第七章-钢筋与混凝土之间的粘结

第七章钢筋与混凝土之间的粘结
§7.1 概述
钢筋与混凝土的粘结是钢筋与其周围一定影响范围内混凝土的一
种相互作用，它是这两种材料共同工作的前提之一，也是对钢筋混凝土构件的承载力、刚度以及裂缝控制起重要影响的因素之一。

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。

随着有限元法在钢筋混凝土结构非线性中的应用，钢筋与混凝土之间粘结和滑移的研究更显重要。

7.1.1 粘结应力及其分类
1．粘结应力的定义
粘结应力是指沿钢筋与混凝土接触面上的剪应力。

它并非真正的钢筋表面上某点剪应力值,而是一个名义值(对于变形钢筋而言)，是指在某个计算范围(变形钢筋的一个肋的区段)内剪应力的平均值，且对于变形钢筋来说，钢筋的直径本身就是名义值。

2．粘结应力分类
·弯曲粘结应力
由构件的弯曲引起钢筋与混凝土接触面上的剪应力。

可近似地按材料力学方法求得。

由于在混凝土开裂前，截面上的应力不会太大，所以一般不会引起粘结破坏，对结构构件的力学性能影响不大。

该粘结主要体现混凝土截面开裂前钢筋与混凝土的协同工作机理。

其大小与弯曲粘结应力及截面的剪力分布有关，即对于未开裂截面，弯曲粘结应力的分布规律与剪力分布相同。

·锚固粘结应力
钢筋的应力差较大，粘结应力值高，分布变化大，如果锚固不足则会发生滑动，导致构件开裂和承载力下降。

粘结破坏是一种脆性破坏。

·裂缝间粘结应力
开裂截面的钢筋应力，通过裂缝两侧的粘结应力部分地向混凝土传递，使未开裂截面的混凝土受拉，也使得混凝土内的钢筋平均应变或总变形小于钢筋单独受力时的相应变形，有利于减小裂缝宽度和增大构件的刚度，此即“受拉刚化效应”。

裂缝间粘结应力属于局部粘结应力范围。

该粘结应力数值的大小反映了受拉区混凝土参与工作的程度。

局部粘结应力应变分布复杂，存在着混凝土的局部裂缝和两者之间的相对滑移，平截面假定不再符合，且影响因素较多，如剪切破坏、塑性铰的转动能力以及结构中的弹塑性分析等。

7.1.2 研究现状
由于影响钢筋与混凝土之间粘结作用的因素较多，且差异性较大，较难给出理想的、普遍共同接受的计算理论。

目前，还没有比较完整的、有充分论据的粘结滑动理论。

各国规范处理方法各不相同，另外一方面，笼统的构造要求大大忽视了对粘结问题的进一步的研究。

7.1.3 研究的重要性
·工程实践上的重要性——钢筋的锚固、搭接和细部构造；
·理论上的重要性——剪切破坏、裂缝宽度、塑性铰转动能力以及弹塑性分析问题的源头；
·有限元方法在钢筋混凝土结构中应用的要求，需给出粘结应力与相对滑动的数学模式；
·钢筋混凝土结构的动力反应，尤其是在大变形下的粘结性能的研究，在很大程度上取决于构件的连接部位的恢复力特性，粘结退化是使节点区强度丧失和刚度降低的主要原因。

