第六章 粘结和锚固特性的分析

图6.2.4 变形钢筋的肋部与混凝土之间的挤压力
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径向分量 纵向分量
构件纵向开裂
图6.2.5 变形钢筋的劈裂破坏
16
当混凝土保护层和钢筋间距较小时，径向裂缝可发展达到 构件表面，产生劈裂裂缝，机械咬合作用将很快丧失，产生 “劈裂式”粘结破坏。 在钢筋周围配置横向钢筋（箍筋或螺旋钢筋 ）或增加混 凝土的保护层厚度（c/d），可提高粘结强度。
fy la d ( 4c 2) f t d
图6.4.3 钢筋锚固长度的理论计算模型
33
la
fy la d ( 4c 2) f t d
令c 2d
2c
la
fy 6 ft
d
图6.4.4 钢筋锚固形成的拉力环
当c>2d时，la的数值比上式的数值要小 ，用上式估算的锚固长度可以得到偏 于安全的结果。
光圆钢筋的破坏形式为剪切 (拔出)破坏，粘结强度较低， 滑移较大。 图6.2.1 光圆钢筋粘结机理
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变形钢筋的粘结作用
变形钢筋与混凝土之间的粘结力主要来自机械咬合力。 钢筋两个肋条之间发挥出的粘结强度与下述各种应力有关： 1、由于沿钢筋表面的附着力而产生的剪应力； 2、对肋条侧面的压应力； 3、作用在相邻两个肋条之间混凝土圆柱上的剪应力。
1、混凝土强度 2、钢筋表面和外形特征 3、浇筑位置 4、横向配筋
5、保护层厚度和钢筋净间距
6、周围混凝土的受力情况 7、锚固长度
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混凝土强度
提高混凝土的强度时，化学胶结力和机械咬合力增加， 但对摩擦力的影响不大。 光圆钢筋和变形钢筋的粘结强度均随混凝土强度的提高 而增加，但并不与立方体强度fcu成正比，而与抗拉强度 ft 成正比。
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周围混凝土的受力情况
在锚固范围内存在侧压力时，压应力制约了混凝土的横 向变形，使钢筋与混凝土之间抵抗滑动的摩擦力增大，粘 结强度提高。 在直接支承的支座处(如梁的简支端)，可适当减少钢筋 在支座处的锚固长度。 侧向压力过大或有侧向拉力时，粘结强度降低。 剪力产生的斜裂缝则会使锚固钢筋受到销栓作用而降低 粘结强度。 受压钢筋由于直径增大会增加对混凝土的挤压，从而使 摩擦作用增加，粘结强度增加。 受反复荷载作用的钢筋，肋前后的混凝土均会被挤碎， 导致咬合作用降低，粘结强度降低。
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钢筋表面和外形特征(影响较小)
变形钢筋比光圆钢筋的粘结强度低。 只要肋条侧面与钢筋轴线的夹角大于70o，角度的改变就 不会影响粘结强度。 锈蚀的影响： • 轻度锈蚀的钢筋，其粘结强度比无锈钢筋高。 • 锈蚀较严重时，粘结强度降低： (1) 锈蚀产物是一层疏松的氧化物，改变了钢筋与混凝 土的接触面； (2) 锈蚀产物体积更大，会产生径向膨胀力； (3) 变形肋退化。
纵向受拉钢筋绑扎搭接 接头的搭接长度
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锚固长度修正系数 a 的取值规定：
多于一项时可按连乘计算，但不小于0.6； 带肋钢筋的公称直径大于25mm时取1.10； 环氧树脂涂层带肋钢筋取1.25； 施工过程中易受扰动的钢筋取1.10； 纵向受力钢筋的实际配筋面积大于其设计计算面积时，修 正系数取设计计算面积与实际配筋面积的比值，但对有抗震 设防要求及直接承受动力荷载的构件，不考虑此项修正； 锚固钢筋的保护层厚度为3d时修正系数取0.80，保护层厚 度为5d时修正系数取0.70，中间按内插取值(d为锚固钢筋的 直径)。
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6.4 钢筋在混凝土中的锚固长度
锚固长度理论分析
原则
对象 假定
钢筋屈服时正好发生锚固 破坏
以直径为2c的混凝土试件内 配直径为d的变形钢筋为例 纵向劈裂发生在刮出式破 坏以前
图6.4.1 拔出试件
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假定由于p引起的混凝土中的拉 应力按线形分布
la p d (2c d )
由于摩擦抗剪强度与产生于肋旁的承压强度相比非常小，且
a 0.05db
db2 db2 T1 fb db afb 4
12
令 T1 T2 ，得
db afb dbcvc
a vc fb c
瑞姆（Rehm）通过实验发现： 当a/c=0.065左右时，埋入混凝土中的钢筋在一小段长度c上表 现出最令人满意的性能； 当肋过高和相距过近时，剪应力就会控制粘结性能，而钢筋 将被拔出； 当肋的间距约大于10倍肋高时，局部压碎的混凝土就可能在 肋前形成一个楔块，因而破坏便通常是由周围混凝土的劈裂所 引起的。
钢筋的周 长
st
实际分布
理想 分布

