混凝土粘结与锚固小论文
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钢筋与混凝土的粘结锚固及机理
摘要：钢筋与混凝土结构之间的粘结是保证两种材料形成整体、共同工作的基础，对于混凝土结构构件的受力性能、破坏形态、计算假定、承载能力、裂缝和变形等有着重要的影响。一直以来，粘结问题是结构工程技术人员关注的热点问题之一。本文主要从粘结机理、粘结实验和影响因素等三个方面进行分析和研究，以期深入理解、把握钢筋与混凝土之间的粘结性能，提出提高粘结能力的建议。
[6]徐之纶，弹性力学，北京：高等教育出版社，1990
[7]栗一凡，材料力学，北京：高等教育出版社，1983
[8]江见鲸等，高等混凝土结构理论，中国建筑工业出版社，2006
[2]过镇海著钢筋混凝土原理北京,清华大学出版社，1999
[3]赵顺波,李凤兰,王清和.集中荷载作用下的钢筋混凝土梁斜截面承载力，港工技术，1998，(3).
[4]混凝土结构设计规范GBJ10——89，北京：中国建筑工业出版社，1989
[5]过振海，混凝土的强度和变形（实验基础和本构关系），北京中国建筑工业出版社，1997
2.2变形钢筋与混凝土的粘结
变形钢筋拔出试验中量测的粘结应力-滑移（τ-Sl,Sf )典型曲线如图6-8(a),钢筋应力(σs)粘结应力τ和滑移S沿钢筋埋长的分布随荷载(或τ)的变化过程见图6-8( b ),试件内部裂缝的发展过程示意于图6-9[6-10～6-14,6-2]。
图6-8变形钢筋的拔出试验结果( a )τ-S曲线[0-1] ( b)应力和滑移分布
至于肋的外形几何参数,如肋高、肋宽、肋距、肋斜角等都对混凝土的咬合力有一定影响。试验结果表明[6-17],肋的外形变化对钢筋的极限粘结强度值的差别并不大,对滑移值的影响稍大。
图6-16不同肋形钢筋的τ-S曲线
图6-17横向箍筋对粘结强度的影响
3.6横向压应力(q)
结构构件中的钢筋锚固端常承受横向压力的作用,例如支座处的反力、梁柱节点处的柱上轴压力等。横向压应力作用在钢筋锚固端,增大了钢筋和混凝土界面的摩阻力,有利于粘结锚固。
图6-11混凝土强度对粘结性能的影响[ 0-1 ]( a )τ-S曲线( b )τu-ft
图6-12粘结应力特征值与ft的关系[ 6-2 ]
3.2保护层厚度(c)
钢筋的混凝土保护层厚度指钢筋外皮至构件表面的最小距离(c,mm)。增大保护层厚度,加强了外围混凝土的抗劈裂能力,显然能提高试件的劈裂应力(τcr)和极限粘结强度(τu)(图6-13)。但是,当混凝土保护层的厚度c>(5～6)d后,试件不再发生劈裂破坏,而是钢筋沿横肋外围切断混凝土而拔出,故粘结强度τu不再增大。
另一方面,如果钢筋除了承受拉力之外,还有横向力,第13的作用时,可能将钢筋从混凝土中撕脱,大大降低钢筋的粘结锚固强度,甚至造成构件的提前破来自百度文库。
4.本构关系
4.1 Nilson公式
其中,S的单位为N/mm2,S的单位为mm。
4.2 Houde和Mirza公式
其中,S的单位为N/mm2,S的单位为mm。
构件截面上的钢筋多于一根时,钢筋的粘结破坏形态还与钢筋间的净距s有关[6-15,6-16],可能是保护层劈裂(当s>2c),或者沿钢筋连线劈裂(当s<2c,图6-14)。
图6-13粘结强度与保护层厚度的关系
图6-14钢筋净间距s对劈裂裂缝的影响
