文章綜述

帶有多個(gè)錨固點(diǎn)的預(yù)埋件在混凝土中的力學(xué)表現(xiàn)深受附加筋影響，在受拉或受剪情況下，這種帶附加筋的預(yù)埋件的力學(xué)性能可采用拉壓桿模型加以闡述，其中混凝土構(gòu)成的壓桿承擔(dān)壓力，而混凝土配筋和附加筋構(gòu)成的拉桿承擔(dān)拉力，因此理論上來說，帶附加鋼筋的預(yù)埋件的混凝土試件中包含三部分內(nèi)容：混凝土形成的壓桿、鋼筋形成的拉桿以及節(jié)點(diǎn)。文章主要從試驗(yàn)角度探索混凝土與鋼筋在預(yù)埋件受拉、受剪工況下的力學(xué)性能。

預(yù)埋件信息

預(yù)埋件是帶有4只錨腿的鋼板預(yù)埋件，產(chǎn)品尺寸及有效錨固深度如圖1所示：

受拉工況

受拉工況下，預(yù)埋件在混凝土中的位置如下圖所示，其中紅色虛線表示Ф12箍筋，藍(lán)色虛線表示混凝土本身頂部配筋。預(yù)埋件在素混凝土中的位置與圖2和圖3相同。實(shí)測(cè)混凝土強(qiáng)度33.5MPa，實(shí)測(cè)鋼筋屈服強(qiáng)度540MPa。

圖2 – 用于拉伸試驗(yàn)的混凝土配筋形式(類型1)

圖3 – 用于拉伸試驗(yàn)的混凝土配筋形式(類型2)

圖4 – 配筋詳圖

試驗(yàn)中，對(duì)每種(素混凝土，配筋類型1，配筋類型2)形式的試塊做了三組試驗(yàn)，但是由于試驗(yàn)工裝問題，部分試驗(yàn)失敗了，最后得到圖5試驗(yàn)結(jié)果：

圖5 – 不同類型混凝土試塊中的預(yù)埋件受拉試驗(yàn)結(jié)果

總體來看，素混凝土中預(yù)埋件的極限抗拉承載力幾乎相同，處于256.9kN，且脆性破壞明顯。而帶附加鋼筋試塊中的預(yù)埋件雖然各自極限承載力不同，但總體都要高出素混凝土預(yù)埋件承載力很多，最大為460kN(配筋類型2，同類型另一試塊承載力約450kN)，最低為361.2kN(配筋類型1)。

破壞模式

素混凝土：典型的椎體破壞，見圖6;

帶附加筋混凝土：混凝土開裂后，鋼筋嚴(yán)重變形或斷裂，見圖7、圖8。

圖6 – 素混凝土預(yù)埋件受拉椎體破壞

圖8 – 帶附加筋混凝土預(yù)埋件受拉鋼筋斷裂(類型2)

受剪工況

受剪工況下，試驗(yàn)室同樣分別制作了3塊素混凝土與帶附加筋混凝土試塊，混凝土強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為31MPa，鋼筋屈服強(qiáng)度540MPa。附加筋試塊見圖9。

圖9 – 用于剪切試驗(yàn)的混凝土配筋形式

試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示：

圖10 – 不同類型混凝土試塊中的預(yù)埋件受剪試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示，無論是素混凝土預(yù)埋件還是帶附加筋混凝土預(yù)埋件，各自3組試驗(yàn)結(jié)果趨于一致，即素混凝土預(yù)埋件受剪極限承載力基本位于160kN上下，脆性破壞，此時(shí)混凝土裂縫在1.5mm至3mm之間;而帶附加筋預(yù)埋件受剪極限承載力基本處于260kN上下，與受拉試驗(yàn)都是延性破壞，彼時(shí)裂縫大大超過素混凝土(3mm至5mm)。各自破壞模式如下圖所示：

圖12 – 帶附加筋混凝土預(yù)埋件受剪混凝土破壞以及附加筋屈服

二者差別明顯——圖12中裂紋比圖11明顯增多，這是因?yàn)樗鼗炷林蓄A(yù)埋件受剪達(dá)到最大承載力后，混凝土瞬間失去繼續(xù)承載的能力，而帶附加筋混凝土在混凝土失效之后瞬間激活附加鋼筋，在鋼筋屈服之前，預(yù)埋件依然具備向外擴(kuò)張的能力，因此預(yù)埋件邊緣混凝土?xí)獾礁鼮閲?yán)重的擠壓，導(dǎo)致更多的裂縫。

在受剪試驗(yàn)中，文章作者提出了與現(xiàn)行歐標(biāo)和美標(biāo)相關(guān)力學(xué)模型有差異的兩點(diǎn)。

其中之一是，在試驗(yàn)中出現(xiàn)了一個(gè)與歐標(biāo)相左的現(xiàn)象：無論素混凝土塊還是帶附加筋混凝土試塊，在預(yù)埋件受剪過程中，第一條裂縫都是出現(xiàn)在預(yù)埋件靠近混凝土邊緣額一側(cè)，圖11/12中紅色箭頭位置，而破壞時(shí)的裂縫出現(xiàn)在預(yù)埋件靠后的藍(lán)色箭頭位置。EN 1992-4中的力學(xué)模型假定是破壞時(shí)裂縫依然處在預(yù)埋件靠近混凝土邊緣位置。

