PC钢筋与工程水泥基复合材料（ECC）之间的粘结-滑移机制及计算模型

《Journal of Building Engineering》：Bond-slip mechanism and calculation model between PC steel bar and engineered cementitious composites (ECC)

本研究通过15组单调与循环加载拉拔试验，分析预应力混凝土（PC）钢棒与工程水泥基复合材料（ECC）的粘结滑移行为，揭示了ECC强度、钢棒直径及粘结长度对其性能的影响规律，并建立了相应的本构模型，验证结果显示模型能有效预测两种加载条件下的粘结滑移特性。

　　本研究聚焦于预应力混凝土（PC）钢筋与工程水泥基复合材料（ECC）之间的粘结滑移行为。通过15组在单调和循环加载条件下的拔出试验，系统地探讨了ECC强度、PC钢筋直径以及粘结长度对粘结滑移机制的影响。研究结果表明，所有试件均表现出拔出破坏。在单调加载下，PC钢筋与ECC之间的峰值粘结强度和残余粘结强度随着ECC强度的增加而提高，但随着钢筋直径的增大而降低，降幅在5.24%至28.12%之间；同时，粘结长度的增加也会导致峰值粘结强度和残余粘结强度的下降，其中峰值粘结强度的降幅为8.28%至33.84%，而残余粘结强度的降幅则为19.37%至95.34%。在循环加载下，滞回曲线表现出对称性，峰值粘结强度的变化趋势与单调加载下的情况相似，但其值比单调加载下的低9.00%至35.99%。基于实验数据，研究者提出了计算峰值粘结应力、残余粘结应力及其对应滑移量的公式，并建立了PC钢筋在单调加载下的粘结滑移本构模型。通过引入滞回规则、粘结退化系数以及卸载刚度，进一步开发了适用于循环加载条件下的粘结滑移滞回本构模型。最后，模型验证结果表明，所提出的本构模型能够准确预测PC钢筋与ECC在单调和循环加载条件下的粘结滑移行为。

随着建筑技术的发展，结构物的性能要求已经从单纯地确保在地震等极端荷载下的安全性，进一步提升为更高的功能恢复标准。在这一背景下，自复位预应力结构系统在韧性设计领域受到了广泛关注，因为它们具有出色的变形恢复能力和功能恢复潜力。自复位系统的基本组成部分是预应力机制，该机制为结构引入初始的压缩力。这种预应力使得结构在地震激励下能够实现受控的开合行为，从而显著减少残余变形，提高地震后的自复位能力。

在众多自复位解决方案中，预应力混凝土钢筋因其独特的机械特性而被广泛使用。它们具有较高的抗拉能力，但相对较低的粘结强度，这使得粘结界面可以产生受控的滑移，从而确保应力在结构中更均匀地分布。此外，它们的优异抗拉性能有助于防止钢筋屈服，从而增强自复位行为，同时提高结构的承载能力和裂缝控制性能。已有大量研究探讨了预应力混凝土钢筋加固的混凝土构件和结构系统的机械性能。例如， Luo等人[17]对采用弱粘结预应力混凝土钢筋加固的钢管约束混凝土柱进行了地震试验。试验结果表明，使用超高强度预应力混凝土钢筋替代传统钢筋显著提高了试件的位移硬化能力，实现了超过5%的侧向位移比，同时在高轴向荷载比下显著减少了残余变形。 Wang等人[18]对采用弱粘结高强度预应力混凝土钢筋加固的可替换混凝土柱进行了低周反向加载试验，并对五层和十层框架进行了增量动力分析。结果表明，弱粘结预应力混凝土钢筋的滑移特性有助于减少地震后的残余层间位移，这种效果在高地震强度下更为明显，从而提高了整体结构的功能恢复能力。 Zhang等人[19]对结合了HRB600和预应力混凝土钢筋的钢纤维加固混凝土柱进行了循环加载试验和数值模拟。研究发现，增加预应力混凝土钢筋的配筋率显著增强了恢复力，并减少了残余变形。然而，由于数值模型中忽略了粘结滑移效应，导致在较大的位移角下残余位移被低估。

