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文章綜述
帶有多個錨固點的預埋件在混凝土中的力學表現(xiàn)深受附加筋影響，在受拉或受剪情況下，這種帶附加筋的預埋件的力學性能可采用拉壓桿模型加以闡述，其中混凝土構成的壓桿承擔壓力，而混凝土配筋和附加筋構成的拉桿承擔拉力，因此理論上來說，帶附加鋼筋的預埋件的混凝土試件中包含三部分內容：混凝土形成的壓桿、鋼筋形成的拉桿以及節(jié)點。文章主要從試驗角度探索混凝土與鋼筋在預埋件受拉、受剪工況下的力學性能。
預埋件信息
預埋件是帶有4只錨腿的鋼板預埋件，產品尺寸及有效錨固深度如圖1所示：
受拉工況
受拉工況下，預埋件在混凝土中的位置如下圖所示，其中紅色虛線表示Ф12箍筋，藍色虛線表示混凝土本身頂部配筋。預埋件在素混凝土中的位置與圖2和圖3相同。實測混凝土強度33.5MPa，實測鋼筋屈服強度540MPa。
圖2 – 用于拉伸試驗的混凝土配筋形式(類型1)
圖3 – 用于拉伸試驗的混凝土配筋形式(類型2)
圖4 – 配筋詳圖
試驗中，對每種(素混凝土，配筋類型1，配筋類型2)形式的試塊做了三組試驗，但是由于試驗工裝問題，部分試驗失敗了，最后得到圖5試驗結果：
圖5 – 不同類型混凝土試塊中的預埋件受拉試驗結果
總體來看，素混凝土中預埋件的極限抗拉承載力幾乎相同，處于256.9kN，且脆性破壞明顯。而帶附加鋼筋試塊中的預埋件雖然各自極限承載力不同，但總體都要高出素混凝土預埋件承載力很多，最大為460kN(配筋類型2，同類型另一試塊承載力約450kN)，最低為361.2kN(配筋類型1)。
破壞模式
素混凝土：典型的椎體破壞，見圖6;
帶附加筋混凝土：混凝土開裂后，鋼筋嚴重變形或斷裂，見圖7、圖8。
圖6 – 素混凝土預埋件受拉椎體破壞
圖8 – 帶附加筋混凝土預埋件受拉鋼筋斷裂(類型2)
受剪工況
受剪工況下，試驗室同樣分別制作了3塊素混凝土與帶附加筋混凝土試塊，混凝土強度實測值為31MPa，鋼筋屈服強度540MPa。附加筋試塊見圖9。
圖9 – 用于剪切試驗的混凝土配筋形式
試驗結果如圖10所示：
圖10 – 不同類型混凝土試塊中的預埋件受剪試驗結果
試驗結果顯示，無論是素混凝土預埋件還是帶附加筋混凝土預埋件，各自3組試驗結果趨于一致，即素混凝土預埋件受剪極限承載力基本位于160kN上下，脆性破壞，此時混凝土裂縫在1.5mm至3mm之間;而帶附加筋預埋件受剪極限承載力基本處于260kN上下，與受拉試驗都是延性破壞，彼時裂縫大大超過素混凝土(3mm至5mm)。各自破壞模式如下圖所示：
圖12 – 帶附加筋混凝土預埋件受剪混凝土破壞以及附加筋屈服
二者差別明顯——圖12中裂紋比圖11明顯增多，這是因為素混凝土中預埋件受剪達到最大承載力后，混凝土瞬間失去繼續(xù)承載的能力，而帶附加筋混凝土在混凝土失效之后瞬間激活附加鋼筋，在鋼筋屈服之前，預埋件依然具備向外擴張的能力，因此預埋件邊緣混凝土會遭到更為嚴重的擠壓，導致更多的裂縫。
在受剪試驗中，文章作者提出了與現(xiàn)行歐標和美標相關力學模型有差異的兩點。
其中之一是，在試驗中出現(xiàn)了一個與歐標相左的現(xiàn)象：無論素混凝土塊還是帶附加筋混凝土試塊，在預埋件受剪過程中，第一條裂縫都是出現(xiàn)在預埋件靠近混凝土邊緣額一側，圖11/12中紅色箭頭位置，而破壞時的裂縫出現(xiàn)在預埋件靠后的藍色箭頭位置。EN 1992-4中的力學模型假定是破壞時裂縫依然處在預埋件靠近混凝土邊緣位置。
