弯折钢筋初期损伤形成的规律及机制研究

为明晰混凝土膨胀作用下弯折钢筋脆性断裂的机理,从导致脆断的推测起源-钢筋初期损伤入手,开展月牙纹钢筋在弯折参量及梯度递增弯折角度下的加工试验与数值模拟。探究钢筋直径与弯心直径对初期损伤形成的影响规律,探索各细分阶段下受挤压钢筋横肋的形变规律、初期裂纹尺度的演变特征,以及弯弧内部残余应力响应等,从而分析带肋钢筋因弯折加工形成初期损伤的规律与机制,并进一步探索抑制初期损伤的横肋形貌与加工参量。结果表明:较大的钢筋直径和弯折角度,较小的弯心直径会大幅增加初期损伤程度;严峻条件下(钢筋直径及弯心直径分别为16 mm及32 mm,弯折90°),月牙纹钢筋的初期损伤可达400μm(钢筋直径的2.5%),超过了日本常发生脆性断裂竹节纹钢筋的水平,这增加了弯折钢筋受应力作用下初期损伤扩展的可能性;随弯折角度递增,钢筋横肋的挤压变形与根部应力集中程度愈发显著,且弯折90°卸载后弯弧内部由受压转为受拉应力状态,加剧了初期损伤的形成以及弯折钢筋如箍筋产生脆性断裂的敏感性;通过在月牙纹横肋与基圆之间设置适当的过渡圆角可较大程度缓解初期损伤。

箍筋弯折时的初期损伤及其对力学性能的影响

混凝土病害性膨胀下构件内部箍筋角部的脆断被认为与钢筋弯折过程中的初期损伤有关,值得深入研究。本工作针对常用带肋钢筋,通过加工参量下的90°弯折试验发现,钢筋横肋根部出现最大长度约占直径2.52%的初期裂纹。弯折钢筋的拉伸试验表明,因初期裂纹扩展,试件均在极限拉伸前形成早期断裂,且断裂强度最低仅为极限拉伸强度的60%。由断口分析得出,弯折钢筋最小断面收缩率仅为正常直钢筋的34%,且断口呈典型的脆性特征。长期服役会进一步加剧箍筋角部强度及塑性变形性能的劣化。本研究将为进一步优化弯折钢筋的工程应用和力学性能设计提供参考。