【高强混凝土中螺柱连接件的拉伸性能实验分析报告（论文）】

高强混凝土中螺柱连接件的拉伸性能实验分析报告目录TOC\o"1-2"\h\u21038高强混凝土中螺柱连接件的拉伸性能实验分析报告 132094一、研究内容： 122676二、研究背景： 125937三、实验总结： 21515（一）原材料 210715（二）实验流程 324129（三）实验结果 63098（四）结果讨论 624160四、实验总结： 10一、研究内容：在本研究中，对不同直径-d（13、16和19mm）和有效嵌入深度hef（40、60和80毫米）组合的螺柱进行了张力（拉出）试验，其28天抗压强度为88MPa。由于高强混凝土（HSC）将用于复合结构的施工，因此需要研究HSC中螺柱连接件的性能。根据试验结果，混凝土破坏模式占主导地位，只有直径最小、有效嵌入深度hef最大的情况受钢筋破坏模式控制。由于高强度，高强度混凝土中的钢筋破坏发生在比普通混凝土更小的hef/d处。在混凝土破裂模式下，呈现脆性荷载-位移行为，破裂锥的角度范围为30°∼35°，接近混凝土容量设计（CCD）方法。此外，极限抗拉强度（Nu）、刚度和峰前延性取决于hef和d。现有的预测模型（CCD法和变角锥法）都高估了HSC中的Nu，这是因为其抗拉/抗压强度比普通混凝土低。本研究考虑到漏钢锥的形成机理，提出了一种改进的简化CCD方法，用于预测HSC中螺柱的极限抗拉强度（Nu）。二、研究背景：钢-混凝土复合结构的特点如下：完整性、抗震性能、自重小、布局灵活。因此钢-混凝土复合结构成为工程施工（尤其是大型工程）中最流行、应用最广泛、最突出的结构形式。该结构是在混凝土结构和钢结构的基础上开发出来的。通过连接器连接混凝土构件和钢构件，使混凝土和钢构件协同工作，通过连接器的传传递功能充分发挥各自的优势，优势分为两点：第一，传递钢构件和混凝土构件之间的剪切力，抵抗构件之间的滑动；第二，通过连接器抗拔的能力防止构件与构件分离，保证钢筋混凝土连接处的应力和变形发展。钢混凝土复合结构中使用的连接器包括螺柱、截面钢连接器、穿孔板连接器和弯杆连接器，其中螺柱是最常用、应用最广泛、性能全面的连接器。本文作者认为目前国外学者对钢-混凝土复合结构的螺柱的拉伸（拔出）性能的研究较少。然而，关于在一般混凝土结构中使用的锚杆的拉伸行为的一些经典的预测模型是可用的。在改论文中，作者对国外学者的相关研究进行了总结和梳理，包括45°法、变角锥(VAC)法和混凝土容量设计(CCD)方法的相关研究成果。例如ACI委员会（1997）年提出的45°方法可用于不清楚的混凝土结构，但是方差很大。Fuchs等人（1995）在45°方法的基础上，开发了VAC方法，其中包括锚定尺寸（直径）的影响，并假设锥体的角度取决于嵌入深度。法罗和克林纳（1996）根据多种锚（主要包括磁头锚和膨胀锚）的拉出试验数据，提出了CCD方法。CCD方法是基于以下假设：混凝土破坏锥距水平面35°，破坏锥的投影面积为矩形，矩形边的长度为预埋深度的3倍。根据这些学者的研究，笔者发现CCD方法对实验数据的预测效果优于其他方法，但是在过去的二十年里，对螺柱的拉伸行为的研究非常有限。Pallare´s&Hajjar(2010)根据一些早期研究的222个张力试验结果，比较了CCD方法与45°方法的预测精度，他们发现CCD方法提供了更精确的预测，散点结果更少。从国外学者的研究来看，目前还没有关于高强度混凝土(HSC)中的螺柱拉出行为的研究。只有Nilforoush等人在2017年的研究中对两种现浇锚固螺栓进行了张力测试。结果表明，造血混凝土试样比普通混凝土具有更高的极限强度，位移较小，与CCD方法的预测非常吻合。然而，他们只提供了有限的数据和设计参数。文献中的预测方法仅适用于抗压强度低于60MPa的普通混凝土，而本研究中钢复合结构施工工程要求设计抗压强度为80MPa的HSC。因此，需要研究拉伸行为，包括螺柱的破坏模式，作为其在复合结构中的设计和应用说明。笔者根据这些研究成果设计了以HSC中螺柱的拉拔行为，作为预测和评估钢-HSC复合结构性能的一个方面。实验总结：（一）原材料①C80HSC和直径分别为13mm、16mm、19mm的头头螺柱。星状细胞的混合比例见图1。采用ML15型圆柱头螺柱，螺柱的基本物理性质见图2。图1BFRC与C80HSC强度等级的混合比例图2ML15锚定螺栓的基本物理特性（特征值）②水泥。