钢筋与混凝土粘结性能的分析

钢筋与混凝土粘结性能的分析
摘要：从钢筋与混凝土之间粘结性能的粘结机理、影响因素和粘结应力-滑移本构关系等三个方面进行了分析和探讨。

关键词：钢筋混凝土粘结机理影响因素粘结强度
1、引言
混凝土结构是目前应用最为广泛的工程结构形式之一。

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、影响因素和粘结应力-滑移本构关系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。

2、粘结机理
钢筋和混凝土是两种性能不同的材料组成的组合结构材料，其能够共同工作的基本要素是两者之间的粘结锚固作用。

所谓钢筋和混凝土之间的粘结应力指的是两者接触面上的剪应力，由钢筋与混凝土之间的粘着力、摩阻力和咬合力三部分组成[1][2]。

(1)粘着力。

混凝土中的水泥凝胶体在钢筋表面产生的化学粘着力或吸附力，其抗剪极限值取决于水泥的性质和钢筋表面的粗糙程度和清洁度。

当钢筋受力后有较大变形、发生局部滑移后，粘着力就丧失了[1]。

(2)摩阻力。

周围混凝土对钢筋的摩阻力，当混凝土的粘着力破坏后发挥作用[1]。

如果垂直于钢筋作用有压力，则在产生极小的移动时，就会在钢筋和混凝土之间引起摩擦力，这种横向压力取决于混凝土发生收缩或者荷载和反力等对钢筋的径向压应力，以及二者间的摩擦系数等。

由于钢筋表面的粗糙度，摩擦系数μ可高达0.3～0.6，生锈的圆钢与新扎的圆钢以及冷拔钢丝的表面粗糙度相差可达36倍[3]。

挤压力越大，接触面越粗糙，则摩擦力越大。

(3)咬合力。

钢筋表面粗糙不平，或变形钢筋凸肋和混凝土之间的机械咬合作用，即混凝土对钢筋表面斜向压力的纵向分力产生的剪切粘结，是最有效和最可靠的粘结方式。

为了充分利用这种粘结，通常在钢筋表面轧制肋条来实现[4]。

依靠钢筋与混凝土间的粘结应力，也即两者接触面上的剪应力，使得钢筋和混凝土两种性质完全不同的材料，在钢筋混凝土结构中共同工作。

这种关系使得两种材料间相互传递力，实现弥补各自的缺点，发挥各自的优点。

3、主要影响因素
钢筋和混凝土的粘结性能及其各项特征值，受到许多因素的影响而变化。

3.1 混凝土强度
随着混凝土强度提高，钢筋与混凝土的粘结力提高，且粘结力的提高与混凝土劈裂强度成正比。

变形钢筋的粘结强度fb主要取决于混凝土的抗拉强度ft；混凝土振捣越密实，粘结强度也越高[4]；此外，养护条件的好坏亦对对粘结强度有很大的关系，养护条件好，粘结强度能够得到更大的提高。

同时，混凝土的组分也影响粘结强度。

3.2 钢筋位置、受力方向与浇注方向
平行浇注时，直接位于钢筋下面的混凝土由于下沉及泌水，不能与钢筋紧密接触，使粘结强度降低。

对于变形钢筋，当钢筋的受力方向与混凝土结硬时的下沉方向相同时，粘结强度降低，滑动增大。

而在构件顶部的钢筋比在构件底部的钢筋粘结力差[5]。

3.3 钢筋直径和外形
直径越大的钢筋，相对粘结面积越小，不利于极限粘结强度。

光面钢筋的粘结力显然低于变形钢筋的粘结力。

变形钢筋主要有月牙纹和螺旋钢筋，经过试验比较，月牙纹钢筋粘结锚固强度较低，滑移发生较早且发展较快，但下降段平缓，后期强度相对减小较慢，延性较好，在大滑移变形下仍能维持抗力，对结构抗震是一个有利因素[4]。

3.4 保护层厚度和钢筋净间距
对光面钢筋，此因素影响不大；对于变形钢筋，保护层厚度和钢筋净间距的增加，会提高粘结力，但当保护层厚度过大时，粘结破坏形式由劈裂破坏转向混凝土齿剪破坏，该因素就不再起作用了。

