鋼筋與混凝土之間的粘結錨固性能及機理研究

趙 體 棟

(上海經緯建筑規劃設計研究院有限公司重慶分公司，重慶 401120)

鋼筋與混凝土之間的粘結錨固性能及機理研究

趙 體 棟

(上海經緯建筑規劃設計研究院有限公司重慶分公司，重慶 401120)

闡述了粘結應力產生的本質，通過前人的試驗，總結了鋼筋與混凝土之間的錨固性能及機理，并分析了帶肋鋼筋在重復荷載和反復荷載作用下的粘結退化及機理，供設計人員參考借鑒。

粘結應力，粘結錨固，粘結退化

1 粘結應力的產生

1.1 彎矩梯度產生的粘結應力

鋼筋與混凝土之間的粘結錨固性能及粘結機理研究的首要因素就是認清粘結應力產生的本質，下面對粘結應力的產生做詳細的闡述。為了理解“粘結”這一概念，以如圖1所示的簡支梁為例，由于受到兩個大小相等的集中荷載作用，跨中區段梁的彎矩不變(梁自重忽略不計)，對應的剪力為零。兩側區段的彎矩呈線性變化，剪力為一常值。從圖中簡支梁左端取出一個單元長度的梁，如圖1a)所示，則該單元左右截面作用的彎矩不等，彎矩的差值為ΔM,因此，在受拉區混凝土開裂之前(可以近似認為混凝土和鋼筋均為彈性)，左右截面上的應力不論是拉應力或者是壓應力，在同一高度處，必然是左截面應力小于右截面應力，鋼筋中的應力也是如此。把受拉鋼筋作為脫離體取出，如圖1e)所示，則左截面鋼筋拉應力T=σsAS就必然小于右截面總拉力T+ΔT,在左右兩個總拉力作用下鋼筋段上無法保持平衡，要保持平衡，鋼筋與混凝土截面上就必然作用有沿鋼筋軸線方向的剪應力τ，并且，長度為Δx上的鋼筋表面積πd·Δx上剪應力之和必然與左右拉力處于平衡狀態，即ΔT=τπdΔl，當然得到該式的前提是鋼筋與混凝土接觸面上的粘結應力是均勻分布的。

由圖1可以得出一個重要而且普遍的規律:不論是在梁、柱、墻中，只要兩個相鄰截面作用的彎矩有差異，即有彎矩梯度，這兩個截面之間的縱向鋼筋必然作用有如圖1f)所示的粘結應力。

1.2 其他由鋼筋應力梯度引起的粘結

由圖1e)和圖1f)可以看出，彎矩梯度產生的粘結應力可以更進一步的說成由鋼筋應力差引起的粘結應力?；蛘哒f鋼筋有應力差的區段上必然存在粘結應力(沒有應力差的地方，就沒有粘結應力)，正是粘結應力維持了這一應力差。

例如，在圖2中所示的一根鋼筋在混凝土體的錨固段，比如偏心受壓柱的受拉鋼筋在基礎中的錨固。錨固段外端點a點處鋼筋假定承受很大的拉力，而錨固段尾端拉力自然為零，這種拉力差必然要由錨固段鋼筋表面的粘結應力來維持。如果從錨固段上取出一隔離體，如圖2b)所示，可以看出，該段上的應力差同樣是由鋼筋表面的粘結應力來平衡。進一步的研究證實，自錨固段尾端向拉拔端，鋼筋中的拉應力是逐步增大的。

2 帶肋鋼筋與混凝土的粘結機理

一般認為，帶肋鋼筋表面與混凝土之間的粘結抗剪能力由三部分組成：一是混凝土膠體與鋼筋之間的粘附力，它在整個抗剪能力中所占比重很小，主要是在鋼筋與混凝土界面剪應力很小時起作用，一旦剪應力增大，鋼筋開始滑動，這部分抗力就會消失；二是鋼筋的一般表面與混凝土的摩擦力，以及滑動較大時，橫肋帶動橫肋間的一部分混凝土一起滑動時，這部分混凝土與橫肋高度以外混凝土之間的摩擦力(也稱刮犁式滑動時的摩擦阻力)；三是鋼筋發生軸線方向的平移時，橫肋對前方混凝土擠壓形成的機械咬合作用。