鉴于粘结行为在自复位机制中的关键作用，已有大量研究致力于表征预应力混凝土钢筋与混凝土之间的粘结性能。 Li等人[20]对平滑预应力混凝土钢筋与普通混凝土之间的中心拔出试验进行了研究，以探讨在单调和循环加载下的粘结性能。试验结果表明，混凝土强度和嵌入长度对峰值粘结强度有显著影响。在循环加载下，正负峰值粘结应力和残余粘结应力均低于单调加载下的值。 Li等人[21]对嵌入在高强度混凝土和钢纤维增强高强度混凝土中的螺旋肋超高强度钢筋进行了拔出试验。研究发现，这种类型的钢筋提供了出色的粘结锚固性能。钢纤维的引入有效提高了极限粘结强度、残余粘结强度和粘结刚度。 Xiong等人[22]通过拔出试验研究了具有螺旋沟槽的高强度、高韧性钢筋与普通混凝土之间的粘结性能。他们分析了嵌入长度、混凝土保护层厚度、横向配筋率以及螺旋沟槽数量等参数对粘结强度的影响。试验结果表明，增加保护层厚度并引入端锚固显著提高了粘结强度。此外，具有六条螺旋沟槽的钢筋表现出优于仅三条沟槽的钢筋的粘结性能。

将预应力混凝土钢筋与ECC结合使用，可以显著增强结构构件的自复位能力。然而，普通混凝土有限的抗拉强度限制了此类系统的延性和变形能力。ECC作为一种主要由水泥、水、砂、减水剂和纤维（如聚乙烯醇、聚乙烯）等材料组成的纤维增强水泥基材料，已经显示出克服这些限制的潜力。ECC中的纤维桥接效应赋予了其卓越的机械性能，包括应变硬化、多裂纹和超高韧性，这大大提高了结构构件的能量耗散能力和抗损伤能力。这些优越的性能使得ECC在抗震结构、抗冲击系统以及现有基础设施的修复和加固中得到了广泛应用。将预应力混凝土钢筋与ECC结合形成新型复合系统，有望协同增强整体结构的韧性、裂缝控制能力、承载能力和耐久性。尽管结合预应力混凝土钢筋与ECC具有诸多优势，但这两种材料之间的粘结行为是确保有效复合作用的关键因素。然而，这一问题在以往的研究中并未受到足够重视，仅有少数研究系统地探讨了预应力混凝土钢筋相对较低的粘结强度和较高的抗拉能力如何与ECC的应变硬化和多裂纹特性相互作用。由于缺乏相关研究，限制了对预应力混凝土钢筋与ECC系统机械性能和长期可靠性的全面理解，突显了进行专门实验研究和严谨分析建模的必要性。

为了填补这一知识空白，本研究在单调和循环加载条件下，对15组不同ECC抗压强度、预应力混凝土钢筋直径和粘结长度的试件进行了中心拔出试验。系统地研究了预应力混凝土钢筋与ECC之间的粘结滑移特性。基于实验数据，提出了计算峰值粘结应力、残余粘结应力及其对应滑移量的公式，并分别建立了适用于单调和循环加载条件下的粘结应力-滑移模型。这些模型的建立和验证为理解预应力混凝土钢筋与ECC之间的粘结滑移行为提供了坚实的理论基础。

本研究采用的ECC材料主要包括普通硅酸盐水泥（P.O 42.5）、粒径分布范围在40至80目之间的优质石英砂、一级粉煤灰、高范围减水剂超塑化剂以及聚乙烯醇（PVA）纤维。PVA纤维的具体性能参数详见表1。依据相关文献[38]和设计规范[39]，进行了ECC的抗压和单轴拉伸试验，以确定其机械性能。ECC的纤维桥接效应显著增强了其抗裂能力和延性，使得在受力过程中，裂缝的形成和扩展得到了有效控制。此外，由于ECC不含粗骨料，且钢筋表面具有连续的螺旋肋结构，这进一步提高了粘结性能，使钢筋在混凝土中的锚固更加牢固。这种结构特征有助于在循环加载下维持较高的粘结强度，同时减少因滑移引起的应力集中。

