(30)--第二章 钢筋混凝土材料的物理力学性能 2-3 钢筋与混凝土的粘结.pdf

1 第二章 混凝土结构材料的物理力学性能 23 钢筋与混凝土的粘结 2.3.1 2.3.1 粘结的作用和分类粘结的作用和分类 钢筋和混凝土能够有效地结合在一起共同工作，钢筋和混凝土能够有效地结合在一起共同工作，粘结与锚固是钢筋和混凝土能够共同工粘结与锚固是钢筋和混凝土能够共同工作的基础。作的基础。钢筋混凝土构件（或结构）受力后，会沿钢筋钢筋混凝土构件（或结构）受力后，会沿钢筋和和混凝土的接触面上产生剪应力，通常把混凝土的接触面上产生剪应力，通常把这种剪应力称为粘结应力。这种剪应力称为粘结应力。根据钢筋混凝土构件中钢筋受力情况的不同，根据钢筋混凝土构件中钢筋受力情况的不同，钢筋与混凝土之间的钢筋与混凝土之间的粘结粘结应力应力可分为两类可分为两类。第一类是钢筋的第一类是钢筋的锚固粘结锚固粘结应力应力或或延伸粘结延伸粘结应力应力，第二类是混凝土构件第二类是混凝土构件裂缝间的粘结裂缝间的粘结应力应力，如如图图 2.2.3232 所示。所示。轴心受拉构件裂缝间粘结悬臂梁端锚固梁端锚固 （a a）（b b）图图 2.322.32 粘结粘结应力的应力的类型类型 （a a）锚固粘结）锚固粘结应力应力；（；（b b）裂缝间粘结裂缝间粘结应力应力 2.3.2.3.2 2 粘结粘结力力的的组成组成 钢筋和混凝土的粘结力主要由三部分组成。钢筋和混凝土的粘结力主要由三部分组成。一是一是化学胶结力化学胶结力。二是二是摩擦力摩擦力。三是三是机械咬合力机械咬合力。光面钢筋光面钢筋的粘结力主要来自化学胶结力和摩擦力，的粘结力主要来自化学胶结力和摩擦力，变形钢筋变形钢筋的的粘结粘结力主要来自机械咬合力主要来自机械咬合力力。图图 2.332.33 所示为变形钢筋与混凝土机械咬合作用的受力机理。所示为变形钢筋与混凝土机械咬合作用的受力机理。图图 2.32.33 3 变形钢变形钢筋外围混凝土的内裂缝筋外围混凝土的内裂缝 径向分力 内部斜裂缝 变形钢筋 斜向挤压力 轴向分力 径向分力 内裂缝区 未开裂区 径向裂缝 环向拉力 2 2.3.2.3.3 3 粘结强度粘结强度 钢筋与混凝土的粘结强度通常采用拔出试验和梁式试验来测定，如图钢筋与混凝土的粘结强度通常采用拔出试验和梁式试验来测定，如图2.2.3 34 4所示。所示。（a a）（b b）图图 2.34 2.34 粘结强度试验粘结强度试验 （a a）拔出试验；（）拔出试验；（b b）梁式试验）梁式试验 各类钢筋拔出试验得出的典型粘结应力各类钢筋拔出试验得出的典型粘结应力与加载端滑移与加载端滑移s关系曲线见图关系曲线见图 2.352.35。刻痕光面旋扭钢绞线月牙肋等肋高螺旋肋0s 图图 2.35 2.35 各种钢筋的各种钢筋的-s s 关系曲线关系曲线 不同强度等级混凝土的不同强度等级混凝土的-s s 关系曲线见图关系曲线见图 2.362.36。随着混凝土强度的提高，粘结锚固性能。随着混凝土强度的提高，粘结锚固性能有较大的改善，粘结强度增加，相对滑移量减小。有较大的改善，粘结强度增加，相对滑移量减小。17.9Mpa34.1Mpafcu=80.5Mpa161412108642543210s(mm)(Mpa)图图 2.362.36 不同强度混凝土的不同强度混凝土的-s s 关系曲线关系曲线 钢筋受力后，由于钢筋与混凝土的粘结作用，钢筋的应力发生变化，其变化率取决于钢筋受力后，由于钢筋与混凝土的粘结作用，钢筋的应力发生变化，其变化率取决于 粘结力的大小。如图粘结力的大小。如图 2.372.37 所所示钢筋端部的锚固粘结，取微段示钢筋端部的锚固粘结，取微段dx来来分析分析，任何任何一一段钢筋两端段钢筋两端的应力差，都由其表面的纵向剪力（即粘结力）的应力差，都由其表面的纵向剪力（即粘结力）来平衡来平衡。