利用光纤光栅测量技术研究钢筋与混凝土的黏结滑移.pdf

2 0 1 1年 第 6 期 (总 第 2 6 0 期 ) Nu mb 6 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 0 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 PRACTI CAL TE CHNOL0GY d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 6 0 4 8 利用光纤光栅测量技术研究钢筋 与混凝土的黏结滑移 魏国亮，宋玉普 ( 大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室 ，辽 宁 大连 1 1 6 0 2 4 ) 摘要 ： 利用布拉格光纤光栅替代电阻应变片对拉拔试验中钢筋与混凝土的应变进行测量 ， 采用这种新的试 验方法研究钢筋与强度等级 分别为 C 3 0 和C 6 0的混凝土的黏结滑移性能。 结合之前的文献数据， 统计回归得出适用于普通强度和高强混凝土基体下钢筋黏结强度的 计算公式。 对试验结果进行比较， 总结出钢筋与普通混凝土及高强混凝土之间的黏结一 滑移性能的差别。 关键词 ： 布拉格光纤光栅 ；电阻应变片；高强混凝土 ；黏结滑移 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 1 5 1 - 0 3 Appl i c a t i o n of f i b er br a gg gr ating s e ns or t o s t u dy t he be ha v i o r s be t wee n r e i n f or c i ng bar a nd c on c r e t e WEGu o l i a n g， SONG Yu - pu ( S t a t e Ke yL a b o r a t o r y o f Co a s t a l a n dO ff s h o r e E n g i n e e ri n g ， Da l i a nUn i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， Da l i a n 1 1 6 0 2 4 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： I n p ul l o u t t e s t t h e s mn s o f t h e r e i n f o r c i n g s t e e l a n d c o n c r e t e a r e me a s u r e d ba s e d O n FBG i n s t e a d o f the s t r a i n g a u g e W t h i s ne w t e c h n i q u e ， t h e b o n d s l i p b e t we e n r e i n f o r c i n g b a r a n d t wo t y p e s o f c o n c r e t e( C 3 0 ， C 6 0 ) h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d C o mb ine d wi t h t h e p r e v i o u s d a t e ， t h e bo n d s t r e n g t h c a l c u l a t i n g f o r mula h a s b e e n e s t a b l i s h e d t h r o u g h s t a t i s t i c a l r e g r e s s io n， wh i c h a r e b o t h a p p l i c a b l e t O g e n e r a l - s t r e n g t h a nd hi g h s t r e n g t h c o n c r e t e By c o mp a r e i n g t h e t e s t r e s u l t s， t h e b o n d s l i p d i ffe r e n c e s b e t we e n n o r ma l s t r e n gth c o n c r e t e a n d h i g h s t r e n gth c o n c r e t e wi t h r e i n f o r c i n g s t e e l b a r i s d e s c rib e d K e y wo r d s ： F B G； s tr a i n g a u g e ； h i 曲一 s t r e n gth c o n c r e t e ； b o n d s l i p 0引言 1 试验概况 布拉格 光纤 光栅 是近些年兴起的一种测量应 变的传感器 件， 与传统的电阻应变片相比， 其具有稳定性好 、 抗电磁干扰、 耐腐蚀、 精度高等优点f2 ， 基于这些优点光纤光栅测量技术已广 泛应用于重要混凝土结构的健康监测当中。 