小編對于歐標的假定持保留意見。原因是，如果我們以①處混凝土作為②與③混凝土形變的基點，在縫A縫B均未出現(xiàn)之前，縫A由于處于混凝土更邊緣位置，當混凝土處在彈性工作狀態(tài)(未開裂)時，雖然力在混凝土中等效傳遞，但縫B所在位置比A具備更大的截面積，那么在等效外力作用下， A縫相比B縫更有首先開裂的趨勢。一旦A縫出現(xiàn)，③處混凝土就會像混凝土②相對混凝土①發(fā)生絕對位移一樣，③處混凝土會將②處混凝土作為基點同樣發(fā)生絕對位移，要想實現(xiàn)EN 1992-4中的假設，就必須使縫A>縫B，也即——②相對①發(fā)生絕對位移Δm，③混凝土相對①發(fā)生絕對位移Δn，且Δn>Δm，也即在受剪過程中，③也會相對②發(fā)生絕對位移Δn-Δm!仿佛有點難以置信，因為當縫B出現(xiàn)并逐漸變大的過程中，②和③之間基本不存在相互約束而是會成為相對①發(fā)生位移的一個整體，既然相互約束減小甚至消失，又如何會彼此繼續(xù)分裂?
其中之二是，EN 1992-4、ACI 318、fib Bulletin 58(2011)均認為：除非帶附加筋混凝土中僅附加筋在破壞時所受到的荷載大于素混凝土中預埋件承載力，否則應取素混凝土預埋件極限承載力。為了驗證該規(guī)定，作者根據(jù)安裝在鋼筋指定位置的應變片記錄的數(shù)據(jù)，繪制了受拉、受剪過程中混凝土和附加筋各自的貢獻，見圖13：
圖13 – 帶附加筋混凝土預埋件受拉時，混凝土與附加筋對承載力的貢獻(類型1)
其中，紫線是整體加載值，橙線是混凝土所受拉力，藍線是附加筋所受拉力，紅線是附加筋屈服時的外部加載值。如果按前三種標準判斷，極限承載力應為前面所述素混凝土的256.9kN，但是從實驗結果來看，當發(fā)生破壞時，混凝土殘余承載力甚至高過附加筋所受荷載而不是零，二者相加高達361.2kN，作者認為現(xiàn)行標準過于保守。
同樣，受剪試驗中，作者也對混凝土和附加筋對承載力的貢獻做了數(shù)據(jù)分析，見圖14：
圖14 – 帶附加筋混凝土預埋件受剪時，混凝土與附加筋對承載力的貢獻
與受拉工況有所不同的是，受剪試塊從一開始加載之后不久就出現(xiàn)了裂縫，當裂縫達到約0.2mm時附加筋被激活并急劇承擔越來越多的荷載，直至裂縫1mm時混凝土脆性破壞，可即便是達到極限荷載時，混凝土依然保持約50%的承載力。
小編對此觀點并不完全認同。目前國外對開裂混凝土和非開裂混凝土設計有明確的規(guī)定的要求，我國雖然尚未將這一概念區(qū)分引入承載力設計，但是對變形設計提出了控制裂縫額要求(0.1mm到0.4mm)，基本等同于國外非開裂混凝土。從上面的各個力-位移曲線來看，最大承載力基本處于裂縫3mm的情況下，這遠遠超過了開裂與非開裂的設計要求，因此不能將試驗中達到的極限承載力作為設計依據(jù)，如果將0.4mm作為控制點，我們會發(fā)現(xiàn)在這個范圍內，無論素混凝土還是帶附加筋混凝土，都處在彈性階段，將此時的值作為設計依據(jù)雖然保守卻是可靠的。
此外，從試驗結果來分析，對于非開裂混凝土設計而言，附加筋的放置與否從承載力設計角度來看意義并不大，因為鋼筋被激活并發(fā)揮作用基本都是在裂縫0.4mm左右的時候，此時已經進入開裂混凝土設計范疇，這種構造措施更大的意義或在于增強了結構的安全儲備。所以，小編可以設想，如果本試驗中把Ф12的鋼筋換成Ф20的鋼筋，0.4mm裂縫之前的力-位移關系
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