根据平衡条件，可得：。根据平衡条件，可得：ssssssAd dxAdA （2 2-3 31 1）2144ssssddAdddddxddxdx （2 2-3 32 2）式中：式中：微段微段dx上的平均粘结应力上的平均粘结应力，即钢筋表面上的剪应力即钢筋表面上的剪应力；加载端 自由端 无锚区 套管 钢筋(2-3)d 锚固区 5d d 100 100 锚固长度 反力 反力 F 无锚区 3 sA钢筋的截面面积钢筋的截面面积；d钢筋直径。钢筋直径。粘结破坏（钢筋拔出或混凝土劈裂）时，钢筋与混凝土接触面上的最大平均粘结应力为粘结破坏（钢筋拔出或混凝土劈裂）时，钢筋与混凝土接触面上的最大平均粘结应力为u，也也称为粘结强度。设拔出力称为粘结强度。设拔出力F为钢筋的拉力为钢筋的拉力，即，即ssFA，则：，则：ssuAFdldl （2 2-3 33 3）式中：式中：l钢筋的埋入长度。钢筋的埋入长度。图图 2.37 2.37 钢筋和混凝土粘结应力的计算钢筋和混凝土粘结应力的计算 2.3.2.3.4 4 影响粘结强度的主要因素影响粘结强度的主要因素 影响钢筋与混凝土粘结强度的因素很多，主要有以下几影响钢筋与混凝土粘结强度的因素很多，主要有以下几方面方面:1.混凝土强度 光面光面钢筋和钢筋和变形变形钢筋的粘结强度均随混凝土强度的提高而提高。钢筋的粘结强度均随混凝土强度的提高而提高。（见图（见图 2.382.38）。2.保护层厚度和钢筋净距 混凝土保护层是指钢筋外皮（有箍筋时指混凝土保护层是指钢筋外皮（有箍筋时指箍筋箍筋外皮）外皮）至构件表面的最小距离（用至构件表面的最小距离（用 c c 表示）。表示）。增加保护层厚度，可以提高外围混凝土的抗劈裂增加保护层厚度，可以提高外围混凝土的抗劈裂能力能力，从而提高了钢筋和混凝土间的粘结应，从而提高了钢筋和混凝土间的粘结应力。力。钢筋与混凝土的粘结破坏还与钢筋的净距钢筋与混凝土的粘结破坏还与钢筋的净距s有关有关。当钢筋之间当钢筋之间的的净距净距2sc时，可能发时，可能发生保护层劈裂；当钢筋之间生保护层劈裂；当钢筋之间的的净距净距2sc时，可能发生水平劈裂而导致整个保护层崩落，粘时，可能发生水平劈裂而导致整个保护层崩落，粘结强度显著降低结强度显著降低。如图如图 2.32.39 9 所示所示。3.钢筋的直径和表面特征 钢筋直径越大，钢筋直径越大，其其相对粘结面积相对粘结面积就就越小越小，越越不利于不利于钢钢筋与混凝土之间的筋与混凝土之间的粘结粘结；反之，钢；反之，钢 dx dx d F ssd s ssFA u l N NdN 图 2.38 粘结强度与混凝土抗拉强度 图 2.39 钢筋净距与保护层厚度 2/tfN mm 2/uN mm 213.084.64.57.5tfN mml d ccdsdddsscdsc dsdc ddcs2cs2c劈裂缝劈裂缝30201002468 4 筋直径越筋直径越小小，其相对粘结面积就越，其相对粘结面积就越大大，钢筋与混凝土之间的粘结，钢筋与混凝土之间的粘结越好。越好。4.横向钢筋 横向钢筋横向钢筋（如梁中的箍筋如梁中的箍筋、弯起钢筋以及附加钢筋等、弯起钢筋以及附加钢筋等）可以延缓径向劈裂裂缝的发展可以延缓径向劈裂裂缝的发展，限制裂缝的宽度，从而可以提高粘结强度。限制裂缝的宽度，从而可以提高粘结强度。在较大直径钢筋的锚固区或钢筋搭接长度范围内，以及当一排并列的钢筋根数较多时，在较大直径钢筋的锚固区或钢筋搭接长度范围内，以及当一排并列的钢筋根数较多时，均应设置一定数量的附加箍筋均应设置一定数量的附加箍筋来来抑制抑制劈裂裂缝的产生，劈裂裂缝的产生，防止防止混凝土混凝土保护层的劈裂崩落。保护层的劈裂崩落。5.