一些学者经研究发 现【 1 ， 利用改进后的光线光栅封装技术， 可以将光纤光栅广泛应 用到钢筋混凝土结构中， 并可以解决钢筋与混凝土结构内部应 变监测的难题 。 之前 的学者【 4 n s 1 为了研究钢筋 与混凝土 的黏结滑移性 能 ， 进行了一系列的内贴片式 局部黏结一 滑移试验 ， 这种试验是将 锚固钢 筋 内开 槽 ， 在槽 内布置 电阻应 变 片 ， 来测 量钢 筋 的应 变 从而得到不同位置处钢筋的应力。 同时在混凝土内埋设 应变片来测量混凝土的应变 ， 不过是用距离钢筋表面一定距 离处 的混凝 土 的应 变近似 界面处 的混凝 土 的应 变 。 试验 中所 用锚固钢筋由于开槽， 降低了钢筋的整体性能， 并且钢筋的 强度也会有所下降 ； 混 凝土 中的应变 片由于埋 设位置的原 因 ， 也无法准确的测量出钢筋与混凝土界面处的混凝土的应变。 采用光栅光纤可以避免这些不利因素， 本试验将光纤光栅贴 于钢筋表面， 同时在界面的相应位置处将光纤光栅埋设在混 凝土中， 这样就能较为准确的测出界面处钢筋与混凝土对应 的应 变值 、 s 。 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 2 1 6 1 1 试验所用混凝土与锚固钢筋的特性 本试验所采用 的普通 混凝 土与高强混凝 土的强度等级分 别为 C 3 0和 C 6 0 ， 所用的混凝土的配合比如表 1 所示， 经实测 得立方体抗压强度分别为 3 7 7 、 7 4 6 6 MP a 。 本试验所用钢筋为 H R B 4 0 0级月牙肋钢筋， 经实测钢筋的屈服强度为 4 3 6 MP a ， 弹 性模量为 E 2 O x l O MP a 。 表 1 混凝土配合比 k g m 1 2 试件制作及加载装置 本试验采用 6 个试件， 其中A一 1 A 3为普通强度混凝土试 件， B l B 3为高强混凝土试件， 所用的试件尺寸均为 1 5 0 n l l r l X 1 5 0 mmx 3 5 0 mm， 内置钢筋直径 d = 2 5 m l 1 ， 钢筋 的有效锚 固长 度 1 = - 2 5 0 mm， 图 1 为试件示意图。 试验利用大连理工大学近海 与海岸国家重点实验室 1 5 t 的MT S疲劳试验机进行拉拔试 验， 应用光纤光栅解调器对光纤光栅所测量的钢筋与混凝土的 应变进出采集 。 1 3 光纤光栅传感器的布设与试验方法 锚固钢筋的应力 沿锚固长度分布图形的大致形状如 l 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 塑 图 1 试件示意 图( 单位 ： mm) 图 2 ( a ) 所示， 根据图形的分布特点并考虑到光纤光栅传感器成 本较高 ， 如图 2 ( b ) 所示在钢筋表面和界面处的混凝土中分别按 不同的长度布设 4组光纤光栅应变传感器， 并在锚长范围内划 分出A、 B、 c、 D四个测段， 利用四个测段的试验数据对不同位置 处钢筋与混凝土的黏结一 滑移性能进行研究 。 ( a ) 钢筋应 力分 布 4 3 2 l I l 王 J Q I z Q J D B A ( b ) 光纤 光栅分 布 图 2 光纤光栅 的布设示意图 利用钢筋表面所粘贴的光纤光栅传感器可以测得在加载 过程 中钢筋不同位置 的应变 ， 将其乘 以钢筋的弹性模量 E ， 可 以得到不同测点处钢筋的应力 。 = ， 将各个测段隔离出来， 由于测段上钢筋的受力平衡， 可以利用式( I ) 计算得出各相邻 测点之间的平均黏结应力 ， 即各测段的平均黏结应力。 ： ( 1 ) l 式中： 钢筋上相邻测点之间的应力差( n为A、 B、 C、 D) ； 钢筋的截面面积 ； u 钢筋的周界 ； 各测段钢筋的长度 。 利用界面处混凝 土 中的光纤光栅 可以测得不 同位置处 混 凝土的应变 ， 相应位置处 岛与 两者的差值乘以单位长度 即为该测点处钢筋与混凝土在单位长度上的变形差值 可将 相邻测点处的变形差值的平均值近似为测点之间单位长度上 钢筋与混凝土的变形 差值 ， 然后按照下列公式 可以将各 测段上 钢筋与混凝土的变形差值求得 ， A测段 ： A S A = l A 、 B测段 ： Z A S s = 半 1 B C A S c = 半 IC D 测 段 ： A S p = 半 f D 。 将以上公式计算结果依次进行叠加即可得到各测点处钢筋与 混凝土的相对滑移量 S 。 2 试验 结果与分析 2 1 钢筋 与不 同强度 混凝土 的黏 结锚 固强度 本试验利用能实现位移控制的MT S疲劳试验机进行拉拔 试验 ， 并根据 GB 5 0 1 5 2 9 2 混凝土结构试验方法标准 的要 求进行分级加载。 