3.3钢筋埋长(l)
试件中钢筋埋得越深,则受力后的粘结应力分布越不均匀,试件破坏时的平均粘结强度τu与实际最大粘结应力τmax的比值越小,故试验粘结强度随埋长(l/ d)的增加而降低(图6-15)。当钢筋的埋长l/ d> 5后,平均粘结强度值的折减已不大。埋长很大的试件,钢筋加载端达到屈服而不被拔出。故一般取钢筋埋长l/ d= 5的试验结果作为粘结强度的标准值。
图6-15钢筋埋长对粘结强度的影响
3.4钢筋的直径和外形
钢筋的粘结面积与截面周界长度成正比,而拉力与截面积成正比,二者之比值(4/d)反映钢筋的相对粘结面积。直径越大的钢筋,相对粘结面积减小,不利于极限粘结强度试验给出的结果是:直径d≤25 mm的钢筋,粘结强度τu变化不大,直径d> 32mm的钢筋,粘结强度可能降低13%;特征滑移值(Scr,Su,Sr)则随直径(d=12～32 mm)而增大的趋势明显[6-2]。
有横向压应力(q= const )作用的钢筋粘结-滑移曲线如图6-18可见粘结强度和相
应的滑移量都随压应力有较大程度的提高。但是,也有试验证明[ 0-1 ] ,当横向压应力过大(如q> 0 .5fc )时,将提前产生沿压应力作用平面方向的劈裂缝,反而降低粘结强度。
图6-18横向压应力对τ-S曲线的影响
5数值分析方法
5.1双弹簧粘结单元
它在垂直和平行于钢筋表面方向设置了两个互相垂直的虚拟弹簧。这种单元具有弹簧刚度,而没有实际几何尺寸。
5.2四边形滑移单元
这是一种无厚度的矩形单元,由于双弹簧粘结单元只能集中在一点,因此相对而言,四边形滑移单元能够更好地反映粘结应力的分布。随着大型通用有限元计算分析软件的出现,研究者开始利用它们作为计算工具,以及它们所提供的二次开发功能,编写相应的接口程序来进行钢筋与混凝土粘结性能的研究,从而提高了工作效率。
2.粘结机理分析
2.1光圆钢筋与混凝土的粘结
在光圆钢筋的拔出试验中,量测到的拉力(N)或平均粘结应力（τ）与钢筋两端的滑移(Sl和Sf)曲线如图6-7(a),钢筋应力(σs)沿其埋长的分布和据以计算的粘结应力(τ)分布,以及钢筋滑移的分布等随荷载(拉力)增长的变化如图6-7(b)。
图6-7光圆钢筋的拔出试验结果( a )τ-S曲线( b )应力和滑移分布
3.7其它因素
凡是对混凝土的质量和强度有影响的各种因素,例如混凝土制作过程中的坍落度、浇捣质量、养护条件、各种扰动等,又如钢筋在构件中的方向是垂直(如梁)或平行(如柱)于混凝土的浇注方向、钢筋在截面的顶部或底部、钢筋离构件表面的距离等,都对钢筋和混凝土的粘结性能产生一定影响。
还需补充说明,前述的钢筋和混凝土的粘结性能分析都是基于钢筋受拉拔出试验的结果。受压钢筋的粘结锚固性能一般比受拉钢筋有利,需要进行压推试验加以研究。钢筋受压后横向膨胀,被周围混凝土所约束,提高了摩阻抗滑力,粘结强度偏高。
6结语
通过以上论述,得出以下几点结论:1)试验方法已经能够较好地反映静态的钢筋与混凝土粘结性能,但对于动态的粘结滑移性能试验研究,国内外的文献并不多见。2)新材料的出现以及钢筋不同锈蚀程度所对应的粘结性能,有必要进行相应的试验研究,得出其粘结滑移本构关系,以期给理论分析提供依据。
参考文献
[1]王传志，滕智明主编钢筋混凝土结构理论北京,中国建筑工业出版社，1985
关键词：钢筋,混凝土,粘结锚固,机理
