普通强度和超高性能混凝土中环形钢丝绳的锚固失效机制及其承载能力

《Journal of Building Engineering》：Anchorage failure mechanism and load-bearing capacity of looped wire ropes in normal-strength and ultra-high performance concrete

锚固性能提升与破坏机制研究 | 预制混凝土结构 | 环形钢丝绳 | 超高性能混凝土 | 拉拔试验 |

　　

庞瑞|贾浩浩|党龙基|雷洪兵|江航|张明中

河南工业大学土木工程学院，郑州，450001，中国

摘要

预制建筑由于具有更高的效率、可持续性和更好的施工质量，在工程结构中得到了广泛应用，而接头连接是其中的关键组成部分。为了解决预制混凝土结构中存在的问题，如钢筋外露、施工精度要求高以及锚固不足等问题，本研究提出了一种创新的接头系统，该系统结合了环形钢丝绳（LWRs）和超高性能混凝土（UHPC）。进行了18组立方体拔出试验，以研究钢丝绳直径、锚固长度和混凝土类型对嵌入普通强度混凝土（NSC）和UHPC中的LWRs的锚固行为和破坏机制的影响。观察到的破坏模式包括混凝土锥体拔出破坏、LWR断裂破坏以及不同参数下的混凝土开裂破坏。LWRs在UHPC中的临界锚固长度范围为4d至6d，相比NSC中的LWRs减少了60%-70%。采用考虑黏聚行为的有限元模型来模拟LWR-混凝土界面的应力演变，并考察边界条件和关键参数的影响，从而阐明了破坏机制。还提出了一个分析模型来估算LWR-UHPC接头的承载能力，考虑了锚固长度和环形段直径对破坏扩散角度的影响。理论预测与实验和数值结果吻合良好，为这种接头系统在预制混凝土结构中的应用提供了实用的设计指导。

引言

目前，设计理念与现浇混凝土相当的预制整体混凝土结构已在桥梁、住宅建筑和公共设施中得到广泛应用，因为它们减少了现场湿作业，提高了施工效率和可持续性，并提升了质量[1]、[2]、[3]。然而，接头界面的可靠性会直接影响预制结构的抗震性能[4]、[5]、[6]。先前的研究表明，U形钢筋可以有效减少锚固长度、现场浇筑体积和连接宽度[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。尽管如此，U形钢筋技术仍面临钢筋外露的问题，这给预制构件的生产、运输和施工带来了困难。此外，当钢筋直径超过10毫米时，手动弯曲和对齐校正变得非常困难，会显著限制施工效率。

与传统钢筋相比，钢丝绳具有许多明显的优势，如高强度、低松弛率、优异的耐腐蚀性和易于施工，为预制整体混凝土结构中的现有接头技术提供了创新的解决方案[14]。近年来，钢丝绳在预制混凝土和轻型预应力构件中的应用逐渐增加[15]、[16]、[17]、[18]。例如，杜等人[19]、[20]进行了一系列准静态试验，研究了使用LWR的L形和T形预制剪力墙的抗震性能，发现带有LWR连接的预制混凝土墙表现出更高的承载能力和更好的变形能力。肖等人[21]探讨了用LWR连接的直剪力墙垂直接头的准静态力学行为，观察到LWRs大多布置在钢筋构件的中性轴附近，这带来了抵抗平面外力的挑战以及材料优势的未充分利用。

超高性能混凝土（UHPC）因其出色的抗压强度、高抗拉延展性和优异的耐久性而受到广泛关注，这些性能主要通过优化配合比、密实颗粒堆积和钢纤维的桥接效应实现[22]、[23]、[24]、[25]。鉴于UHPC和LWRs的显著优势，本研究提出了一种创新的连接配置，其中LWRs用于解决传统钢筋所导致的高精度要求、低施工效率和钢筋外露问题，而UHPC则用于改善NSC中的锚固性能，从而提高整体连接性能。在这种开发的连接配置中，小直径钢丝绳被机械加工成封闭的LWRs，并嵌入混凝土中。在预制混凝土构件的生产过程中，LWRs的一侧固定在钢筋上，另一侧放置在模具边缘。在混凝土初凝前进行脱模。脱模后，可以使用弯曲的钩子提取位于模具边缘的LWRs。在浇筑混凝土之前，预制混凝土构件之间的LWRs外露部分通过销钉钢筋连接起来。因此，LWR-UHPC接头的力学行为主要取决于LWRs、销钉钢筋和UHPC之间的协同作用。所提出的连接配置可以应用于墙板和楼板的接头，详细的LWR-UHPC接头如图1所示。

