后装钢筋连接：欧洲的设计新思路

演讲人：Akanshu Sharma，普渡大学

描述：过去几年，欧洲后置钢筋的鉴定和设计发生了重大范式转变。这归功于欧洲技术认证组织 (EOTA) 发布的新的欧洲评估文件 (EAD) 和技术报告 (TR) 069。本文作者在新试验和鉴定方法以及设计条款的制定中发挥了关键作用。这些文件的制定分阶段进行，第一步是确定后置钢筋在地震荷载下与预埋钢筋的等效性，第二步是确定后置钢筋在静力荷载下的性能优于预埋钢筋，最终是确定后置钢筋在地震荷载下的等效性。开发了一种用于进行试验的新型试件（改进的梁端试件）；开发了一种用于评估各种参数对后置钢筋性能影响结果的新方法；开发了一种用于抗震鉴定试验的基于位移的新型试验方案；同时，开发了一种基于层次结构的方法来设计使用后置钢筋形成的结构连接。本文介绍了开发新公式的背景研究，阐述了试件和试验方案设计的依据，并解释了设计理念、局限性和应用范围。

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大家好，下午好！欢迎参加这场讲座。我今天要聊的是在欧洲已经开始使用的后装钢筋连接的资格认证和设计方法。这在美国还没普及，但我想讲讲它的背景和来龙去脉。

在欧洲，后装钢筋的锚固设计现在由一个叫AOTA的欧洲技术评估组织负责，他们有个技术报告TR69，专门讲后装钢筋的锚固设计。这在美国还没被允许，但欧洲的方法允许把后装钢筋（我有时候简称PI）看作比现浇钢筋还好。美国最多只能把后装钢筋看作和现浇钢筋一样好，但在欧洲可以认为它更强。这个设计指南覆盖了像柱到基础、墙到基础、板到墙、梁到墙和梁柱节点的应用。

这整个想法是从我在斯图加特的时候开始的，当时和Alson教授聊到标准化的问题，我们就想看看后装钢筋能干啥。讲到现浇锚固，我们不会把混凝土锥体破坏当作可能的失效模式，而是看粘结劈裂和钢筋屈服，只要发展长度够，钢筋就会屈服。而说到胶粘锚，劈裂模型不太一样，我们会考虑混凝土锥体破坏、钢筋屈服和其他失效模式。于是我们想，为什么不把所有失效模式放一张图上？包括混凝土锥体破坏、钢筋屈服，还要为高性能后装钢筋的粘结劈裂开发新模型，因为它们的表现会比现浇钢筋更好。

这个概念其实早就有人研究过。2002年，普鲁士高森的一个博士生发现，小覆盖层时现浇和后装钢筋表现差不多，但大覆盖层时，后装钢筋强度更高，具体取决于砂浆类型。我们在2014年做了些数值研究，证明后装钢筋的粘结强度高时，随着覆盖层直径比和混凝土强度的增加，粘结劈裂强度会高很多。现浇钢筋的强度一般在覆盖层为直径三倍时就饱和了，但后装钢筋能继续提高。我们参考了2010年FIB模型规范，里面说现浇钢筋的粘结劈裂强度跟混凝土强度、钢筋直径、最小和最大覆盖层、横向钢筋有关。我们就想用类似的方法。

我们当时开发的概念现在写进了欧洲评估文件33242，核心是引入一个预因子A，归一化混凝土强度，用0.25作为FIB规范的指数，再考虑钢筋直径、混凝土覆盖层、横向钢筋和粘结长度的影响，这些在FIB规范里也有，但用的是不同方程。我们希望这个模型能限制在粘结强度之内，因为覆盖层和混凝土强度高时，最终会达到粘结强度。

