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黑色和环氧涂层的粘合强度加固理论方法
作者：约翰·凯恩斯和拉姆利·本·阿卜杜拉
本文分析了在劈裂破坏模式下搭接接头中带肋钢筋粘结强度的力学机理。两种失效类别被识别，导出了联系由肋条形成的结合强度与由结合作用产生的破裂力的解析表达式。对测试数据的分析的准确性进行验证。将所得的表达式被用来评估粘结强度降低归因于环氧涂层加固，以检查影响减少幅度的因素。分析结果表明，相对肋面积和围压对涂层钢筋粘结强度的降低都有显着的影响，但是肋骨面角度或混凝土强度的影响不大。
关键词：粘结（混凝土加固）；混凝土；环氧树脂；搭接连接；增强材料。
简介
在钢筋的标称表面上，粘结力可以方便地看成是均匀的剪切应力。然而带肋钢筋的实际作用与这个观点相差甚远。随着粘结失效，肋条和周围混凝土之间的力传递主要通过承载混凝土上的肋来实现。肋骨对混凝土施加的力是倾斜与杆轴成alpha;角（图1）。此力的径向分量在钢筋周围覆盖的混凝土中产生环张力。如果粘结作用产生的力超过了混凝土环的抗拉能力，则混凝土保护层发生劈裂破坏。当混凝土覆盖厚度小于钢筋直径的3倍时，会发生劈裂破坏。如果覆盖厚度更大，或者如果足够的限制加固或者横向压力抵抗破坏力，随着肋骨顶部表面混凝土的被剪切而发生拉拔型破坏。弱的劈裂型破坏是设计的主要关注部分，本文的其余部分只涉及劈裂型破坏。
图1—由带肋钢筋粘结作用产生的破裂力的示意图
大量的研究者尝试推导粘结强度的理论表达式。粘结强度的理论表达式是源于粘结产生的破坏力和混凝土的截面抗拉力(连同箍筋的约束作用)，并将这两个量等同。特普菲斯，弗格森和布里塞尼奥以及其他研究人员进行了第二方面有价值的工作，并有大量的各种各样的搭接接头和单筋锚固细节测试数据。研究结果现在被纳入规范当中。研究的第一个方面，粘接强度和粘接作用所产生的破坏力之间的关系，是不太发达。粘结强度分析通常认为，粘结产生一个径向破裂压力等于粘结应力本身，即所谓的“液压”类比。然而，大量的实验研究表明这种方法的缺点。例如，液压类比表明，由一对搭接的钢筋中的每一个产生的粘结应力将是通过等效的单杆锚固所产生的一半，但实验数据显示差异最小。液压类比不能说明肋条几何形状对结合强度的影响，或者是用环氧涂层钢筋发现的粘合强度的降低。
凯恩斯提出了粘结强度和破裂力之间关系的替代模型，他们认为粘结破坏是混凝土上的肋条的粘结失效。该模型显示了由“分裂”和“非分裂”组成的粘结强度，并且已经成功应用于调和搭接接头和单筋锚固的粘结强度之间的差异，并考虑肋几何形状对接头强度的影响。本文介绍了扩展应用该方法的工作，以解决熔结环氧树脂涂层钢筋（FBECR）的粘合强度降低问题，并研究影响其减少的主要因素。
研究的意义
本文旨在更好地理解的带肋钢筋的纽带作用。推导了开发的带肋钢筋的粘结强度和粘结行动产生的破裂力之间关系的评价新方法。这项研究提供指导意见对肋配置文件将会对粘结强度及结构设计规程规范中的环氧涂层钢筋的粘结折减系数的推导中的测试数据的解释的影响。
粘结性能
一般注意事项
钢筋和混凝土之间的粘结可以方便地视为在钢筋表面上的剪应力。键应力然后由公式（1）。
粘结性能最初取决于钢筋与混凝土之间的粘结力，但随着钢筋与混凝土之间的滑移在荷载作用下开始发展，钢筋在混凝土周围的摩擦和承载力传递给钢筋。在荷载进一步增大的情况下，肋的承载力成为力传递的主要组成部分。这是说明在河的照片切片债券标本显示分离酒吧和混凝土远离肋骨。粘结性能最初取决于钢筋与混凝土之间的粘结力，但随着钢筋与混凝土之间的滑移在荷载作用下开始发展，钢筋在混凝土周围的摩擦和承载力传递给钢筋。在荷载进一步增大的情况下，肋的承载力成为力传递的主要组成部分。这是说明在Goto的关于被截断的粘结试样照片中显示钢筋和与肋骨分开的混凝土的分离。
三种模式的粘结破坏的带肋钢筋可以识别。第一，如图2所示，是拉拔式破坏。混凝土在横过肋条顶部的表面上剪切。 这种类型的故障发生在钢筋被周围的混凝土所限制的情况下，无论是通过厚的混凝土保护层还是通过密集的二次加