小編對(duì)于歐標(biāo)的假定持保留意見。原因是，如果我們以①處混凝土作為②與③混凝土形變的基點(diǎn)，在縫A縫B均未出現(xiàn)之前，縫A由于處于混凝土更邊緣位置，當(dāng)混凝土處在彈性工作狀態(tài)(未開裂)時(shí)，雖然力在混凝土中等效傳遞，但縫B所在位置比A具備更大的截面積，那么在等效外力作用下， A縫相比B縫更有首先開裂的趨勢(shì)。一旦A縫出現(xiàn)，③處混凝土就會(huì)像混凝土②相對(duì)混凝土①發(fā)生絕對(duì)位移一樣，③處混凝土?xí)ⅱ谔幓炷磷鳛榛c(diǎn)同樣發(fā)生絕對(duì)位移，要想實(shí)現(xiàn)EN 1992-4中的假設(shè)，就必須使縫A>縫B，也即——②相對(duì)①發(fā)生絕對(duì)位移Δm，③混凝土相對(duì)①發(fā)生絕對(duì)位移Δn，且Δn>Δm，也即在受剪過程中，③也會(huì)相對(duì)②發(fā)生絕對(duì)位移Δn-Δm!仿佛有點(diǎn)難以置信，因?yàn)楫?dāng)縫B出現(xiàn)并逐漸變大的過程中，②和③之間基本不存在相互約束而是會(huì)成為相對(duì)①發(fā)生位移的一個(gè)整體，既然相互約束減小甚至消失，又如何會(huì)彼此繼續(xù)分裂?

其中之二是，EN 1992-4、ACI 318、fib Bulletin 58(2011)均認(rèn)為：除非帶附加筋混凝土中僅附加筋在破壞時(shí)所受到的荷載大于素混凝土中預(yù)埋件承載力，否則應(yīng)取素混凝土預(yù)埋件極限承載力。為了驗(yàn)證該規(guī)定，作者根據(jù)安裝在鋼筋指定位置的應(yīng)變片記錄的數(shù)據(jù)，繪制了受拉、受剪過程中混凝土和附加筋各自的貢獻(xiàn)，見圖13：

圖13 – 帶附加筋混凝土預(yù)埋件受拉時(shí)，混凝土與附加筋對(duì)承載力的貢獻(xiàn)(類型1)

其中，紫線是整體加載值，橙線是混凝土所受拉力，藍(lán)線是附加筋所受拉力，紅線是附加筋屈服時(shí)的外部加載值。如果按前三種標(biāo)準(zhǔn)判斷，極限承載力應(yīng)為前面所述素混凝土的256.9kN，但是從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，當(dāng)發(fā)生破壞時(shí)，混凝土殘余承載力甚至高過附加筋所受荷載而不是零，二者相加高達(dá)361.2kN，作者認(rèn)為現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)過于保守。

同樣，受剪試驗(yàn)中，作者也對(duì)混凝土和附加筋對(duì)承載力的貢獻(xiàn)做了數(shù)據(jù)分析，見圖14：

圖14 – 帶附加筋混凝土預(yù)埋件受剪時(shí)，混凝土與附加筋對(duì)承載力的貢獻(xiàn)

與受拉工況有所不同的是，受剪試塊從一開始加載之后不久就出現(xiàn)了裂縫，當(dāng)裂縫達(dá)到約0.2mm時(shí)附加筋被激活并急劇承擔(dān)越來越多的荷載，直至裂縫1mm時(shí)混凝土脆性破壞，可即便是達(dá)到極限荷載時(shí)，混凝土依然保持約50%的承載力。

小編對(duì)此觀點(diǎn)并不完全認(rèn)同。目前國(guó)外對(duì)開裂混凝土和非開裂混凝土設(shè)計(jì)有明確的規(guī)定的要求，我國(guó)雖然尚未將這一概念區(qū)分引入承載力設(shè)計(jì)，但是對(duì)變形設(shè)計(jì)提出了控制裂縫額要求(0.1mm到0.4mm)，基本等同于國(guó)外非開裂混凝土。從上面的各個(gè)力-位移曲線來看，最大承載力基本處于裂縫3mm的情況下，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了開裂與非開裂的設(shè)計(jì)要求，因此不能將試驗(yàn)中達(dá)到的極限承載力作為設(shè)計(jì)依據(jù)，如果將0.4mm作為控制點(diǎn)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在這個(gè)范圍內(nèi)，無論素混凝土還是帶附加筋混凝土，都處在彈性階段，將此時(shí)的值作為設(shè)計(jì)依據(jù)雖然保守卻是可靠的。

此外，從試驗(yàn)結(jié)果來分析，對(duì)于非開裂混凝土設(shè)計(jì)而言，附加筋的放置與否從承載力設(shè)計(jì)角度來看意義并不大，因?yàn)殇摻畋患せ畈l(fā)揮作用基本都是在裂縫0.4mm左右的時(shí)候，此時(shí)已經(jīng)進(jìn)入開裂混凝土設(shè)計(jì)范疇，這種構(gòu)造措施更大的意義或在于增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。所以，小編可以設(shè)想，如果本試驗(yàn)中把Ф12的鋼筋換成Ф20的鋼筋，0.4mm裂縫之前的力-位移關(guān)系

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