文献 3 】 通过对试验资料的统计分析， 得出月 牙纹钢筋与混凝土极限黏结强度的经验表达式( 式( 2 ) ) ， 文献【 羽 通过对变形钢筋 ： ( o _8 2 + 0 ) ( 6 + 0 -7 + 2 Op ( 2 ) 】 5 2 与不 同混凝土基体 的黏结滑移特 性的研究 ， 得 出式( 2 ) 并 不适用于高强混凝土的情况。 现将本试验所得钢筋与不同强度 等级混凝土的极限黏结强度和各文献所得结果列于表 2 。 表 2 所引文献中只有文献 3 】 中试件配有箍筋 ， 对表 2中数据进行统 计回归， 得出修正后不含 P 项的黏结强度计算式( 3 ) ， 此公式同 时适用于普通强度混凝土和高强混凝土。 r ( 1 1 4 4 厶 + o s 6 - o -。 2 ( 3 ) 表 2 本试 验与各文献的极限黏结强度的比较 文献 混凝 土强度等级 丘 MP a f MP a d l c d r MP a 由试验结果可知， 与普通强度混凝土相 比， 采用高强混凝 土可以较大程度 的提高钢筋与混凝土 的黏结锚固强度。 2 2 钢筋与不同强度等级混凝土的黏结一 滑移性能的 比较 利用 A 3和 B 2试件的试验结果， 分析不同强度的混凝土 与钢筋的黏结滑移性能。 图 3中列出了在不同拉拔力作用下 ， 钢筋的应力 沿锚 长的分布 ， 并 由各个测点处的滑移量 S 推算滑 移量 S沿锚长的分布。 200 1 5 0 1 O0 50 = ：i 1 8 _ o _F =3 0k N l 1 6 + F=4 6 0 5 k k NN l 1 4 一 F = 6 0 k N l =： = F = 7 5剥kN + F = 9O kN I 目 + F = l0 5 k N I lu 一 0 8 0 6 麓 十F=1 5 kN _ o F= 3 0 k N - i t - -F=45 kN F=60 kN F= 7 5 k N +F ： 9 0k N +F=1 0 5 k N O 5 0 l 0 0 1 5 O 2 0 0 2 5 0 0 5 0 1 0 0 l 5 0 2 0 0 2 5 0 x ram mm 4 0 0 3 5 0 3 O O 250 200 1 50 l 0O 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 m m x ram ( b ) b - 2 ( C6 0 ) 图 3 钢 筋应 力及滑移量沿锚长分布 将由式( 1 ) 所算得的各个测段上的平均黏结应力近似为该 测段中点的应力值 ， 将其与相应位置处的滑移量进行对应 ， 得到 了钢筋与混凝土在不同位置处的黏结一 滑移曲线。 由图 4可以 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 看出， 采用不同强度的混凝土试件， 在不同位置处黏结一 滑移曲 线大致分布相同。 观察曲线还可以得到除 A测段外 ， B、 C、 D测 段的T - S曲线的趋势为随锚固深度的增长曲线逐渐变陡，即在 同一值s下， 锚长越深的位置处 r越大， 这说明随着锚固深度 的增加 ， 钢筋与混凝土的黏结锚 固刚度也在增大。 而钢筋与混凝 土 的黏结锚 同强度的最大值和滑移量的最大值均发生在 A测 段内， 这与文献 4 】 对不同位置的黏结滑移曲线分布规律的描述 有所不同， 造成这种差别的原因主要是在本试验中测段的黏结 应力取的是该测量段 的平均黏结应力 ， 在 四个不同的测段 中， A 测段的长度 为 4 5 mm， 长度最短 ， 所 以得到的黏结应力最大 ， 这 与文献 4 的结论并不矛盾 。 O 5 1 0 1 5 s m m ( b ) b - 2 ( C6 0 ) 图 4不同测段的黏结一 滑移 曲线 s m m 图 5 不同强度混凝土与钢筋的黏结一 滑移曲线的 比较 将两种强度状况下的 A测段的黏结一 滑移曲线进行 比较 ， 可以发现任意滑移值的情况下高强混凝 土的黏结锚 固强度均 大于普通混凝土的 ， 且高强混凝土 的曲线 比普通混凝 土的曲线 陡的多， 这是因为高强混凝土提高了对钢筋的握裹能力 ， 对钢 筋起到了更好的约束作用， 从而提高了高强? 昆 凝土与钢筋的锚 固强度与刚度。 同时还可以发现采用高强混凝土的试件， 钢筋与 混凝土 的滑移量要小于普通混凝 土试件 中的滑移量 ， 这说 明采 用高强混凝土的试件更脆 。 通过对破坏 的试件进行观察 ， 发现 6个试件 均发生劈 裂破 坏 ， 其中 A。 l 、 A一 3 、 B 一 1 、 B 2 、 B 3 均被劈裂成两半而破坏 ， A 2 试 件被劈成3半。 与普通混凝土试件相比， 高强混凝土试件的劈裂 裂缝要细。 观察试件中钢筋与混凝土界面处的破坏 ， 可以发现在 普 通混凝 土试件中 ， 钢 筋横 肋将 与其相连 的混凝 土挤 碎 ， 在拔 出的钢筋中可以看到在横肋之间有挤碎混凝土的堆积； 在高强 混凝土试件中， 混凝土没有出现挤压破坏， 而是在与钢筋的接 触面处， 被钢筋横肋剪坏。 