图2—粘结失效的带肋钢筋
固的箍筋。人们普遍认为，拉拔破坏发生在最小混凝土厚度超过钢筋直径的三倍。当混凝土保护层的直径小于钢筋直径的两倍时，混凝土的劈裂破坏会发生。粘结破裂破坏可分为两种类型，如图2（b）和C（2）。在图2（b）中所示的模式2破坏中，当混凝土劈裂时，肋骨剪下一块楔形的混凝土，它仍然粘附在肋的承载面上。在模式3分裂破坏[图2（c）]，倾斜破坏面沿界面肋与混凝土之间，而不是贯通混凝土。
各种因素，包括肋面角度和钢筋的表面条件，将决定哪些分裂模式的破坏将发生在特定的情况下。
凯恩斯和琼斯最近报道了一个关于肋几何形状对搭接接头强度的影响的研究.粘结失效被认为是在肋条下混凝土的受压破坏。[图2（b）]，并且发展了粘结强度和破裂力之间的关系的理论表达式。在粘结强度的计算分析和各种带肋钢筋搭接接头处粘结强度之间存在良好的一致性。据研究报道，影响粘结强度的主肋几何因素是肋骨形状和相对肋面积。相对肋面积是在投影在垂直于钢筋轴线的平面上钢筋的肋面积与钢筋的名义表面积的比值，由公式（2）定义。
公式（2）的第二部分只适用于带有螺旋肋的钢筋。
凯恩斯和琼斯的调查只考虑了2型破坏模式。然而，显而易见的是，环氧树脂涂层更可能影响模式3破坏中的粘结强度，其中失效截面沿着钢筋/混凝土界面延伸而不通过混凝土。 因此，本文扩展了凯恩斯和琼斯早期的工作，以涵盖模式3破裂模式。
推导肋条粘结强度的理论表达
本节中的单筋，介绍了作用在变形钢筋的单个肋上的力的分析。首先分析了模式3破裂形式[图2（c）]。分析假定破坏发生在界面上的剪应力克服了肋面和混凝土之间的摩擦和粘附。假设肋条垂直于钢筋轴线。肋的表面与钢筋轴线形成一个角度delta;。为了避免衍生表达式中不必要的复杂性，假设钢筋不具有螺旋肋。还假设肋高度相对于杆直径较小。钢筋和混凝土之间的界面的剪切强度的方程为
考虑在加强筋的区段作用在单个肋条上的角度为dTheta;的力，这段的肋面面积为
图 3 —作用在钢筋肋的支承面以下的力。
图4—径向爆破力解析
作用在肋面的段上的力如图3所示。作用在结合处的力可以被认为是平行于肋面的剪切力dFv，以及以与肋面法线成角度tau;倾斜的力dFf，其中
这些力可以分解成从钢筋轴线散射的分量Fb和Fsp（图3）
图 5 –搭接钢筋周围破裂应力的分布。
围绕在钢筋周围，方程组合（7）导出对于Fb的等式（9），即在杆上由单肋形成的力。
垂直于由每个肋产生的分裂破坏平面的破裂力Frib由等式（10）
其中
角Theta;相对于垂直于劈裂平面（图4）从公式（10）（9）导出方程（12）
粘结强度由式（13）
破坏时，由单个肋产生的破裂力受到这段分裂阻力的限制[等式（14）]
应用于搭接-为单个钢筋导出公式（10）。在一个搭接的节点中，有证据表明，在搭接钢筋周围的破裂应力的分布倾向于沿着钢筋之间的最短和最坚固的路线（图5）。在搭接钢筋接触的地方，通过穿过该对搭接钢筋的分裂平面垂直的总分裂力计算为仅比单根钢筋大30％，而不是在不存在相互作用。因此，每个拼接的钢筋对垂直于分割平面生成的分裂力可以被认为等于由单根钢筋产生的65％。方程右侧（10）因此乘以因子0.65以考虑单根钢筋和一对搭接钢筋之间的差异。方程式（12），（14）和（2）替换等式（13），以及对于搭接钢筋的约束力因子0.65，导出等式（15）用于在模式3型破坏下的搭接接头中肋条的接合强度。
其中mu;rs是肋形状因子，由等式1给出的无量纲系数（16）
对于带有环形肋的钢筋，hr在钢筋周围是恒定的。方程式（11）评价为I = db·hr，肋面积Ar =pi;·db·hr，（11）肋形状因子mu;rs为1.0。当条具有新月形肋时，肋参数I取其最大值，并且肋形状因子mu;rs在条定位在方向A0中时最小。[图6（a）]表明，在该方向上，钢筋垂直于裂纹产生的破裂力最大。粘结强度受到分裂的阻力的限制，当钢筋处于方向A0时，在较低的粘结应力下将达到该极限。凯恩斯、琼斯和达尔文和格雷厄姆都看到了这种效应。