帶肋鋼筋的粘結強度主要取決于鋼筋橫肋對前方混凝土形成的擠壓力(機械咬合力)，在鋼筋的拉拔試驗中，在水泥漿的粘附作用未失效之前，鋼筋沒有滑動，隨著外荷載的增大，鋼筋開始滑動，鋼筋的每個橫肋的前鋒面會對前面的混凝土形成比較強的壓力，此時在兩個相鄰橫肋前鋒面之間的混凝土可以看成一長度較小而高度較大的懸臂梁，此懸臂梁在橫肋前鋒面壓力作用下，會在主拉應力最大的內折角處形成撕裂裂縫，該裂縫是由日本學者后藤首次通過試驗看到的。當荷載進一步增大，橫肋前鋒面前面很小的一部分區域的混凝土由于局部高壓應力作用下碎成粉末狀，并且被壓實。這一被壓實的區域像是新的前鋒面，只是新前鋒面較原來的前鋒面減小很多，因此，鋼筋橫肋作用給混凝土的壓力作用方向更為傾斜。當外荷載繼續增大，鋼筋橫肋前方的混凝土碎成粉末狀的區域進一步增大，粘結退化越來越嚴重，最終鋼筋發生較大滑移，粘結失效。

3 影響粘結錨固性能的主要因素

3.1 混凝土強度及其種類

混凝土強度等級越高，鋼筋與混凝土之間的極限粘結應力也越高，而鋼筋的極限粘結應力近似與混凝土的抗拉強度成正比。普通混凝土相應于輕骨料混凝土由于骨料強度高，粘結強度也較高。

3.2 橫向鋼筋

當試驗所用試件未配置橫向鋼筋時，混凝土就會被環向拉力拉裂，通常稱之為粘結劈裂，因此，試件未配置橫向鋼筋時，粘結劈裂一發生，就意味著粘結的失效；當試件配置了橫向鋼筋時，一方面可以避免劈裂裂縫張開過大，另一方面可以避免表層混凝土大面積脫落，從而使縱筋保持一定的粘結能力。

3.3 鋼筋間距及保護層厚度

如果混凝土保護層厚度已經達到不會被劈裂力劈開，或者說即使出現了劈裂現象，劈裂裂縫也不會貫通混凝土層。相對保護層厚度c/d越大，混凝土抵抗劈裂破壞的能力也越大，粘結強度越高。當鋼筋凈距較大時(s>2c)，而保護層厚度不足，縱筋保護層處將出現縱向的裂縫，隨后裂縫向側面發展；當鋼筋凈距較小時(s<2c)，將沿鋼筋連線劈裂，導致粘結強度降低。

3.4 側向壓應力

若在鋼筋錨固范圍內存在側壓力，則可增大鋼筋與混凝土之間的摩擦力，從而提高極限粘結強度。從這一點可以得到啟發，對于粘結應力比較高的區域，可以通過對箍筋施加預應力，進而提高極限粘結強度。