采用浙江虎山集团有限责任公司生产的PO52.5普通硅酸盐水泥。③地面高炉炉渣。山东日照有限公司生产的S95级地面高炉矿渣。用于代替部分水泥，以减少水合热，抑制裂缝的发展。④骨料。骨料由浙江青计算有限公司生产。粗骨料分级良好，粒径为5∼25mm，细骨料分级良好，为河砂，细度模量为2.6。⑤超增塑剂外加剂。混凝土中使用的KC-NF-1聚羧酸增塑剂由浙江永健商业混凝土有限公司生产，超塑剂的物理性能见图3。图3ML15锚定螺栓的基本物理特性（特征值）实验流程①标本制备定制用于螺柱张力测试的圆柱形模具，铸造成分别为直径和高度为270mm和120mm的圆柱形混凝土试件。这些尺寸的设计排除了对螺栓拔出行为的边缘影响；模具的直径是最大有效嵌入深度(hef)的3倍以上，其高度超过1.5倍最大有效嵌入深度hef。在这项研究中笔者使用了定制的模具，在混凝土浇灌之前，螺钉固定在所需的嵌入深度。铸造24h后拆除。然后，用防水膜和管道胶带包裹暴露的螺柱，以避免固化期间的腐蚀，并将试件相对移至标准固化室，保持湿度>90%，温度>20°C。此外，铸造150mm立方体试样进行压缩和分裂张力试验。具体实验如图4所示：图4拉出试验②机械性能试验根据GB/T50081-2019(2019)，对立方体试样进行了抗压强度和裂解拉伸强度试验，如图5所示。图5对150mm立方体试样进行的压缩和分裂张力试验③HSC中螺柱的张力试验这个实验中，笔者选用了9种不同直径(d)和hef的场景。这些场景hef/d的范围从2.11到6.15。每个方案测试两个试样，结果总共有18个试样进行张力（拉出）试验。如图6所示，笔者采用微机控制的1000kn范围的电液伺服通用测试机，通过拉出夹具上的拉出杆对螺柱施加张力载荷。螺柱周围的混凝土表面是无限制的，这样混凝土就可以自由地形成断裂锥。夹具底板上的圆形开口的直径为250毫米，大于最大hef的3倍。图6在高强度混凝土中安装的螺栓的张力试验的设置接着，笔者螺柱上安装了两个线性可变差动变压器，以测量加载过程中的位移（螺柱底部接头和HSC试件相对于混凝土底部的滑动位移）。在正式加载之前，预加载进行三次，每次达到估计的最终拉出载荷的30%，以检查构件是否处于轴向张力状态，以及测试装置的安装是否正确。然后，在正式加载过程中采用负荷控制方法，直到达到估计值的70%，极限张力强度（Nu)达到，加载速率为6kN/min。然后采用位移控制方法，加载速率为0.5mm/min，记录峰后的行为。实验结果①机械性能28天抗压强度的平均试验结果（fcu）和分裂的抗拉强度（ft）的150毫米的立方体是88.1MPa(标准偏差为1.269MPa)和5.045MPa(标准差分别为0.15MPa)。请注意，转换后的fcu对于来自150mm立方体的200mm立方体，等于83.7MPa，这对于螺柱的Nu预测模型是必需的。②HSC中螺柱的失效模式和极限抗拉强度测试结果如表1所示，包括了失效模式、初始刚度、极限抗拉强度和位移。除D13H80外，几乎所有试验方案。随着hef的增加，直径的Nu增加，笔者认为实验结果与文献中正常混凝土的结果呈现出了相同的趋势。初始刚度K0.3极限抗拉强度-Nu峰值位移Nu/UN最大位移Umax方案ID 故障模式(kN/mm)(kN)负载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 钢35.6568.784.5715.18.04D13H80-2 钢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中安装的螺柱拉伸试验结果结果讨论①故障模式钢故障模式图7高强度混凝土螺柱的钢破坏方式如图7，钢失效仅发生在D13H80上，这是最小的直径，预埋深度最大(最高的hef/d比率）的情况。这与关于普通混凝土中锚的文献一致。对于普通混凝土中特定直径的锚，更高的hef结果更高的Nu锚固的失效，并最终导致钢的失效，此时hef/d>7.5。在正常混凝土中进行的222项试验中，大多数在钢失效模式下发生。这是因为，在同一hef/d比值下，对于相同性能的螺柱，更高的混凝土强度导致更高的阻力。从基础材料到螺柱上的拉荷载能力也会导致更高的螺柱荷载能力。因此，在相同的条件(相同的d和hef)下，钢在混凝土中比普通混凝土更容易达到断裂能力。其余的测试场景在混凝土断开模式下均失败，没有观察到拉出故障模式。