§7.2 粘结性能试验
7.2.1 试验方法
结构中钢筋粘结部位的受力状态复杂，很难准确模拟。

根据试验性质以及获取数据的内容，分为静力试验方法和动力试验方法。

1．静力试验方法
·拔出试验
最初的试验方法，将钢筋埋置于混凝土中心。

由于加载端混凝土受到混凝土的局部挤压，与结构中钢筋端部附近的应力状态差别大，影响了试验结果的真实性。

因此，将其改为试件加载端的局部钢筋与周围混凝土脱空的试件。

但是，螺纹钢筋采用这种试验方法时，试件常发生劈裂破坏。

所以，又设置横向钢筋（螺旋箍筋）以改善其性能。

（三种试件图7-1所示）
·梁式试验
梁式试验（图7-2）是为了更好地模拟梁端锚固粘结性能状态。

由于拔出试验不能反映钢筋锚固区域存在弯矩和剪力共同作用的影响。

图7-1
拔出试验的试件
梁式试验试件梁端无粘结，中央为10d 的粘结区域，使粘结应力分布更为均匀。

这两类试件的对比试验结果表明：材料和粘结长度相同的试件，拔出试验比梁式试验得到的平均粘结强度高，其比值约为1.1－1.6。

除了钢筋周围混凝土应力状态差别外，后者的混凝土保护层较薄也是主要原因。

图
7-2 梁式试验的构件
无论哪种试验，试验中均需要量测钢筋的拉力、拉力极限值以及钢筋加载端和自由端与混凝土的相对滑移量。

必要时，需要在钢筋内部埋置应变片，以准确量测钢筋的应变。

按试验相邻电测点的钢筋应力差计算相应的粘结应力，从而得到粘结应力的分布规律。

此外，还可以通过在裂缝处涂上诸如红色墨水以观察粘结裂缝的发展规律。

·局部粘结－滑移试验
钢筋混凝土结构非线性分析需要建立钢筋与混凝土在接触面上的力和滑移的物理模型，即局部粘结应力和局部滑移的本构关系。

但是，通常的粘结试验得到的只是平均粘结应力与试件加载端或自由端的关系，并不代表试件内部的关系。

目前，采用两种局部粘结－滑移试验：一种是短埋长的拔出试验，一种是埋长较长的拉伸试验，如图7-4所示。

（a）短埋长的拔出试验装置（b）长埋长的拔出试验装置
图7-4 不同埋长的拔出试验装置
短埋长试验是为了使量测的平均粘结应力及自由端具有局部对应
关系，使得粘结应力及滑动量沿埋长分布接近于均匀，可近似地代表均布关系。

当钢筋与混凝土有较大的粘结长度时，一般情况下钢筋与混凝土的应变和沿试件长度上是变化的。

因此，钢筋的位移，及与钢
筋接触面上的混凝土位移，以及钢筋与混凝土之间的相对滑移=- 沿试件长度方向上也是变化的。

如果能够直接量测试件内部的钢筋与混凝土在接触面上的相对滑动量，则局部粘结应力与局部滑移的关系便不难得出。

但是应该指出，在不会过分地破坏粘结的条件下，量测试件内部的相对滑动量
的问题，目前还没有可靠的解决方法。

另外一种途径是通过测定钢筋及混凝土的应变分布，利用系数关系间接地得出：
2．动力试验方法
·梁柱节点试验
梁柱节点试验可较为真实地模拟在轴向力和剪力作用下局部粘结滑移关系。

量测的结果有的以粘结应力－滑移关系体现，有的以梁端弯矩和转角来体现。

·Tassios 装置
在其静力加载装置基础上改装而成，可以测得局部粘结应力与相对滑移之间的关系，但是不能考虑轴向力的影响。

图7-5
拉伸试件中的应变及位移分布
综上所述，用于粘结－滑移的试验装置众多，都具有自己的特点，没有形成一个共同认可的标准试验装置，阻碍了各个试验数据之间的对比，不利于粘结作用的深入研究。

7.2.2 拔出试验的粘结和滑移
拔出试验在钢筋拔出过程中，钢筋的应力不断增加，而粘结应力的峰值却不断地后移，即从加载端逐渐地退出工作，图7-6是Amstutz 的试验曲线。