钢丝绳与混凝土之间的粘结锚固行为是这种接头技术应用的关键机械属性。许多研究集中在单根钢丝绳的粘结锚固行为上。在参考文献[26]、[27]、[28]中，对嵌入工程水泥基复合材料（ECC）中的单根钢丝绳进行了一系列中心拔出试验，以研究锚固长度和钢丝绳直径对粘结性能的影响，结果表明钢丝绳的临界嵌入长度约为22d。通过回归分析试验数据，推导出了描述ECC与钢丝绳之间相互作用的粘结-滑移本构模型。使用聚合物砂浆作为锚固介质的拔出试验表明，当直径为3.2毫米的钢丝绳嵌入抗压强度分别为66.81 MPa和39.26 MPa的聚合物砂浆中时，相应的临界锚固长度分别为16.88d和24.06d[29]。Joergensen等人[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]通过一系列锚固和剪切试验研究了LWRs在剪力墙中的性能，并基于实验结果提出了一个基于塑性理论的上限理论模型。尽管先前的研究已经确定了嵌入不同水泥基材料中的单根钢丝绳的临界锚固长度和粘结-滑移本构关系，但LWRs的结构配置与单根钢丝绳有很大不同，因此关于LWRs在混凝土中的锚固行为的研究仍然有限。因此，现有的设计指南和分析方法不能直接应用于LWR-UHPC接头。

本研究的主要目的是通过进行18组拔出试验，系统研究LWRs的锚固行为，同时考虑钢丝绳直径、锚固长度和混凝土类型的影响，并结合有限元（FE）建模。基于实验结果和有限元模拟，研究了锚固破坏机制和承载能力，并针对关键影响因素进行了分析。此外，还基于实验和模拟结果开发了一个锥体拔出破坏扩散角模型，以理论预测LWR-UHPC接头的极限承载能力。

部分摘录

试件设计

先前的研究已经确定锚固长度（l_a）、钢丝绳直径（d）和混凝土类型是影响钢丝绳在混凝土中锚固行为的关键参数[26]、[27]、[28]、[29]。因此，选择了嵌入UHPC和NSC中的LWRs的钢丝绳直径和锚固长度作为主要参数，以探索锚固破坏机制和承载能力。本研究中测试了18组试件，每组包含三个

破坏模式

考虑到钢丝绳直径、锚固长度和混凝土类型的影响，在试验过程中可以观察到三种典型的破坏模式：混凝土锥体拔出破坏、LWR断裂破坏和混凝土开裂破坏（图5），如表1所示。

有限元模型

为了进一步研究嵌入混凝土中的LWRs在拔出载荷下的锚固行为以及各种参数的影响，使用ABAQUS[41]、[42]、[43]开发了一个FE模型，如图16所示。为了简化计算过程，LWRs被建模为光滑的。LWRs和钢板使用C3D8R元素建模，而C3D10M元素用于建模混凝土部分，以捕捉不规则的损伤模式并提高四面体网格的准确性

粘结和局部承载相互作用模型的预测

关于U形钢筋锚固行为的研究表明，来自混凝土的局部承载应力（σ_bear）与直段中的粘结应力（σ_bond）共同抵抗拔出载荷[40]。当LWRs的直段达到极限粘结强度时，周围混凝土产生的局部阻力在抵抗拔出载荷中起作用。然而，当粘结应力和局部承载应力的组合阻力

结论

本研究通过实验、有限元模拟和理论分析系统研究了UHPC和NSC中环形钢丝绳的锚固破坏机制和承载能力。根据获得的结果，可以得出以下主要结论：

(1)

嵌入UHPC和NSC中的LWRs在拔出载荷作用下的破坏模式包括混凝土锥体拔出破坏、LWR断裂破坏和混凝土开裂破坏，这取决于钢丝绳

CRediT作者贡献声明

江航：验证、调查、正式分析。张明中：撰写——审稿与编辑、监督。党龙基：撰写——初稿、项目管理、方法论。雷洪兵：方法论、资金获取。庞瑞：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、概念化。贾浩浩：撰写——初稿、软件、调查、数据管理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：52278172、52578197）、中原科技创新领军人才（资助编号：244200510034）、河南省重点研发项目（资助编号：251111320900）、河南工业大学创新基金（团队）支持计划（资助编号：2022ZKCJ05）、河南省科学技术协会人才支持计划（资助编号：2025HYTP051）以及河南省住房科技计划项目的资助