将光纤光栅应用到长锚试件的拉拔试验 中 ， 与 以往的 内贴 片式的长锚拉拔试验相比， 光纤光栅传感器粘贴于钢筋表面、 埋 于混 凝土中 ， 可 以很方便 的测量 出两者 的应 变值 ， 这就 避免 了 钢筋内贴片所带来的诸多不便； 但考虑到光纤光栅传感器的成 本要远高于应变片， 导致无法做到像应变片一样在锚长范围内 布置较多的测点， 只能将锚长范围分为几段， 研究黏结一 滑移在 各段上的近似关系， 所以用光纤光栅测量方法研究钢筋与混凝 土的黏结滑移可 以用作验证类的试 验。 3结论 ( 1 ) 经统计 回归得 出 ， 同时适用 于普 通强度混凝土 和高强 混凝土的极限黏结强度计算公式： 、 7 l 1 4 4 _r o 8 6 一 0 0 2 a d ( 2 ) 与普通强度混凝土相比， 采用高强混凝土， 提高了钢筋 与混凝土 的黏结强度和刚度 ， 同时脆性增大。 ( 3 ) 钢筋与普通强度混凝土、 高强混凝土的黏结一 滑移曲线 形状 大致相同。 ( 4 ) 考虑到光纤光栅传感器在测量过程中的优点及其成本 的高昂， 可将其应用于钢筋与混凝土黏结一 滑移的验证性试验中。 参考文献： 【 1 】 周智 ， 田石柱 ， 欧进萍 光纤传感器在土木工程中的应用【 J J 建筑结 构， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 5 ) ： 6 5 6 8 【 2 】L I Ho n g n a n ， Z HO U G u a n g d o n g ， R E N L i a n g ， e t a 1 S t r a i n t r a n s f e r a n a l y s is o f e m b e d d e d f i b e r b r a g g g r a t i n g s e n s o r u n d e r n o n a x i a l s t r e s s J O p t i c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 7， 4 6 ( 5 ) ： 0 5 4 4 0 2 【 3 】 徐有邻沼B 卓民， 沈文都 钢筋与混凝土的黏结锚固强度 建筑科 学 ， 1 9 8 8 ， 4 ( 4 ) ： 8 - 1 4 【 4 】 徐有邻， 沈文都， 汪洪钢筋混凝土黏结锚固性能的试验研究【 J J _建筑 结构学报， 1 9 9 4 ， 1 4 ( 3 ) ： 2 6 3 7 5 】 赵羽习， 金伟良 钢筋与混凝土黏结本构关系的试验研究 建筑结 构学报， 2 0 0 2 ( 2 ) ： 3 2 3 7 【 6 】 毛达岭 H R B 5 0 0钢筋黏结锚固性能的试验研究 D 】 郑州 ： 郑州大学， 2 0 0 4 7 】 G B 5 0 1 5 2 - - 9 2 ， 混凝土结构试验方法标准【 s j 北京： 中国建筑工业出 版社 ， 1 9 9 2 8 】8 李方元， 赵人达 不同混凝土基体与变形钢筋的黏结滑移特性 J 工 业建筑 ， 2 0 0 2 ( 1 0 ) ： 3 1 - 3 3 【 9 J9 Mo r A v i S t e e l c o n c r e t e b o n d i n h i g h s t r e n g t h l i g h t w e ig h t c o n c r e t e AC I Ma t e r i a l J o u r n a1 1 9 9 2 。 8 9 ( 1 ) ： 7 6 8 2 作者简介： 魏国亮( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 硕士研究生。 联系地址： 大连理工大学建设工程学部( 1 1 6 0 2 4 ) 联系电话 ： l 3 8 8 9 6 2 O 8 3 3 p ( p p 0 0 重 藿 曩 圜 我 国固 定资 产 投资1 至5 月同比 增长2 5 8 国家统计局 6月 1 4目发布的数据显示， 1 至 5 月份， 我国固定资产投资( 不含农户) 9 02 5 5 亿元， 同比增长 2 5 8 ， 增速比l 4月份 加快 O 4 个百分点。 统计数据显示， 房地产开发投资也增长较快。1 至 5月份， 全国房地产开发投资 1 8 7 3 7亿元 ， 同比增长 3 4 6 。其中， 住宅投资 1 3 2 9 0 亿元， 增长 3 7 8 。全国房地产开发企业房屋施工面积 3 7 7 5 1 6 万 m ， 同比增长 3 2 4 ； 房屋新开工面积 7 6 1 1 8 万 n l ， 增长 2 3 8 ； 房屋竣工面积2 1 6 2 1 万 m ， 增长 1 2 9 ， 其中， 住宅竣工面积 1 7 2 3 8万m。 ， 增长 1 2 7 。 1 5 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m