应该指出，实际的钢筋应变不是光滑的，因而由钢筋反算的粘结应力：
（式中d 为钢筋的直径）也不是光滑的。

在变形钢筋中，由于肋的咬合作用以及次生斜裂缝出现，混凝土的拉应力沿杆长也必然是不连续的，当钢筋上所贴的应变片越长，间距越大，这一不连续性越被掩盖。

此外，在一定的埋长下，自由端的滑移比加载端要小得多。

图7-6 拔出试验中钢筋应力
目前拉伸试验是为了模拟构件主裂缝的间距，因而较短。

钢筋在梁端拉伸后，试件中点应是不动点。

由于试件较短，钢筋应力一开始沿长度的差别就不那么大，但粘结应力最大值则随着肋左混凝土退出工作而向内移动。

§7.3 粘结机理
7.3.1 粘结力的组成
粘结力主要是由三部分组成：
1．胶结力
混凝土水化产生的凝胶体对钢筋表面产生化学胶结力。

这种胶结力一般很小，仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用，一旦接触面发生相对滑动时，该力立即消失，且不可恢复。

2．摩阻力
混凝土硬化时体积收缩，将产生裹紧钢筋的摩阻力。

这种摩阻力的大小取决于握裹力和钢筋与混凝土表面的摩擦系数。

对钢筋产生的垂直于摩擦面的正压力越大，接触面的粗糙程度越大，摩阻力就越大。

3．机械咬合力
钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生机械咬合力。

对于光圆钢筋，表面的自然凹凸程度较小，这种作用力较小，因此它与混凝土的粘结强度是较低的，需要设置弯钩以阻止钢筋与混凝土之间产生较大的相对滑动；对于变形钢筋，肋的存在可显著增加钢筋与混凝土的机械咬合作用，从而大大增加粘结强度，这是它粘结组成的很大一部分。

图
7-7 变形钢筋的粘结机理
其实，粘结力的三个部分都与钢筋表面的粗糙度和锈蚀程度密切相关，在试验中很难单独量测或严格区分。

而且，在钢筋的不同受力阶段，随着钢筋滑移的发展、荷载（应力）的加卸载等原因，各部分粘结作用也有变化。

对于光圆钢筋，其粘结力主要来自前两项；而变形钢筋的粘结力三项都包括，其中第三项占大部分。

二者的差别，可以用订入木料中的普通钉和螺丝钉的差别来解释。

7.3.2 光圆钢筋与混凝土的粘结
一般认为，光圆钢筋与混凝土的握裹强度由水泥凝胶体和钢筋表面的化学粘结所组成。

但是即使在低应力下也将产生相当大的滑移，并可能破坏混凝土和钢筋间的这种粘结。

一旦产生这样的滑移，握裹力将主要取决于钢筋表面的粗描程度和埋置长度内钢筋横向尺寸的变化。

(a) 曲线 (b) 应力和滑移分布
图7-8 光圆钢筋的拔出试验结果如图7-8所示光圆钢筋应力、粘结应力以及加载端和自由端滑
移量的试验曲线。

从中可以知道：
（1）随着拉拔力的增大，粘结应力图形的峰值由加载端向内部移动，临近破坏时，移至自由端附近，同时粘结应力图形的长度（有效埋长）也达到了自由端，钢筋的应力渐趋均匀；
（2）当荷载达到后，钢筋的受力段和滑移段继续扩展，加载端的滑移（）明显成曲线增长，但自由端无滑移。

粘结应力不仅分布区延伸，峰点加快向自由端漂移，其形状也由峰点右偏曲线转为左偏曲线；
（3）当时，钢筋的自由端开始滑动，加载端的滑移发展迅速，此时滑移段已遍及钢筋全埋长，粘结应力的峰点很靠近自由端。