钢筋与混凝土之间的可靠粘结是保证钢筋和混凝土共同工作的前提条件，粘结的退化和失效必然导致钢筋混凝土结构力学性能的降低和破坏。故钢筋与混凝土的粘结是一个十分重要的课题。
1.粘结力的作用和组成
钢筋与混凝土间具有足够的粘结是保证钢筋与混凝土共同受力变形的基本前提。通过钢筋与混凝土界面的粘结应力，实现钢筋与混凝土之间的应力传递，使两种材料结合在一起共同工作。粘结应力通常是指钢筋与混凝土界面间的剪应力。钢筋和混凝土之间的粘结力或者抗滑移力,由三部分组成：⑴混凝土中水泥胶体与钢筋表面的化学胶结力⑵混凝土因收缩将钢筋握紧而产生的钢筋与混凝土间的摩擦力⑶钢筋与混凝土的机械咬合力。
4.3清华大学公式
清华大学腾智明考虑了粘结力随锚固长度而发生变化,他提出以下的计算公式:
F(x)
+3.14
其中,F(x)为用来描述粘结滑移关系随不同锚深变化的位置函数。S的单位为N/mm2,S的单位为mm。
人们将Nilson及Houde的数据代入清华大学公式中,发现Nilson公式反映了粘结滑移点在裂缝中间的情况,而Houde公式则反映了粘结滑移点在靠近裂缝或者构件端部的情况,清华大学公式由于引入了位置函数,有着更为广泛的适应性。
试验结果表明,钢筋的极限粘结强度τu约与混凝土的抗拉强度ft (或抗压强度fcu)成正比(图6-11 ( b) )。其它的粘结应力特征值(τA,τcr,τr)也与混凝土的抗拉强度成正比(图6-12)。
试验表明过多的水泥用量将导致粘结强度的恶化；在同样水灰比的情况下，尽管混凝土的强度变化不大，而粘结强度却在很大范围变化；混凝土中含砂率和水泥砂浆的组成成分对粘结强度有明显影响，存在一个最优含砂率和最优水泥砂浆的含量；当混凝土标号基本相同，随水泥砂浆含量的增大，在同样钢筋应力下滑动会增长。
变形钢筋表面上横肋的形状和尺寸多有不同(图5-1)。我国常用的螺纹和月牙纹钢筋的粘结-滑移曲线对比于图6-16。可见月牙纹钢筋的极限粘结强度比螺纹钢筋约低10%～15%,且较早发生滑移,滑移量也大;但是下降段平缓,后期强度下降较慢,延性好些。原因是月牙纹钢筋的肋间混凝土齿较厚,抗剪性强。此外,月牙纹的肋高沿圆周变化,径向挤压力不均匀,粘结破坏时的劈裂缝有明显的方向性(即顺纵肋的连线)。
图6-9变形钢筋的粘结破坏和内部裂缝发展过程[6-2](a)纵向(b)横向(c)破坏形态
3.影响粘结的因素
3.1混凝土强度(fcu或ft)和组成部分
当提高混凝土的强度时,它和钢筋的化学粘着力τ粘和机械咬合力随之增加,但对摩阻抗滑力的影响不大。同时,混凝土抗拉(裂)强度ft的增大,延迟了拔出试件的内裂和劈裂应力,提高了极限粘结强度和粘结刚度(图6-11 )。
摘要：钢筋与混凝土结构之间的粘结是保证两种材料形成整体、共同工作的基础，对于混凝土结构构件的受力性能、破坏形态、计算假定、承载能力、裂缝和变形等有着重要的影响。一直以来，粘结问题是结构工程技术人员关注的热点问题之一。本文主要从粘结机理、粘结实验和影响因素等三个方面进行分析和研究，以期深入理解、把握钢筋与混凝土之间的粘结性能，提出提高粘结能力的建议。
[6]徐之纶，弹性力学，北京：高等教育出版社，1990
[7]栗一凡，材料力学，北京：高等教育出版社，1983
[8]江见鲸等，高等混凝土结构理论，中国建筑工业出版社，2006
[2]过镇海著钢筋混凝土原理北京,清华大学出版社，1999
[3]赵顺波,李凤兰,王清和.集中荷载作用下的钢筋混凝土梁斜截面承载力，港工技术，1998，(3).