4 重復荷載下的粘結機理與性能

鋼筋與混凝土之間粘結性能的好壞直接影響構件的正常使用，因為鋼筋與混凝土之間的粘結退化以及相對滑移的增大將使鋼筋混凝土構件剛度下降，本已帶裂縫工作的構件裂縫寬度進一步增大。重復荷載作用下因結構疲勞產生的粘結破壞比靜荷載作用時更為復雜，而且破壞形態也更為多樣化，但最終的粘結破壞均是以產生過大的粘結滑移為前提。根據蔣德穩、邱洪興所做的重復荷載作用下鋼筋混凝土錨固端粘結性能試驗，可以得出如下結論：當構件一次加荷達到最大值時鋼筋橫肋的位移和受力：靠近加載端，鋼筋橫肋前方的混凝土局部壓碎，鋼筋橫肋內折角處出現內裂縫，并產生了較大的相對滑移，鋼筋橫肋左側出現了空隙；靠近自由端的地方，鋼筋橫肋前方受壓區混凝土的變形主要為彈性變形，相對滑移較小。卸載到最小荷載時，加載端的混凝土有小部分的回彈，這是因為第一次加載到最大荷載時，橫肋前方混凝土的受壓變形主要為不可恢復的塑性變形，很小一部分為可恢復的彈性變形，而鋼筋的回彈變形較齒狀混凝土體回彈變形大，因此，在鋼筋橫肋的左右兩側均出現了空隙，且在靠近加載端的一段距離內產生了反向的粘結應力；靠近自由端的位置，由于殘余拉力的作用，鋼筋橫肋擠壓前方混凝土，產生正向的粘結應力，由于最小荷載不為零，根據鋼筋的受力平衡，正向粘結應力必然大于反向粘結應力。當重復多次加卸載時，橫肋與前方的混凝土的受力狀態在壓實前方混凝土與兩者之間產生空隙交替出現，使粘結應力退化嚴重。

5 反復荷載下的粘結機理與性能

反復荷載作用下鋼筋與混凝土之間的粘結退化與鋼筋橫肋與橫肋前方受到擠壓的混凝土之間的空隙有關。例如當鋼筋先向右滑動時，肋前混凝土受到橫肋的擠壓，同時在橫肋的后方產生了空隙；反向受力時，因上一次正向受力已在橫肋左側產生了空隙，鋼筋的滑移要走完空隙，橫肋才能抵住混凝土進而形成越來越大的粘結抗力。若再反向受力，且每次反復均加大滑移量，則每次橫肋后形成的空隙也就越來越大，反向滑動開始時粘結應力發揮不出的滑移(“空行程”)也就越長，鋼筋混凝土構件的粘結退化越來越嚴重。根據重慶大學所做的反復受力的τ—s滯回曲線可以得到：反復受力的最大粘結應力比一次受力時明顯偏低，因此抗震設計時鋼筋的錨固和搭接長度都較非抗震情況下偏長。

6 結語

通過分析粘結應力產生的本質，闡明了影響粘結應力的主要因素以及不同的荷載類型對于鋼筋與混凝土之間的粘結機理與性能的具體影響，對于構件中鋼筋的錨固長度的設計具有指導意義。

[1] 蔣德穩，邱洪興.重復荷載作用下鋼筋混凝土錨固端黏結性能試驗研究[J].建筑結構學報，2012(9):134-135.

[2] 徐有鄰.變形鋼筋砼粘結錨固性能的試驗研究[D].北京:中國建筑科學研究院,1990.

[3] 白紹良.鋼筋混凝土及磚石結構[M].北京：中央廣播電視大學出版社，1992：35-37.

[4] 中國建筑科學研究院.鋼筋砼結構研究報告選集(二)[R].北京:建筑工業出版社,1981：255-288.

[5] PARK R,PAULY T.Reinforced concrete structures[M].New York:John Wiley & Sons Ins,1982：236-296.

Research on bond anchorage performance and mechanism between steel and concrete

Zhao Tidong

(ChongqingBranch,ShanghaiJingweiArchitecturalDesignResearchInstituteLimitedCompany,Chongqing401120,China)

This paper described the nature of bond stress production, through the experience of predecessors, summed up the anchorage performance and mechanism between steel and concrete, and analyzed the bond degradation and mechanism of ribbed steel bars under repeated loading and cyclic loading, provided reference for designers.

bond stress, bond anchorage, bond deterioration

2015-03-02

趙體棟(1986- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)14-0039-03

TU375

A