《KSCE Journal of Civil Engineering》：Experimental study of bond stress-slip behavior between HRB650E seismic steel bars and concrete
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钢筋混凝土结构的完整性和承载能力从根本上由钢筋与混凝土之间的粘结相互作用决定。本研究聚焦于HRB650E抗震钢筋的粘结应力-滑移行为，该钢筋相较于传统钢筋具有独特的力学性能，包括更高的屈服强度和增强的延性。这些特性显著影响其与混凝土的界面行为，因此需要专门研究
钢筋混凝土结构的完整性和承载能力从根本上由钢筋与混凝土之间的粘结相互作用决定。本研究聚焦于HRB650E抗震钢筋的粘结应力-滑移行为，该钢筋相较于传统钢筋具有独特的力学性能，包括更高的屈服强度和增强的延性。这些特性显著影响其与混凝土的界面行为，因此需要专门研究。为系统评估HRB650E钢筋的粘结特性，研究人员开展了一项广泛的试验计划，涉及96个大型试件，分为24个不同的试验组。试验设计旨在考察五个关键参数的影响：混凝土强度、混凝土保护层厚度、锚固长度、钢筋直径和箍筋率。结果表明，极限粘结强度与混凝土强度、保护层厚度和箍筋率呈正相关，而与锚固长度呈负相关。在变形特性方面，极限粘结滑移随保护层厚度和箍筋率的增加而增大。基于试验结果的定量分析，本研究建立了若干贡献：(1) 确定HRB650E钢筋基本锚固长度的设计公式；(2) 估算极限粘结强度和粘结滑移的预测公式；(3) 一个改进的粘结-滑移本构模型，该模型有效捕捉了试验中观察到的行为趋势。所提出的模型与试验测量值具有强相关性。这些进展为优化采用HRB650E高强抗震钢筋的混凝土结构设计提供了有价值的工具，有望实现更高效和可靠的结构配置。
**研究背景与问题**
近年来，高强钢筋在结构工程中的应用日益广泛，因其能减少材料消耗、降低施工成本并提升环境可持续性。然而，钢筋强度提高常伴随变形能力下降，而抗震设计需要足够的延性和屈服后变形能力，以防止脆性破坏并确保循环荷载下的耗能。因此，实现高强与良好延性的平衡成为关键。韩国研究者开发了屈服强度400~600 MPa的抗震钢筋，江苏沙钢集团成功研制HRB650E抗震钢筋（HRB表示热轧带肋钢筋，650表示特征屈服强度650 MPa，E表示抗震），其屈服强度达650 MPa，同时满足抗震性能要求：强屈比不小于1.25，最大力总延伸率不小于9%。尽管已有研究探讨了高强钢筋与混凝土的粘结行为，但同时具备高强度和抗震性能的钢筋与混凝土之间的粘结研究相对有限。此外，本研究采用大型试件，更接近实际工程，能更准确反映构件锚固行为。该论文发表在《KSCE Journal of Civil Engineering》。
**主要技术方法**
研究人员采用中心拉拔试验系统（1000 kN锚杆拉拔测试系统），对96个大型试件（24个试验组）进行单调拉拔试验，考察混凝土强度（C50~C70）、保护层厚度（c/d=1.56~4.19）、锚固长度（la/d=10~20）、钢筋直径（16、22、32 mm）和箍筋率（0%~0.75%）五个参数。通过荷载传感器和线性可变差动变压器（LVDT）同步采集拉拔力及加载端、自由端位移，计算平均粘结应力（τ）与粘结滑移（s），并采用回归分析建立预测模型。
**研究结果**
**3.1 破坏模式**
根据试验观察，破坏模式分为四类：劈裂破坏（S）、劈裂后拔出破坏（SP）、拔出破坏（P）和钢筋屈服破坏（Y）。劈裂破坏主要因保护层不足；拔出破坏因锚固长度不足；带箍筋试件因箍筋约束，裂缝发展后仍能保持残余粘结强度，表现为劈裂后拔出；钢筋屈服破坏为理想模式，表明锚固可靠。
**3.2 粘结-滑移特性**
粘结-滑移曲线呈现三个阶段：初始线弹性阶段、非线性硬化阶段和峰后软化阶段。无箍筋试件峰后应力急剧下降，而带箍筋试件在su~5su范围内粘结应力几乎恒定，随后逐渐降低。
**4.1 极限粘结强度**
通过线性回归分析各参数影响：极限粘结强度与混凝土抗拉强度（ft）、相对保护层厚度（c/d）和箍筋率（ρsv）呈正相关，与相对锚固长度（la/d）呈负相关（R2均接近1）。基于回归分析，提出HRB650E钢筋极限粘结强度预测公式：τu = (0.26 + 1.8d/la)(4.9 + 1.04c/d + 1.7ρsv)ft，平均试验/预测比为1.016，标准差0.127，优于现有模型。
**4.2 基本锚固长度公式**
基于平衡条件fy = 4τu × la/d，代入上式并保守选取参数（c/d=1, ssv/d=15, dsv/d=0.25），推导出HRB650E钢筋基本锚固长度公式：la/d = 0.148fy/ft - 6.92。与GB 50010-2010和BS EN 1992-1-1:2004对比，规范值分别高出12%~15%和26%~30%，具有一定安全储备。
**4.3 极限粘结滑移**
极限粘结滑移（su）与c/d和ρsv呈正相关（R2>0.9），与d/la呈非单调关系（先升后降）。通过二次多项式和线性回归，提出公式：su = (-0.04 + 9.99d/la - 66.20(d/la)2) × (2.45 + 1.06c/d + 7.28ρsv)/ft，R2=0.89。
**4.4 粘结-滑移曲线预测模型**
采用指数函数形式τ = a(exp(bs) - exp(ds))拟合曲线，以(su, τu)为极大点，将三个待定系数简化为一个。无箍筋试件参数：a = τu/-4.4621e-5, b = -1.0000606/su, d = -0.9999394/su；带箍筋试件参数：a = τu/-0.906, b = -4.004/su, d = -0.079/su。拟合R2分别为0.72和0.69，有效反映了两种破坏模式的特征。
**讨论与结论**
讨论部分指出，当前规范锚固规则多为经验平均，未能充分考虑强震和低周反复加载下的粘结退化。实际地震中锚固区经历反复裂缝开合、粘结应力重分布和残余滑移累积，影响刚度退化、耗能和延性。现有公式仅能保证单调荷载下的粘结应力发展，无法可靠预测循环荷载下的滑移演化、强度衰减和破坏模式，因此需进一步研究。
研究结论总结如下：(1) 破坏模式分为劈裂、劈裂后拔出、拔出和钢筋屈服，受保护层和锚固长度控制；(2) 极限粘结强度和滑移受混凝土强度、保护层、锚固长度、钢筋直径和箍筋率五个参数影响，所提预测公式与试验吻合良好；(3) 基于极限粘结强度公式和屈服平衡条件推导了基本锚固长度公式，规范值有一定安全余量；(4) 现有规范未能充分反映循环荷载下的粘结退化行为，需进一步研究以实现高强抗震钢筋在结构中的预期性能。
