表面形成環(huán)狀裂縫(40mm).對(duì)于較大的hef（60mm和80mm）的樣品在混凝土圓柱體的接觸面出現(xiàn)了一些徑向裂縫。在以螺柱為中心的混凝土表面，形成了明顯的凸起形式。Nu到達(dá)時(shí)，裂縫隨著裂縫寬度的增加而迅速膨脹。隨著“砰”聲，混凝土斷裂錐立即形成，用螺柱拔出。拔出后，螺柱通常與混凝土分離，少量的混凝土碎片附著在螺柱上。斷裂混凝土部分的hef較小，有更好的完整性，而那些hef較大的，通常會(huì)裂成幾塊。HSC中螺柱的載荷-位移行為圖9高強(qiáng)度混凝土螺柱荷載位移曲線：(a)D13H40、(b)D13H60、(c)D13H80圖9顯示了不同hef下d=13mm螺柱的荷載-位移曲線。如圖7（a）所示，對(duì)于D13H40，在加載開始時(shí)，載荷-位移曲線處于27.75kN/mm的線彈性階段。在初始加載階段，電液試驗(yàn)機(jī)對(duì)干擾非常敏感，干擾可能會(huì)影響實(shí)際剛度的測量。因此，當(dāng)載荷達(dá)到20kN時(shí)，剛度逐漸降低，塑性階段開始。平均Nu為27.83kN，相應(yīng)的平均位移為1.095mm。螺柱迅速失去承載力被稱為脆性破壞。拔出混凝土錐時(shí)，螺栓相對(duì)于混凝土的平均最大滑移為1.465mm。如圖7（b）所示，D13H60曲線更陡，K0相對(duì)較高，平均31.68kN/mm在初始加載階段。在此階段，螺柱和混凝土之間存在輕微滑動(dòng)，螺柱上的外部張力荷載由螺柱和混凝土之間的（主要是靜態(tài)）摩擦和機(jī)械聯(lián)鎖抵抗。當(dāng)位移達(dá)到～0.1mm時(shí)，曲線略微彎曲，并保持線性和穩(wěn)定發(fā)展，剛度較低（平均31.68kN/mm）。然后，當(dāng)曲線開始進(jìn)入彎曲階段時(shí)，曲線會(huì)變得更加扁平。在彎曲過程中，載荷略有增加，位移明顯增加，這是金屬的典型現(xiàn)象。然后平均Nu為66.52kN，平均位移為4.33mm。位移時(shí)載荷減小更快，螺柱頸直到在位移為7.95mm處斷裂。每個(gè)直徑的螺柱的荷載位移曲線顯示和比較圖10。d=16mm和d=19mm的螺柱的負(fù)載-位移行為與d=13mm的趨勢相同，其中hef較大將導(dǎo)致更大的K0.3以及極限抗拉強(qiáng)度。然而，如前所述，由于鋼的斷裂能力隨著直徑的增加而增加，對(duì)于較大的hef，在達(dá)到峰值負(fù)荷后，其行為更加脆弱。之后的Nu負(fù)載下降得更突然，進(jìn)一步的位移最小。設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)混凝土斷裂破壞模式力學(xué)結(jié)果的影響圖10混凝土斷開破壞模式下螺柱在不同直徑和預(yù)埋深度下的位移如圖10所示，對(duì)于混凝土斷裂破壞模式，直徑越大，Nb/UN就越大，從而降低了峰前的延性。另外，不同直徑的直徑較大，埋深越顯著。然而，在不同的直徑之間的變化是不一致的。當(dāng)福特=13毫米時(shí)，hef從40毫米增加到60毫米，Nb/UN略有下降。福特=16毫米時(shí)，hef從40毫米增加到60毫米，Nb/UN增加了20%以上。而作為hef從60毫米增加到80毫米，Nb/UN略有下降。Nb預(yù)測方法的比較目前，還沒有關(guān)于HSC中螺柱Nb的預(yù)測模型。經(jīng)典CCD方法適用于預(yù)測強(qiáng)度等級(jí)不超過C60的混凝土中安裝的螺柱和其他混凝土錨的Nb。VAC方法是基于ACI349-97中的45°方法開發(fā)的，該方法假設(shè)一個(gè)與水平面成45°分接角的圓形分接錐。CCD方法假設(shè)一個(gè)方形的分接錐具有35°的分接角，它是基于一個(gè)足夠大的數(shù)據(jù)庫開發(fā)的，該數(shù)據(jù)庫包括對(duì)不同類型的混凝土錨（主要包括螺柱和膨脹錨）的拉力測試。由于其計(jì)算形式簡單，因此受到設(shè)計(jì)師的青睞。因此，ACI318-19采用了CCD方法。本研究中測量到的斷裂角（30～35°）接近于CCD方法（35°）的假設(shè)。另一方面，VAC方法將混凝土斷開模式視為與直徑相關(guān)的失效，斷開角度取決于螺柱的嵌入深度。通過對(duì)HSC的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與CCD法和VAC法的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行初步比較，筆者發(fā)現(xiàn)與試驗(yàn)的方差相比，VAC方法的直徑影響不顯著。使用這兩種方法預(yù)估HSC中螺柱的Nb主要是由于普通混凝土之間的機(jī)械性能差異，是機(jī)械聯(lián)鎖裝置阻止螺柱被外部負(fù)載拉出。螺柱上的拉伸試驗(yàn)可用作軸對(duì)稱加載情況。2D應(yīng)力分析可在發(fā)生機(jī)械聯(lián)鎖的螺柱嵌入端邊緣附近的基材（混凝土或其他膠結(jié)材料）上進(jìn)行。根據(jù)莫爾圓理論，最