要建这个模型，第一个挑战是设计试件。我们需要一个试件，能改变混凝土覆盖层、混凝土强度、横向钢筋、钢筋直径和粘结强度，有明确的粘结和非粘结区，能测后端滑移，还要支持地震或循环加载，模拟现实情况。 我们想出了一个叫改进梁试件的主意，现在也写进了EAD。这个试件由当时的博士生尤斯特斯·雷克斯开发，前面有非粘结长度，中间是粘结长度，后面又是非粘结区，还留了个凹槽控制后端滑移。这样就能轻松改变混凝土覆盖层、横向钢筋、混凝土强度和非粘结长度。开发明确的粘结和非粘结区挺费劲，雷克斯想出了一些好点子，比如用导向管钻孔，用泡沫胶带封缝隙，用聚酯卷块做后端凹槽测滑移，还在钢筋末端磨平，加个管子，确保粘结和非粘结区清晰。这些细节都在文献里，我就不多说了，但我们费尽心思确保分区明确。

测试设置上，我们考虑现实情况。比如柱到基础或梁柱连接，钢筋受拉时会有关键裂缝，钢筋承受粘结应力。我们把这转化为梁试件，参考了AM的梁试件概念，但横向钢筋的处理方式不同。 测试设置能测裂缝宽度，平行和垂直于钢筋的裂缝都要测。为了避免垂直裂缝导致混凝土锥体破坏，我们加了纵向钢筋吸收力，确保试件总是劈裂失效。

测试结果显示了混凝土强度的影响。试件总是达到钢筋劈裂失效，初始荷载增加，后端裂缝出现导致荷载略降，但裂缝碰到钢筋后被阻止，荷载又被钢筋承担，最终混凝土劈裂。随着混凝土强度增加，即使粘结强度不变，劈裂强度也会提高，因为这是混凝土拉伸失效。覆盖层从40到65到90毫米增加，粘结或劈裂拉伸强度也提高。我们画了趋势图，得出一个类似FIB规范的方程，确定了混凝土强度、钢筋直径、覆盖层等的系数和预因子，计算值和测试值吻合得很好。

接下来，我们想把所有失效模式——粘结劈裂、混凝土锥体破坏、钢筋失效——放一张图上，还要考虑地震情况。我们开发了地震测试协议，和锚固测试不同，锚固测试多用于非结构应用，裂缝循环或荷载在峰值的75%或50%范围内循环。我们想了解整个荷载位移行为，不只初期，还要看脆性或韧性失效。我们定了两个位移极限：荷载降到峰值的80%，或峰值位移SU的两倍，取两者中较大的作为循环位移极限。后端滑移从0.1*SU开始，逐步到2*SU、3*SU、5*SU、7.5*SU，得到完整荷载位移曲线。 早前Alson教授给现浇钢筋定了测试协议，10次恒定滑移循环后测残余拔出。我们比较了我们的协议和他的，发现我们的循环协议（10次SU、1.5*SU、2*SU）比现浇钢筋的稍保守，但对拔出试件表现不错。劈裂失效试件也用同样协议，捕捉了钢筋的全程行为，包括滞回和残余性能。

比较现浇和后装钢筋时，我们为了省成本，对现浇做静态测试，后装做循环测试，比较包络线，确保后装的粘结强度、耗能和残余容量（至少现浇峰值荷载的40%）都比现浇强。 然后我们把粘结劈裂模型应用到结构连接上。我的学生Vin Mahadik的博士研究聚焦柱到基础连接，用不同嵌入深度的现浇钩筋、现浇直筋和后装直筋。

结果显示，350毫米嵌入深度时，后装钢筋能在柱内形成铰链，而现浇钢筋是拔出失效。滞回曲线显示，现浇钢筋在峰值后有大的夹捏效应和强度退化，后装钢筋则形成完整的滞回环，归功于钢筋屈服。 梁柱节点测试也类似，两种情况都因节点剪切失效，但后装钢筋表现和现浇钩筋相当。现浇测试一边是钩筋，一边是直筋，结果不对称；后装两边都是后装，表现对称，失效荷载比现浇直筋高。

墙到基础连接测试中，我们改变墙厚，看到混凝土锥体破坏。 Mahadik的论文比较了现行欧元规范预测的失效荷载，假设后装等同现浇，预测值偏低，总是拔出失效。但实际测试的失效荷载高很多。用AOTA TR69的新方法，失效荷载和模式的预测很准。 这就是整个背景和故事。我们想把所有失效模式放一张图，为此开发了粘结劈裂模型、梁试件和循环加载协议，最终验证了结构连接。这在欧洲已获批，希望美国能在十年内跟上。

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