加载端附近的粘结破坏严重，粘结应力已很小，钢筋的应力接近均匀；
（4）当自由端的滑移为时，试件的荷载达到最大值，即达到钢筋的极限粘结强度。

此后，钢筋的滑移（和）急速增大，拉拔力由钢筋表面的摩阻力和残存的咬合力承担，周围混凝土被碾碎，阻抗力下降，形成曲线的下降段。

上述是针对短埋长的试件，其破坏形式是钢筋从混凝土中被徐徐拔出；如果是长埋长的试件，其破坏形式是钢筋受拉屈服，而钢筋不被拔出。

可以通过此试验确定最小锚固长度。

7.3.3 变形钢筋与混凝土的粘结
1．无横向配筋时变形钢筋的粘结性能试验
变形钢筋和光圆钢筋的主要区别是钢筋表面具有不同形状的横肋
或斜肋。

变形钢筋受拉时，肋的凸缘挤压周围混凝土，大大地提高了机械咬合力，改变粘结受力机理，有利于钢筋在混凝土中的粘结锚固性能。

图7-9所示为无横向配筋的粘结性能试验结果，由图可知：
（1）开始受力后钢筋的加载端局部就由于应力集中而破坏了与混凝土的粘结力，发生滑移；
（2）当荷载增大到时，钢筋自由端的粘结力也被破坏，开始出现滑移，加载端的滑移加快增大，钢筋的受力区域和滑移区
域较早地遍布钢筋的全长；
（3）当增大到时，即曲线上的A 点，钢筋靠近加载端横肋的背面发生粘结破坏，出现拉脱裂缝①，随即，此裂缝向后延伸，形成表面纵向裂缝②。

荷载再增大时，会使肋前形成斜裂缝③与①贯通。

随着荷载的增大，在钢筋的各个肋上从加载端向自由端逐次出现裂缝①②③，滑移的发展加快，
曲线的斜率渐减。

和光圆钢筋相比，变形钢筋的应力沿其埋长变化较小，粘结应力分布较为均匀；
（4）在出现裂缝①②③后，粘结应力由钢筋表面的摩阻力和肋部的挤压力传递。

当荷载增大到一定程度时，会形成肋前破碎区④。

这种挤压力使得混凝土环向受拉，当超过混凝土的抗拉强度时，就会出
(a
) 曲线 (b ) 应力和滑移分布
图7-9 变形钢筋的拔出试验结果
图7-10 变形钢筋的拔出试验裂缝情况
现裂缝⑤，这种裂缝由钢筋表面沿径向向外表扩展，同时由加载端向自由端渗透；
（5）当荷载接近极限值（）时，加载端的裂缝发展到构件表面，此后，裂缝继续向自由端发展，钢筋的滑移急剧加大，很快达到极限值τu ，并进入下降段，试件被劈裂开；
2．配置横向配筋时变形钢筋的粘结性能试验
如果配置了横向钢筋，当荷载较小（A 点以前），横向钢筋的作用很小，τ-s 曲线无区别。

当试件出现内裂缝（A 点）后，横向钢筋约束了裂缝的开展，提高了阻抗力。

当荷载接近极限值，钢筋肋对周围混凝土挤压力的径向力也将产生径向－纵向裂缝⑤，但开裂时的应力和相应的滑移量都有很大的提高。

出现裂缝⑤后，横向钢筋的应力剧增，以限制此裂缝的扩展，试件不会被劈裂，抗拔力可继续增大。

同时，随着滑移量的增大，肋前的混凝土破碎区不断扩大，而且沿钢筋埋长的各肋前区依次破碎和扩展，肋前挤压力的减小形成了曲线的下降段。

最终，钢筋横肋间的混
凝土咬合齿被剪断，属于剪切型粘结破坏，钢筋连带肋间充满着的混凝土碎末一起缓缓地被拔出，具有一定的残余抗拔力（
）。

在钢筋拔出试验的粘结应力－滑移全曲线上可确定四个特征点，图7-11
配置横向钢筋时变形钢筋的粘结性能试验曲线
图7-13 裂缝出现后的应力分布 即内裂（、S A ）、劈裂（、）、极限（、）和残余（、）点，并以此划分受力阶段和剪力
本构模型。

7.3.4 粘结应力的分布
1．轴心受拉构件的粘结应力
如图7-12为配有一根钢筋的轴心受
拉构件，轴向力通过钢筋施加在构
件端部截面(或裂缝截面，构件长度
相当于裂缝间距)。