混凝土突破失效模式图8螺柱预测钢强度与螺柱极限抗拉强度的比较如图8所示，混凝土断裂主导了大多数研究的场景。对混凝土断开失效的实验观察结果如下。在测试的初始阶段，即在50%之前，Nu没有显示出明显的损坏或裂纹。随着进一步的加载，混凝土试样的吱吱声开始了，这应该是由于混凝土内部开裂和破碎造成的。然而，在80%之前，没有显示出明显的裂纹Nu已到达。随着进一步的加载，一些hef较小的试样在混凝土圆筒的接触表面形成环状裂缝(40mm).对于较大的hef（60mm和80mm）的样品在混凝土圆柱体的接触面出现了一些径向裂缝。在以螺柱为中心的混凝土表面，形成了明显的凸起形式。Nu到达时，裂缝随着裂缝宽度的增加而迅速膨胀。随着“砰”声，混凝土断裂锥立即形成，用螺柱拔出。拔出后，螺柱通常与混凝土分离，少量的混凝土碎片附着在螺柱上。断裂混凝土部分的hef较小，有更好的完整性，而那些hef较大的，通常会裂成几块。HSC中螺柱的载荷-位移行为图9高强度混凝土螺柱荷载位移曲线：(a)D13H40、(b)D13H60、(c)D13H80图9显示了不同hef下d=13mm螺柱的荷载-位移曲线。如图7（a）所示，对于D13H40，在加载开始时，载荷-位移曲线处于27.75kN/mm的线弹性阶段。在初始加载阶段，电液试验机对干扰非常敏感，干扰可能会影响实际刚度的测量。因此，当载荷达到20kN时，刚度逐渐降低，塑性阶段开始。平均Nu为27.83kN，相应的平均位移为1.095mm。螺柱迅速失去承载力被称为脆性破坏。拔出混凝土锥时，螺栓相对于混凝土的平均最大滑移为1.465mm。如图7（b）所示，D13H60曲线更陡，K0相对较高，平均31.68kN/mm在初始加载阶段。在此阶段，螺柱和混凝土之间存在轻微滑动，螺柱上的外部张力荷载由螺柱和混凝土之间的（主要是静态）摩擦和机械联锁抵抗。当位移达到∼0.1mm时，曲线略微弯曲，并保持线性和稳定发展，刚度较低（平均31.68kN/mm）。然后，当曲线开始进入弯曲阶段时，曲线会变得更加扁平。在弯曲过程中，载荷略有增加，位移明显增加，这是金属的典型现象。然后平均Nu为66.52kN，平均位移为4.33mm。位移时载荷减小更快，螺柱颈直到在位移为7.95mm处断裂。每个直径的螺柱的荷载位移曲线显示和比较图10。d=16mm和d=19mm的螺柱的负载-位移行为与d=13mm的趋势相同，其中hef较大将导致更大的K0.3以及极限抗拉强度。然而，如前所述，由于钢的断裂能力随着直径的增加而增加，对于较大的hef，在达到峰值负荷后，其行为更加脆弱。之后的Nu负载下降得更突然，进一步的位移最小。设计参数对混凝土断裂破坏模式力学结果的影响图10混凝土断开破坏模式下螺柱在不同直径和预埋深度下的位移如图10所示，对于混凝土断裂破坏模式，直径越大，Nb/UN就越大，从而降低了峰前的延性。另外，不同直径的直径较大，埋深越显著。然而，在不同的直径之间的变化是不一致的。当福特=13毫米时，hef从40毫米增加到60毫米，Nb/UN略有下降。福特=16毫米时，hef从40毫米增加到60毫米，Nb/UN增加了20%以上。而作为hef从60毫米增加到80毫米，Nb/UN略有下降。Nb预测方法的比较目前，还没有关于HSC中螺柱Nb的预测模型。经典CCD方法适用于预测强度等级不超过C60的混凝土中安装的螺柱和其他混凝土锚的Nb。VAC方法是基于ACI349-97中的45°方法开发的，该方法假设一个与水平面成45°分接角的圆形分接锥。CCD方法假设一个方形的分接锥具有35°的分接角，它是基于一个足够大的数据库开发的，该数据库包括对不同类型的混凝土锚（主要包括螺柱和膨胀锚）的拉力测试。由于其计算形式简单，因此受到设计师的青睐。因此，ACI318-19采用了CCD方法。本研究中测量到的断裂角（30∼35°）接近于CCD方法（35°）的假设。另一方面，VAC方法将混凝土断开模式视为与直径相关的失效，断开角度取决于螺柱的嵌入深度。通过对HSC的实验结果与CCD法和VAC法的预测结果进行初步比较，笔者发现与试验的方差相比，VAC方法的直径影响不显著。使用这两种方法预估HSC中螺柱的Nb主要是由于普通混凝土之间的机械性能差异，是机械联锁装置阻止螺柱被外部负载拉出。螺柱上的拉伸试验可用作轴对称加载情况。2D应力分析可在发生机械联锁的螺柱嵌入端边缘附近的基材（混凝土或其他胶结材料）上进行。根据莫尔圆理论，最