侧向压力 当钢筋的锚固区作用有侧向压应力时，可增强钢筋与混凝土之间的当钢筋的锚固区作用有侧向压应力时，可增强钢筋与混凝土之间的摩擦力摩擦力，使粘结强度，使粘结强度提高。提高。如简支梁端部的锚固，由于如简支梁端部的锚固，由于支座支座反力反力的有利的有利影响，伸影响，伸入入支座的钢筋锚固长度支座的钢筋锚固长度asl可适当可适当减少。减少。见图见图 2.2.4040。6.钢筋的位置 粘结强度与浇筑混凝土时钢筋所处的位置也有关系。粘结强度与浇筑混凝土时钢筋所处的位置也有关系。如图如图 2.412.41 所示，所示，位于顶部的水平钢位于顶部的水平钢筋，其下面的混凝土由于水分、气泡的逸出和骨料泌水下沉，与钢筋间形成了空隙层，从而筋，其下面的混凝土由于水分、气泡的逸出和骨料泌水下沉，与钢筋间形成了空隙层，从而削弱了钢筋与混凝土的粘结作用削弱了钢筋与混凝土的粘结作用；下部水平钢筋的空隙层明显小于上部钢筋，因此，下部钢下部水平钢筋的空隙层明显小于上部钢筋，因此，下部钢筋筋与混凝土与混凝土的粘结强度要高于上部钢筋的粘结强度要高于上部钢筋的的。图2.36 钢筋在支座处得锚固 钢筋支座反力 空隙层下部钢筋空隙层上部钢筋 图图 2.2.4040 钢筋在支座处的锚固钢筋在支座处的锚固 图图 2.2.4 41 1 钢筋位置的影响钢筋位置的影响 此外，凡是对混凝土质量和强度有影响的因素，如混凝土的坍落度、振捣质量、养护条此外，凡是对混凝土质量和强度有影响的因素，如混凝土的坍落度、振捣质量、养护条件、各种扰动等，都对钢筋与混凝土之间的粘性能有一定影响。件、各种扰动等，都对钢筋与混凝土之间的粘性能有一定影响。2.3.2.3.5 5 钢筋的锚固钢筋的锚固 为了保证钢筋与混凝土之间有足够的粘结为了保证钢筋与混凝土之间有足够的粘结强度强度，必须保证钢筋有一定的锚固长度。当，必须保证钢筋有一定的锚固长度。当钢钢筋受拉达到屈服强度（筋受拉达到屈服强度（syf），且，且未发生粘结破坏，该临界情况下的锚固长度称为基本锚未发生粘结破坏，该临界情况下的锚固长度称为基本锚固长度，用固长度，用abl表示。表示。由式（由式（2 2-3 33 3）得：）得：14ysyabuuf Afldd （2 2-3 34 4）由于粘结强度由于粘结强度u与混凝土的抗拉强度与混凝土的抗拉强度tf基本成线性关系，同时考虑基本锚固长度基本成线性关系，同时考虑基本锚固长度与钢筋与钢筋强度、混凝土强度强度、混凝土强度、钢筋直径及外形钢筋直径及外形的的关系关系，规范给出了基本锚固长度的规范给出了基本锚固长度的计算计算公式公式:yabtfldf或或pyabtfldf （2 2-3 35 5）式中：式中：yf、pyf普通普通钢筋钢筋、预应力钢筋、预应力钢筋的抗拉强度设计值的抗拉强度设计值；asl 5 tf混凝土轴心抗拉强度设计值，当混凝土的强度等级高于混凝土轴心抗拉强度设计值，当混凝土的强度等级高于 C60C60 时，按时，按 C60C60 取值取值；d锚固钢筋的直径锚固钢筋的直径；锚固钢筋的外形系数，按表锚固钢筋的外形系数，按表 2.2.6 6 取用。取用。表表 2.2.6 6 锚固钢筋的外形系数锚固钢筋的外形系数 钢筋类型钢筋类型 光面钢筋光面钢筋 带肋钢筋带肋钢筋 螺旋肋钢丝螺旋肋钢丝 三股钢绞线三股钢绞线 七股钢绞线七股钢绞线 0.160.16 0.140.14 0.130.13 0.160.16 0.170.17 注注:光光圆圆钢筋末端应做钢筋末端应做 180180弯钩，弯弯钩，弯后后平直平直段段长度不应小于长度不应小于 3d3d，但，但作作受压构件时可不做弯钩。受压构件时可不做弯钩。一般情况下，受拉钢筋的锚固长度可取基本锚固长度。考虑各种影响钢筋与混凝土粘结一般情况下，受拉钢筋的锚固长度可取基本锚固长度。