3.5 横向配筋
拔出试件内配置横向箍筋，能延迟和约束径向-纵向劈裂缝的开展，阻住劈裂破坏，提高极限粘结强度和增大特征滑移值。

而且τ-S下降段平缓，延性增加[1]。

3.6 外部压力
一定的外部压力会提高粘结力，其值与外部压力的平方根成正比，破坏形式为剪切型破坏，破坏时端部滑移较大。

但压力过大时，粘结力不但不增加，反而降低，这是由于与压应力垂直方向的横向拉应力显著增加造成的。

3.7 钢筋预埋长度
试件中钢筋的埋长越长，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。

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，钢筋加载段达到屈服而不被拔出[4]。

3.8 混凝土颗粒级配和稠度
粘结强度在很大程度上也受混凝土颗粒级配和稠度的影响，少细料的混凝土的粘结强度较大，因为肋间混凝土齿范围内的局部变得更紧密，所以混凝土齿可以承受较高的荷载，而且变形很小。

由于钢筋和混凝土之间传力机理复杂，影响因素多，至今仍然是钢筋混凝土结构理论中的热点和难点问题之一。

4、粘结应力-滑移本构模型
钢筋与混凝土的粘结-滑移本构关系建立在对钢筋与混凝土粘结性能深刻认识的基础上，是钢筋混凝土结构有限元分析中的基本条件之一。

由于影响粘结性能的因素很多，使得钢筋与混凝土界面的传力机理非常复杂，试验所得的曲线离散性较大。

因此，研究人员对大量粘结-滑移曲线进行拟合，但这些曲线之间也有较大的差异，几个较具有代表性的关系式如下：
(1)Nilson的经验公式[6]:
τ=9.78×102S-5.72×104S2+8.35×105S3 (4-1)
(2)Houde和Mirza的四次项表示的经验公式：
τ=5.29×102S-2.52×104S2+5.87×106S4 (4-2)
(3)狄生林公式:
τ=6.59×102S-2.13×104S2+0.22×106S3 (4-3)
式中：τ为粘结应力，单位N/mm2；S为滑移位移，单位为mm。

(4)滕智明公式：
式中：F(x)为位置函数，它反映在钢筋的不同埋入（锚固）深度（x=0为加载端，x=l为自由端）处τ-S关系的变化；S，c，d，x，1的单位为mm。

比较上面所列举的几个经验公式可知，(4-1)、(4-2)、(4-3)的表达形式都比较简洁，应用起来也很简单，但无法反映诸多的粘结锚固影响因素，都只适用于特定结构在特定锚固条件下的情况，只能在小范围内使用；式(4-4)能综合考虑各种粘结条件的影响，但表达式较复杂，可以反映诸多因素的影响，但实际应用困难。

人们将Nilson及Houde的数据代入滕智明公式(4-5)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，滕智明公式由于引入了位置函数，有着更为广泛的适应性。

另外，由于影响粘结的因素太多，以至于很难得到一个真正通用而又易于应用的表达式，因此对于一些特殊的粘结问题，有必要进行单独的试验和研究。

5、结论与展望
(1)根据以上的分析研究，可得出影响钢筋与混凝土间粘结强度的主要因素有：混凝土强度和密度、浇注位置、保护层厚度、钢筋净间距、横向配筋及外部压力等。

因此，要提高粘结强度，主要应从下列方面着手：1)粘结强度随着混凝土强度等级的提高而提高。

因此，提高混凝土强度等级是提高粘结强度的措施之一。

2)选择良好的砂石级配，尽量降低细砂的含量，避免粉砂及泥土进入混凝土中，加强混凝土的养护工作；分层浇注混凝土，限制每层浇注的厚度。

3)设置横向钢筋可延缓径向裂缝的发展，并可限制劈裂裂缝的宽度。

4)钢筋外的混凝土保护层厚度以及钢筋锚固长度都应该得到保证。

5)钢筋的间距应该得到保证，过密势必影响粘结强度。

(2)鉴于钢筋与混凝土间的粘结性能研究现状，今后的研究方向应该是：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，国内外的研究尚不够。

2)由于影响粘结的因素太多，以至于很难得到一个真正通用而又易于应用的表达式，因此对于一些特殊的粘结问题，有必要进行单独的试验和研究。

3)可以充分利用计算机的技术，如ANSYS分析软件来辅助分析和研究。

4)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]过镇海,时旭东.钢筋混凝土原理和分析[M].北京:清华大学出版社,2003.
[2]徐有邻.混凝土结构用钢筋的合理选择[J].建筑结构,2000.
[3]杜锋,肖建庄,高向玲.钢筋与混凝土间粘结试验方法研究[J].结构工程师,2006.
[4]王传志,滕智明.钢筋混凝土结构理论[M].北京:中国建筑工业出版社,1985.
[5]陈建平,包华.钢筋混凝土粘结滑移特性的研究现状[M].南通：南通大学出版社,2006.
[6]A·H·Nilson. Internal measurement of bond-slip [J]. ACI Journal. July,1972.。