fcoh和tau;的值在方程（3）从混凝土和黑色钢板之间的摩擦试验估计为0.11fcu和28deg，在与熔接环氧树脂涂覆的混凝土和钢板之间的类似试验中，为0.06fcu和25deg。这些测试在其他地方详细描述。
凯恩斯和琼斯先前已经开展了类似的分析，用于模式2型破坏，其中通过在肋骨的支承面下方的混凝土剪切而发生粘结破坏。对于模式2破坏，强度由公式（17）计算。
其中
fcoh和phi;的值在方程（3）估计为0.25fcu和32deg，从三轴试验的最大骨料尺寸2.36 mm，大致相当于最大肋高度的混凝土。这些值代表与破坏时肋的典型承载应力的破坏包络线相切。
肋几何形状和表面条件对拼接强度的影响
方程式的形式（15）和（17）是相似的，并且都表明，搭接的拼接强度将随着对搭接的钢筋，混凝土强度和更高级的带肋钢筋的限制而增加。因此，方程式与广泛的实验研究在质量上一致。分析表明，模式3到模式2的黑色钢筋的破坏发生35至45度范围内的肋面角，精确值取决于多个因素，特别是围压F / dblb。
图6—新月形肋与分裂破坏平面相对应
对于环氧树脂涂层钢筋，破坏模式之间的转换角度为5至10度。过渡角的较低值与较高的限制相关联。Lutz的研究显示具有小于30度的锐肋面角度的黑色钢筋与肋面角度为40度或以上的钢筋具有明显不同的载荷/滑移关系。Lutz还报道了肋面角45度的粘合/滑移关系的斜率减小，其中肋面的摩擦特性被润滑脂减少。由于Lutz使用的拉拔标本的限制压力相对较高，通过分析预测的过渡角度与实验观察结果一致。
方程式（15）和（17）表明肋条的粘结强度由两部分组成，一部分与由该部分提供的分裂约束相关，另一部分与杆上的肋相关的非分裂部分。因此，粘结强度仅部分取决于由构件提供的分裂阻力。这些关系与分析中假设的“液压”类比不同的粘结强度，其中断裂应力假定与键应力成正比。
摩擦试验中确定的fcoh和tau;值表明，通过环氧树脂涂层可以减少模式3型破坏中的粘结强度的分裂和非分裂成分。相应的减少量的大小不同，因此涂层的粘合强度的净减少将受到两个部件的相对大小的影响。
与实验数据比较
作者之前已经报道了对各种涂层和黑色带肋钢筋的拼接接头的相对强度的实验研究的结果。研究的全部细节在参考文献5中给出。试样和测试钢筋的细节总结在表1和图7中。
应用公式（15）和（17）中，必须首先评估由试样提供的重叠杆上的限制力。在最大载荷之前在试样中观察到的大量裂纹裂纹意味着在失效时，所有的分裂约束都由箍筋提供。采用两种独立的方法来确定结合失效时箍筋的应力。第一种方法是使用成对的电阻应变计测量箍筋上的应变，并结合到箍筋的相对面。第二种方法是将通过改变限制搭接接头的箍筋数量与通过施加由液压千斤顶施加的外部限制力产生的箍筋数量而产生的粘合强度的变化进行比较。
表1 试验钢筋的详细数据
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刚钢筋参考 |
无涂层钢筋 |
环氧树脂涂层钢筋 |
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相相对肋面积fr（mm2） |
肋肋间距Sr（mm） |
肋肋面角beta;(°) |
肋肋倾角alpha; |
相相对肋面积fr |
肋肋间距Sr（mm） |
肋肋面角beta;(°) |
肋肋倾角alpha; |
|
|
A20-1 |
0.066 |
13.2 |
43 |
57 |
0.067 |
13.2 |
42 |
57 |
|
A20-2 |
0.064 |
13.2 |
43 |
57 |
0.066 |
13.2 |
42 |
57 |
|
B20 |
0.132 |
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