考虑各种影响钢筋与混凝土粘结锚固强度的因素，当采取不同的埋置方式和构造措施时，锚固长度应按下式计算锚固强度的因素，当采取不同的埋置方式和构造措施时，锚固长度应按下式计算:aa abll （2 2-3 36 6）式中式中：al受拉钢筋的锚固长度受拉钢筋的锚固长度；a锚固长度修正系数，按下面规定取用，当多于一项时，可以连乘计算锚固长度修正系数，按下面规定取用，当多于一项时，可以连乘计算，但不应小，但不应小于于 0.60.6；对预应力钢筋，可取；对预应力钢筋，可取 1.01.0。纵向受拉纵向受拉普通普通钢筋的锚固长度修正系数钢筋的锚固长度修正系数a应应按下列规定取用按下列规定取用:（1 1）当带肋钢筋的公称直径大于当带肋钢筋的公称直径大于 2525mm时取时取 1.101.10；（2 2）对环氧涂层钢筋取对环氧涂层钢筋取 1.251.25；（3 3）施工过程中易受扰动的钢筋取施工过程中易受扰动的钢筋取 1.11.10 0；（4 4）锚固锚固钢筋的钢筋的保护层厚度为保护层厚度为 3d3d 时修正系数可取时修正系数可取 0.0.8080，保护层厚度为，保护层厚度为 5d5d 时修正系数可时修正系数可取取 0.700.70，中间按，中间按内内插法取值插法取值，此处此处d为为锚固锚固钢筋的直径钢筋的直径；（5 5）当纵向受力钢筋的实际配筋面积大于其设计计算面积时，修正系数取设计计算面积当纵向受力钢筋的实际配筋面积大于其设计计算面积时，修正系数取设计计算面积与实际配筋面积的比值，但与实际配筋面积的比值，但对对有抗震设防要求及直接承受动力荷载的结构构件，不应考虑此有抗震设防要求及直接承受动力荷载的结构构件，不应考虑此项修正；项修正；（6 6）当纵向受拉普通钢筋末端采用弯钩或机械锚固措施时，包括弯钩或锚固端头在内的）当纵向受拉普通钢筋末端采用弯钩或机械锚固措施时，包括弯钩或锚固端头在内的锚固长度（投影长度锚固长度（投影长度）可取为基本锚固长度可取为基本锚固长度abl的的 60%60%。弯钩和机械锚固的形式见图。弯钩和机械锚固的形式见图 2.2.4 42 2,并并符合相应的符合相应的技术要求。技术要求。经修正的锚固长度不应小于基本锚固长度的经修正的锚固长度不应小于基本锚固长度的 0.60.6 倍且不小于倍且不小于 200200mm。混凝土结构中的纵向受压钢筋，当计算中充分利用混凝土结构中的纵向受压钢筋，当计算中充分利用其其抗压强度时，锚固长度抗压强度时，锚固长度不应小于不应小于相相应受拉锚固长度的应受拉锚固长度的 0.70.7 倍。倍。受压钢筋不应采用末端弯钩和一侧贴焊锚筋的锚固措施。受压钢筋不应采用末端弯钩和一侧贴焊锚筋的锚固措施。承受动力荷载的预制构件，应将纵向受力普通钢筋末端焊接在钢板或角钢上，钢板或角承受动力荷载的预制构件，应将纵向受力普通钢筋末端焊接在钢板或角钢上，钢板或角5d3dD=4dD=4d1359012d5d（a）90弯钩（b）135弯钩（c）一侧贴焊锚筋（d）两侧贴焊锚筋（e）穿孔塞焊锚板（f）螺栓锚头 6 钢应可靠地锚固在混凝土中。钢板或角钢的尺寸应按计算确定，其厚度不宜小于钢应可靠地锚固在混凝土中。钢板或角钢的尺寸应按计算确定，其厚度不宜小于 1010mm。钢筋的锚固可参阅钢筋的锚固可参阅规范规范8.3.18.3.18.3.58.3.5 条。条。图图 2.42 2.42 弯钩和机械锚固的形式和技术要求弯钩和机械锚固的形式和技术要求 此外，钢筋在不同结构位置的锚固、钢筋的搭接长度、钢筋的延伸长度等都与粘结应力此外，钢筋在不同结构位置的锚固、钢筋的搭接长度、钢筋的延伸长度等都与粘结应力有关，其长度是在锚固长度有关，其长度是在锚固长度al的基础上加以修正。将在今后陆续讲授。的基础上加以修正。将在今后陆续讲授。