[4]混凝土结构设计规范GBJ10——89，北京：中国建筑工业出版社，1989
[5]过振海，混凝土的强度和变形（实验基础和本构关系），北京中国建筑工业出版社，1997
2.2变形钢筋与混凝土的粘结
变形钢筋拔出试验中量测的粘结应力-滑移（τ-Sl,Sf )典型曲线如图6-8(a),钢筋应力(σs)粘结应力τ和滑移S沿钢筋埋长的分布随荷载(或τ)的变化过程见图6-8( b ),试件内部裂缝的发展过程示意于图6-9[6-10～6-14,6-2]。
图6-8变形钢筋的拔出试验结果( a )τ-S曲线[0-1] ( b)应力和滑移分布
至于肋的外形几何参数,如肋高、肋宽、肋距、肋斜角等都对混凝土的咬合力有一定影响。试验结果表明[6-17],肋的外形变化对钢筋的极限粘结强度值的差别并不大,对滑移值的影响稍大。
图6-16不同肋形钢筋的τ-S曲线
图6-17横向箍筋对粘结强度的影响
3.6横向压应力(q)
结构构件中的钢筋锚固端常承受横向压力的作用,例如支座处的反力、梁柱节点处的柱上轴压力等。横向压应力作用在钢筋锚固端,增大了钢筋和混凝土界面的摩阻力,有利于粘结锚固。
图6-11混凝土强度对粘结性能的影响[ 0-1 ]( a )τ-S曲线( b )τu-ft
图6-12粘结应力特征值与ft的关系[ 6-2 ]
3.2保护层厚度(c)
钢筋的混凝土保护层厚度指钢筋外皮至构件表面的最小距离(c,mm)。增大保护层厚度,加强了外围混凝土的抗劈裂能力,显然能提高试件的劈裂应力(τcr)和极限粘结强度(τu)(图6-13)。但是,当混凝土保护层的厚度c>(5～6)d后,试件不再发生劈裂破坏,而是钢筋沿横肋外围切断混凝土而拔出,故粘结强度τu不再增大。
另一方面,如果钢筋除了承受拉力之外,还有横向力,第13的作用时,可能将钢筋从混凝土中撕脱,大大降低钢筋的粘结锚固强度,甚至造成构件的提前破来自百度文库。
4.本构关系
4.1 Nilson公式
其中,S的单位为N/mm2,S的单位为mm。
4.2 Houde和Mirza公式
其中,S的单位为N/mm2,S的单位为mm。
构件截面上的钢筋多于一根时,钢筋的粘结破坏形态还与钢筋间的净距s有关[6-15,6-16],可能是保护层劈裂(当s>2c),或者沿钢筋连线劈裂(当s<2c,图6-14)。
图6-13粘结强度与保护层厚度的关系
图6-14钢筋净间距s对劈裂裂缝的影响
3.3钢筋埋长(l)
试件中钢筋埋得越深,则受力后的粘结应力分布越不均匀,试件破坏时的平均粘结强度τu与实际最大粘结应力τmax的比值越小,故试验粘结强度随埋长(l/ d)的增加而降低(图6-15)。当钢筋的埋长l/ d> 5后,平均粘结强度值的折减已不大。埋长很大的试件,钢筋加载端达到屈服而不被拔出。故一般取钢筋埋长l/ d= 5的试验结果作为粘结强度的标准值。
图6-15钢筋埋长对粘结强度的影响
3.4钢筋的直径和外形
钢筋的粘结面积与截面周界长度成正比,而拉力与截面积成正比,二者之比值(4/d)反映钢筋的相对粘结面积。直径越大的钢筋,相对粘结面积减小,不利于极限粘结强度试验给出的结果是:直径d≤25 mm的钢筋,粘结强度τu变化不大,直径d> 32mm的钢筋,粘结强度可能降低13%;特征滑移值(Scr,Su,Sr)则随直径(d=12～32 mm)而增大的趋势明显[6-2]。
有横向压应力(q= const )作用的钢筋粘结-滑移曲线如图6-18可见粘结强度和相
应的滑移量都随压应力有较大程度的提高。但是,也有试验证明[ 0-1 ] ,当横向压应力过大(如q> 0 .5fc )时,将提前产生沿压应力作用平面方向的劈裂缝,反而降低粘结强度。
图6-18横向压应力对τ-S曲线的影响
5数值分析方法
5.1双弹簧粘结单元
它在垂直和平行于钢筋表面方向设置了两个互相垂直的虚拟弹簧。这种单元具有弹簧刚度,而没有实际几何尺寸。
5.2四边形滑移单元
这是一种无厚度的矩形单元,由于双弹簧粘结单元只能集中在一点,因此相对而言,四边形滑移单元能够更好地反映粘结应力的分布。随着大型通用有限元计算分析软件的出现,研究者开始利用它们作为计算工具,以及它们所提供的二次开发功能,编写相应的接口程序来进行钢筋与混凝土粘结性能的研究,从而提高了工作效率。