在端部截面轴力
由钢筋承担，故钢筋应力。

混凝土应力。

进
入构件后，由于钢筋和混凝土之间
具有粘结强度，限制了钢筋的自由
拉伸，在界面上产生粘结应力，将部分拉力传给混凝土，使混凝土
受拉。

粘结应力的大小取决于钢筋与混凝土之间的应变差。

随着距端截面距离的增大，钢筋应力
减小，混凝土的拉应力增大，二者应变差逐渐减小。

直到距端部处钢筋与混
凝土应变相同，相对变形，滑移
消失，粘结应力。

图7-13为配有一根钢 筋的
轴心受拉构件开裂后截面上的
应力分布。

裂缝处钢筋的应力是
，在裂缝间，一部分荷载通过粘结传递结混凝土，这样导致钢筋与混凝土的应力分布状态如图7-13(b)和(c)。

粘结
图7-12 裂缝出现前的应力分布
图7-14 梁中的粘结应力分布
应力的分如图7-13(d)。

因为在每个裂缝处钢筋的应力是相等的，力也是恒定不变的，因此在两裂缝间整个长度上粘结应力的代数和等于零。

2．钢筋泥凝土梁中的粘结应力
如图7-14所示，梁受拉区的混凝土
开裂后，裂缝截面上的混凝土退出工作，
使钢筋拉应力增大，但裂缝间的混凝土
仍承受一定拉力，钢筋的应力相对较小。

钢筋应力沿纵向发生变化，其表面必有
相应的粘结应力分布(图7-14d)。

这种情
况下，裂缝段钢筋的应力差小，但平均
应力值高。

粘结应力的存在，使混凝土
内钢筋的平均应变或总变形小于钢筋单
独受力时的相应变形，有利于减小裂缝宽度
和增大构件的刚度，称为受拉刚化效应。

显然纵筋中拉应力的大小，取决于沿钢筋长度上粘结应力的积累，开裂前由混凝土负担的拉力通过粘结应力传递给钢筋，使钢筋应力增大。

若纵筋沿梁长不变，则钢筋和混凝土的拉应力沿梁长的变化如图7-14(b)和(c)。

与轴心受拉构件相似，开裂截面两侧出现图7-14(d)所示粘结应力。

粘结应力有正有负，但图中粘结应力的面积的代数和不为零。

这种粘结应力称为局部粘结应力，其作用是使裂缝间的混凝土参与受拉。

3．钢筋端部的锚固粘结应力
简支梁支座处的钢筋端部、梁跨间的主筋搭接或切断、悬臂梁和梁柱结点受拉主筋的外伸段等情况下，钢筋的端头应力为零，在经过不长的粘结距离(称为锚固长度)后，钢筋的应力应能达到其设计强度。

故钢筋的应力差大，粘结应力值高，且分布变化大。

局部粘结强度的丧失只影响到构件的刚度和裂缝开展，如果钢筋因锚固粘结能力不足而发生滑动，不仅其强度不能充分利用，还将导致构件的抗裂和承载
能力下降，甚至提前失效。

这称为粘结破坏，属严重的脆性破坏。

图7-15描述了几种情况下端部锚固应力的分布特征。

图7-15 端部锚固应力
§7.4 影响钢筋粘结性能的因素
影响钢筋与混凝土之间粘结性能及各项特征值的因素有许多，认识这些因素对粘结性能的影响程度是非常必要的。

7.4.1 混凝土强度等级和组成成分
(a) 曲线 (b) 曲线
图7-16 混凝土强度对粘结性能的影响
无论是出现内裂缝，还是劈裂裂缝，还是肋前区复合应力下混凝土的强度都取决于混凝土的强度等级。

此外，胶着力也随着混凝土强度等级的提高而提高，但对摩阻力提高不大。

带肋钢筋和光面钢筋的粘结强度均随混凝土强度的提高而提高，但并非线性关系。

试验表明，带肋钢筋的粘结强度主要取决于混凝土的抗拉强度, 与近似地呈线性关系。

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。

7.4.2 保护层厚度和钢筋间距
增大保护层厚度能在一定程度上提高粘结强度，但当保护层厚度超过一定限值后，这种试件的破坏形式不再是劈裂破坏，所以此时粘结强度不再提高。

