钢筋混凝土粘结性能分析

钢筋混凝土粘结性能分析

摘要：钢筋混凝土是由钢筋与混凝土这两种特性完全不同的材料组成，其作为一种非均质的整体材料，必须保证钢筋与混凝土之间有可靠的粘结和锚固。只有两者之间有可靠地粘结，才能在钢筋与混凝土交界面处实现应力传递，从而建立起结构承载所必须的工作应力。

关键词：钢筋；混凝土；粘结性

一、粘结机理

对钢筋同混凝土间粘结机理的研究，一般借助拉拔实验进行。由于钢筋表面形状的不同，光圆钢筋与变形钢筋同混凝土间的极限粘结强度相差很大，并且粘结机理、钢筋滑移量及破坏形态也各有不同。

1、光圆钢筋的粘结机理

由于钢筋同混凝土间的胶着强度很小，在小钢筋应变下，就足以产生使胶着力失效的局部滑动。一旦出现相对滑移，钢筋同混凝土脱开，粘结力就有摩擦咬合作用来承担。在加载过程中，相对滑动由加载端逐步向自由端发展，胶着长度不断变小，应力峰值内移，最终钢筋被拔出，而混凝土一般不发生劈裂或破碎，呈剪切破坏形态。当相对埋长较大，且混凝土强度较高时，钢筋也可能在粘结破坏之前就已经屈服。对光圆钢筋，由于其化学胶着力很小，其粘结强度即取决于摩擦咬合作用。

虽然轻度的表面锈蚀有利于增加钢筋同混凝土间的摩擦力，但

其增大作用也很有限；同时，光圆钢筋表面的自然凹凸度很小，其机械咬合作用也不大，因此光圆钢筋同混凝土间的粘结强度也较低，是其粘结的主要问题。因此很多国家采用给定位移量下的粘结应力将其作为光圆钢筋的容许粘结应力，并规定光圆钢筋一般不允许单独作为受力钢筋，且通常需在钢筋端部设置弯钩，增大锚固强度，以防止钢筋同混凝土间产生过大的相对滑移。

2、变形钢筋的粘结机理

对变形钢筋来说，其粘结性能同光圆钢筋有很大区别，由于纵横肋的存在，改变了钢筋同混凝土间相互作用的方式，大大改善了粘结效用。虽然胶着力与摩擦力作用仍然存在，但变形钢筋的粘结强度主要取决于横肋同混凝土间的机械咬合作用。

由变形钢筋的拔出实验可知，其受力变形过程共可分为五个阶段：

（1）微滑移段初始加载时，粘结应力较小，化学胶着力起着主要作用；

加载端的滑移量很小，且自由端的滑移尚未发生，可知化学胶着破坏及滑移尚未扩展至自由端。随着胶着破坏逐渐向自由端扩展，肋对混凝土的挤压力及钢筋同周围混凝土间的摩擦力构成其主要的滑动阻力。肋面的斜向挤压力产生了楔的作用，使肋前混凝土逐渐趋于压碎，其径向分力令外围混凝土受拉，纵向分力使肋前顶点上的混凝土发生拉应力集中现象，是混凝土内部产生径向裂缝及斜裂缝，且沿纵深及试件表面扩展。

（2）滑移段随着荷载增大，锚固长度上的化学粘着力丧失，自由端发生滑移。而后，自由端与加载端的滑移逐渐接近，粘结开始呈现非线性状态。

（3）劈裂段当荷载进一步增加，在混凝土保护层最薄弱处，试件出现纵向劈裂裂纹，且由加载端逐步向自由端延伸。

对一般保护层厚度的无横向配筋试件，发生劈裂后的钢筋同混凝土间的机械咬合作用将很快丧失，发生“劈裂式”粘结破坏。试件表面发生劈裂后，横向钢筋的应力急剧增大，其延缓了劈裂裂缝的开展，令外围混凝土的崩裂延缓；此种情况下到达极限荷载是因为肋间混凝土剪切强度衰减至零，混凝土沿肋外径圆柱面上发生剪切滑移，钢筋被徐徐拔出，即为“刮犁式”粘结破坏。

（4）下降段荷载到达峰值以后开始下降，而滑移则大幅开展，形成加载曲线上的下降段。如试件配有箍筋，则荷载的下降会相对缓慢。

（5）残余段当钢筋滑移量达到横肋间距时，咬合齿被切断，由摩阻力来维持荷载，其值不再下降，直至锚固钢筋被完全拔出。

二、粘结强度的影响因素

粘结强度的主要影响因素可以归纳为如下几点：

1、钢筋直径和表面形状

由于钢筋所受拉力与截面积成正比，粘结面积与截面周长成正比，分析可知相对粘结面积与钢筋直径成反比。对于直径较小的钢筋，其相对粘结面积较大，与混凝土结合较好，产生的粘结强度也

相应较高。也就是说，粘结强度是随着钢筋直径的增加而减小的，故在截面设计时，在满足设计要求的情况下，应尽量采用较小直径的钢筋。

钢筋的外形对粘结强度的影响较大，在其他条件差别不大时，变形钢筋的粘结强度要高于光圆钢筋。且在给定滑移量的情况下，粘结应力随着变形钢筋横肋高度及倾斜角度的增加、肋间距的减小而增大。

2、混凝土的强度

当混凝土的强度提高时，钢筋同混凝土间的化学胶结力及机械咬合力也随之增大，同时混凝土抗拉强度的提高也使得试件的內裂和劈裂应力增大，从而使得极限粘结强度提高，即粘结强度是随着混凝土强度的增加而增大的。

3、配筋率

对于配筋率较小的构件，粘结作用对其荷载-挠度曲线的影响较小，钢筋屈服；对于配筋率较大的构件，粘结作用主要对其荷载-挠度曲线的后期刚度影响较大，钢筋不屈服。由此可知，对于配筋率较小的构件，粘结作用的影响可以忽略，而对于配筋率较大的构件，粘结作用影响构件的受力性能，不能被忽略。

4、保护层厚度

保护层厚度对粘结强度的影响一般是通过相对保护层厚度来表示的。随着c/d的增加，粘结强度与混凝土抗拉强度的比值增大，即粘结强度提高。但当c/d大至一定程度时（月牙纹钢筋大于4.5，

螺纹钢筋大于4），粘结强度与混凝土抗拉强度的比值是趋于不变的。

5、混凝土浇筑方向

对于平位浇筑，即钢筋为水平布置，混凝土浇筑方向为垂直向的情况，由于钢筋下面的混凝土下沉及泌水，与钢筋不能紧密接触，故粘结强度降低。

6、横向配筋

横向配置钢筋，可有效延缓径向内裂的发展、限制劈裂裂缝的开展，从而使粘结强度得以提高。因此，对于较大直径钢筋的锚固区段以及搭接长度范围内，均应设置一定数量的横向钢筋，以提高构件的粘结强度。

7、钢筋锈蚀度

钢筋轻度锈蚀情况下，由于锈蚀物向周围混凝土渗透，从而加强了钢筋和混凝土之间的粘结作用。但当粘结强度增加至一定程度后，随着钢筋锈蚀程度的增加，粘结强度降低。

8、其他因素

能够影响混凝土本身质量和强度的各种因素，如制作过程中的塌落度、混凝土养护条件、浇筑时钢筋所在位置等，均会对钢筋同混凝土间的粘结性能产生一定的影响。

三、粘结性能分析

过去对粘结性能的实验研究主要采用中心拔出试验和轴拉试验，但这两种方法都有很多的缺陷，不能反映钢筋与混凝土之间相