2.粘结机理分析
2.1光圆钢筋与混凝土的粘结
在光圆钢筋的拔出试验中,量测到的拉力(N)或平均粘结应力（τ）与钢筋两端的滑移(Sl和Sf)曲线如图6-7(a),钢筋应力(σs)沿其埋长的分布和据以计算的粘结应力(τ)分布,以及钢筋滑移的分布等随荷载(拉力)增长的变化如图6-7(b)。
图6-7光圆钢筋的拔出试验结果( a )τ-S曲线( b )应力和滑移分布
3.7其它因素
凡是对混凝土的质量和强度有影响的各种因素,例如混凝土制作过程中的坍落度、浇捣质量、养护条件、各种扰动等,又如钢筋在构件中的方向是垂直(如梁)或平行(如柱)于混凝土的浇注方向、钢筋在截面的顶部或底部、钢筋离构件表面的距离等,都对钢筋和混凝土的粘结性能产生一定影响。
还需补充说明,前述的钢筋和混凝土的粘结性能分析都是基于钢筋受拉拔出试验的结果。受压钢筋的粘结锚固性能一般比受拉钢筋有利,需要进行压推试验加以研究。钢筋受压后横向膨胀,被周围混凝土所约束,提高了摩阻抗滑力,粘结强度偏高。
6结语
通过以上论述,得出以下几点结论:1)试验方法已经能够较好地反映静态的钢筋与混凝土粘结性能,但对于动态的粘结滑移性能试验研究,国内外的文献并不多见。2)新材料的出现以及钢筋不同锈蚀程度所对应的粘结性能,有必要进行相应的试验研究,得出其粘结滑移本构关系,以期给理论分析提供依据。
参考文献
[1]王传志，滕智明主编钢筋混凝土结构理论北京,中国建筑工业出版社，1985
关键词：钢筋,混凝土,粘结锚固,机理
钢筋与混凝土之间的可靠粘结是保证钢筋和混凝土共同工作的前提条件，粘结的退化和失效必然导致钢筋混凝土结构力学性能的降低和破坏。故钢筋与混凝土的粘结是一个十分重要的课题。
1.粘结力的作用和组成
钢筋与混凝土间具有足够的粘结是保证钢筋与混凝土共同受力变形的基本前提。通过钢筋与混凝土界面的粘结应力，实现钢筋与混凝土之间的应力传递，使两种材料结合在一起共同工作。粘结应力通常是指钢筋与混凝土界面间的剪应力。钢筋和混凝土之间的粘结力或者抗滑移力,由三部分组成：⑴混凝土中水泥胶体与钢筋表面的化学胶结力⑵混凝土因收缩将钢筋握紧而产生的钢筋与混凝土间的摩擦力⑶钢筋与混凝土的机械咬合力。
4.3清华大学公式
清华大学腾智明考虑了粘结力随锚固长度而发生变化,他提出以下的计算公式:
F(x)
+3.14
其中,F(x)为用来描述粘结滑移关系随不同锚深变化的位置函数。S的单位为N/mm2,S的单位为mm。
人们将Nilson及Houde的数据代入清华大学公式中,发现Nilson公式反映了粘结滑移点在裂缝中间的情况,而Houde公式则反映了粘结滑移点在靠近裂缝或者构件端部的情况,清华大学公式由于引入了位置函数,有着更为广泛的适应性。
试验结果表明,钢筋的极限粘结强度τu约与混凝土的抗拉强度ft (或抗压强度fcu)成正比(图6-11 ( b) )。其它的粘结应力特征值(τA,τcr,τr)也与混凝土的抗拉强度成正比(图6-12)。
试验表明过多的水泥用量将导致粘结强度的恶化；在同样水灰比的情况下，尽管混凝土的强度变化不大，而粘结强度却在很大范围变化；混凝土中含砂率和水泥砂浆的组成成分对粘结强度有明显影响，存在一个最优含砂率和最优水泥砂浆的含量；当混凝土标号基本相同，随水泥砂浆含量的增大，在同样钢筋应力下滑动会增长。
变形钢筋表面上横肋的形状和尺寸多有不同(图5-1)。我国常用的螺纹和月牙纹钢筋的粘结-滑移曲线对比于图6-16。可见月牙纹钢筋的极限粘结强度比螺纹钢筋约低10%～15%,且较早发生滑移,滑移量也大;但是下降段平缓,后期强度下降较慢,延性好些。原因是月牙纹钢筋的肋间混凝土齿较厚,抗剪性强。此外,月牙纹的肋高沿圆周变化,径向挤压力不均匀,粘结破坏时的劈裂缝有明显的方向性(即顺纵肋的连线)。
图6-9变形钢筋的粘结破坏和内部裂缝发展过程[6-2](a)纵向(b)横向(c)破坏形态
3.影响粘结的因素
3.1混凝土强度(fcu或ft)和组成部分
当提高混凝土的强度时,它和钢筋的化学粘着力τ粘和机械咬合力随之增加,但对摩阻抗滑力的影响不大。同时,混凝土抗拉(裂)强度ft的增大,延迟了拔出试件的内裂和劈裂应力,提高了极限粘结强度和粘结刚度(图6-11 )。