在单调和循环加载条件下，所有试件均表现出拔出破坏。这一现象表明，ECC强度、粘结长度和钢筋直径对破坏模式没有显著影响。同时，试件表面未观察到明显的裂缝，这归因于ECC中纤维的桥接效应，能够有效抑制裂缝的产生和扩展。由于ECC不含粗骨料，其内部结构更加均匀，这使得钢筋在混凝土中的锚固更加稳定。此外，钢筋表面的螺旋肋结构在循环加载下能够维持较高的粘结强度，减少因滑移引起的应力损失。这些特性使得ECC在结构加固和修复中具有显著优势。

为了预测峰值粘结应力点和残余粘结应力点，研究者首先确定了与预测参数最密切相关的主要变量。随后，采用非线性最小二乘回归方法建立了预测公式。这种方法通过最小化预测值与实验值之间的平方误差，确保了对线性和幂律关系的稳定拟合。通过这一方法，研究者能够更准确地估算不同条件下预应力混凝土钢筋与ECC之间的粘结性能。例如，在单调加载下，随着ECC强度的增加，峰值粘结应力和残余粘结应力均有所提高，但随着钢筋直径的增大，其值显著下降，这与钢筋截面面积增大导致应力分布更加分散有关。此外，粘结长度的增加也会导致峰值粘结应力和残余粘结应力的下降，这与粘结界面的摩擦力和钢筋与混凝土之间的相互作用有关。在循环加载下，峰值粘结应力的值低于单调加载下的情况，这与循环加载下钢筋与混凝土之间的粘结性能受到损伤有关。然而，通过引入滞回规则、粘结退化系数和卸载刚度，研究者能够更准确地预测循环加载下的粘结滑移行为。

本研究的结论表明，所有试件在单调和循环加载下均表现出拔出破坏，这说明ECC强度、粘结长度和钢筋直径对破坏模式没有显著影响。ECC中的纤维桥接效应有效抑制了裂缝的扩展，从而限制了裂缝的形成，使得粘结界面在循环加载下更容易出现磨损。此外，在单调加载下，随着ECC强度的增加，峰值粘结应力和残余粘结应力均有所提高，但随着钢筋直径的增大，其值显著下降。同时，粘结长度的增加也会导致峰值粘结应力和残余粘结应力的下降，这与粘结界面的摩擦力和钢筋与混凝土之间的相互作用有关。在循环加载下，峰值粘结应力的值低于单调加载下的情况，这与循环加载下钢筋与混凝土之间的粘结性能受到损伤有关。然而，通过引入滞回规则、粘结退化系数和卸载刚度，研究者能够更准确地预测循环加载下的粘结滑移行为。

本研究的成果不仅为预应力混凝土钢筋与ECC之间的粘结滑移行为提供了详细的实验数据，还建立了相应的计算公式和本构模型。这些模型能够有效预测不同加载条件下粘结性能的变化趋势，为结构设计和抗震性能评估提供了理论支持。此外，研究还表明，ECC的纤维桥接效应在提高粘结性能方面具有重要作用，特别是在循环加载下，能够有效减少粘结界面的损伤，提高结构的韧性。因此，将预应力混凝土钢筋与ECC结合使用，有望在提高结构性能的同时，增强其在地震等极端条件下的恢复能力。

本研究的贡献不仅体现在实验数据的获取和分析上，还在于模型的建立和验证。通过系统地研究粘结滑移行为，研究者能够更准确地预测不同条件下粘结性能的变化，为实际工程应用提供了理论依据。此外，研究还强调了在结构设计中考虑粘结行为的重要性，特别是在自复位系统中，粘结性能的优化是提高结构韧性和功能恢复能力的关键。因此，未来的研究应进一步探讨如何通过材料优化和结构设计提高粘结性能，以实现更高效、更安全的结构系统。