对于高强度的带肋钢筋，当混凝土保护层太薄时，外围混凝土将可能发生径向劈裂而使粘结强度降低。

钢筋间距太小时，将可能出现水平劈裂而使整个保护层崩落，从而使粘结强度显著降低。

7.4.3 钢筋的埋置长度
埋置长度越长，粘结应力分布越不均匀，试件破坏时的平均粘结强度（）越低，故实验粘结强度随埋长()的增加而降低。

当埋置长度超过一定限值后，粘结破坏由钢筋被拔出破坏转为钢筋屈服，埋置长度对其影响不大。

该限值一般取为5d。

7.4.4 钢筋的外形和直径
带肋钢筋的粘结强度比光圆钢
筋的粘结强度要大。

试验表明，带
肋钢筋的粘结力比光圆钢筋高出2
－3倍。

因而，带肋钢筋所需的锚固
长度比光圆钢筋短。

由于变形钢筋的外形参数并不
图7-17 埋长对粘结强度的影响
随直径比例变化，直径加大时肋的面积增加不多，而相对肋高降低，且直径越大的钢筋，相对粘结面积越小，极限强度越低。

试验结果是：时，粘结强度影响不大；d >32mm时，粘结强度可能降低13%。

横肋的形状和尺寸不同，其曲线的形状也不完全相同。

月牙纹钢筋的极限粘结强度比螺纹钢筋低10%-15%，且较早发生滑移，但下降段较为平缓，延性较好。

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。

7.4.5 横向钢筋和横向压应力
如前所述，配置横向钢筋能延迟和约束径向和纵向劈裂裂缝的开展，阻止发生劈裂破坏，提高极限粘结强度和增大特征滑移值（，），且曲线下降段平缓，粘结延性好。

图7-18给出了试件从劈裂应力至极限粘结强度的应力增量
（）随横向钢筋配筋率（为箍筋的间距）的增长关系。

试验表明：配置箍筋对提高后期粘结强度，改善钢筋的粘结延性有明显作用。

横向钢筋对粘结强度的影响横向压力对曲线的影响
图7-18 横向钢筋和横向压力对粘结强度的影响
横向压应力作用在锚固端可增大钢筋和混凝土界面的摩阻力，有利于粘结锚固。

但横向压应力过大时，可产生沿压应力作用平面方向的
劈裂缝，反而降低粘结强度。

7.4.6 浇注位置
浇注的混凝土在自重的作用下有下沉和泌水现象，各个位置的混凝土密实度不同，存在由气泡和水形成的空隙层，这种空隙层削弱了钢筋和混凝土的粘结作用，使平位浇注比竖位的粘结强度和抵抗滑移的能力显著降低，折减率最大可达30%。

浇注位置对钢筋的粘结滑动有很大影响。

“顶部”钢筋下面的混凝土有较大的空隙层，一旦胶着力被破坏，摩擦阻尼很小，粘结强度显著降低；而竖位钢筋在初始滑动后，摩擦阻力较大，粘结强度随滑动的增长，仍有缓慢的增长。

7.4.7 钢筋锈蚀的影响
钢筋锈蚀对其粘结性能的影响是双重的，既有有利的一面，也存在不利的一方面。

轻度的锈蚀使钢筋表面产生锈坑，增加了钢筋表面的粗糙度，钢筋与混凝土之间的咬合力增强，因而钢筋和混凝土之间的粘着力、摩擦力有所增加。

但当锈蚀较为严重时，也会使钢筋与混凝土之间的粘结强度降低，原因在于：
1．钢筋的锈蚀产物是一层结构疏松的氧化物，明显改变了钢筋与混凝土的接触状态，从而降低了钢筋与混凝土之间的胶结作用；
2．钢筋锈蚀使得混凝土产生径向膨胀力，当达到一定程度时，会使混凝土开裂而导致导致混凝土对钢筋的约束作用减弱，粘结强度的降低；
3．变形钢筋锈蚀后，钢筋变形肋将逐渐退化，变形肋与混凝土之间的机械咬合作用基本消失。

7.4.8 其它因素
施工质量控制及扰动；钢筋的受力状态，如受压钢筋的粘结性能要。