5
图6.1.2 裂缝出现前的粘结作用
裂缝出现后的粘结作用
锚固粘结 • 在任一截面处需要承受一定内 力的钢筋必须延伸至该截面以外 距离为ld(锚固长度)处； • 这个ld就是能通过粘结把钢筋 的内力传给混凝土所需要的距离； • 如果规定了平均粘结应力为u， 并假定它均匀分布在这一长度上， 则由平衡条件即可得出如下关系：
修正系数mf的取值考虑： • (1) 浇筑时位于顶部的钢筋的不利影响(增大40%)； • (2) 屈服强度大于60kpsi的钢筋； • (3) 轻骨料混凝土的强度降低； • (4) 保护层及钢筋侧向间距的影响； • (5) 在截面中采用了超过需要量的抗弯钢筋； • (6) 螺旋筋的有利影响。
M2=M1+M x
M1
图6.1.4 抗弯粘结
7

粘结试验
图6.1.5 拔出试验
8
搭接长度
搭接长度试验 拔出试验
半梁试验
延伸长度
延伸长度试验
图6.1.6 常见的粘结试验
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6.2 粘结抗力的特性
光圆钢筋的粘结作用


（１）钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（化学胶结 力）。一般很小，仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用， 当接触面发生相对滑移时，该力即消失。 （２）混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩擦力(主要作用)。 （３）钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力。 对于光圆钢筋，这种咬合力来自于表面的粗糙不平。
P P
T
T Ab f s uld o
u
db ld fs 4u
图6.1.3 锚固粘结
6
抗弯粘结(裂缝间粘结)
• 粘结应力使裂缝之间的混凝土参与 受拉，改善钢筋混凝土梁的耗能能力。
u u
T2=T1+T T1
T uox
M V T x jd jd
V u jd o
图6.3.4 混凝土疏松层的位置
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图6.3.5 浇筑位置对粘结性能的影响
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横向配筋
横向钢筋的存在限制了径向裂缝的发展，并可限制到达 构件表面的劈裂裂缝的宽度，使粘结强度得到提高。 由于劈裂裂缝是顺钢筋方向产生的，其对钢筋锈蚀的影 响比受弯垂直裂缝更大，将严重降低构件的耐久性。 对于直径较大钢筋的锚固区和搭接长度范围，均应增加 横向钢筋。 当一排并列钢筋的数量较多时，也应考虑增加横向钢筋 来控制劈裂裂缝的发生。
图6.2.2 变形钢筋粘结机理
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在两个肋条中点之间的一小段钢筋长度范围内，上述应力与作 用在钢筋上的轴力变化量之间的关系可以根据简单的平衡条件得 出： 2 2 d d b T1 db (b c)va b fb 4
T2 dbc vc
T min(T1, T2 )
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a/c>0.15
a/c<0.1
图6.2.3 变形钢筋在肋条处的破坏机理
破坏由 T1 控制——承压式破坏。 破坏由 T2 控制——刮犁式(刮出式)破坏。 变形钢筋的几何形状必须使剪切拔出破坏(刮犁式)不能发生。
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变形钢筋的肋部与混凝土之间的挤压力引起的裂缝： • 变形钢筋受力后，其凸出的肋对混凝土产生斜向挤压力； • 其水平分力使钢筋周围的混凝土轴向受拉、受剪，径向分 力使混凝土产生环向拉力； • 轴向拉力和剪力使混凝土产生内部斜向锥形裂缝； • 环向拉力使混凝土产生内部径向裂缝。
26
图6.3.6 横向配筋对粘结性能的影响
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保护层厚度和钢筋净间距
对于变形钢筋，当混凝土保护层太薄时，径向裂缝可能 发展至构件表面出现纵向劈裂裂缝。 保护层厚度c与钢筋直径d 的比值c/d 越大，混凝土抵抗 劈裂破坏的能力也越大，粘结强度越高。 钢筋的净距太小时，其外围混凝土将发生沿钢筋水平处 贯穿整个梁宽的水平劈裂裂缝，整个混凝土保护层崩落。 钢筋净距s与钢筋直径d 的比值s/d 越大，粘结强度也越 高。
图6.1.1 无粘结梁受力
3
计算：钢筋表面单位面积上的剪力
f s Ab d b q u f s o o 4
式中，
q为钢筋中的力在单位长度上的变化；
o为单位长度钢筋的公称表面面积；
d b为钢筋的公称直径； fs为钢筋应力在单位长度上的变化； A b为钢筋的横截面面积
4
裂缝出现前的粘结作用
图6.2.6 变形钢筋的劈裂破坏
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径向分量
纵向分量
混凝土撕裂
混凝土局部挤碎
刮出式破坏
图6.2.7 变形钢筋的其他粘结破坏形式
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6.3 影响粘结强度的主要因素
可用粘结强度的确定：通常采用加载端或非加载端的滑
移值来控制使用荷载条件下能够发挥的粘结强度，因为滑移 值会明显影响裂缝宽度。
影响粘结强度的主要因素有：
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实用的锚固长度计算公式(中国规范)
对于充分利用受拉强度的钢筋，锚固长度按下式计算：
lab fy ft d
对不同的情况还要作修正
基本锚 固长度 且不小于 200mm 且不小于 300mm
锚固钢筋的外形系数
图6.4.1 锚固钢筋的外形系数
la alab ll l la
t
2
la
c 1 p ( ) t d 2
当t=ft时，锚 固破坏
d p
t
c
c d
la
t
c 1 pu ( ) f t d 2
图6.4.2 钢筋锚固长度的理论计算模型
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当变形钢筋肋倾角为45º 时
p
t
d
t
u pu
d 2 f y / 4 df y Tu u s la dla 4la
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锚固长度
钢筋的锚固长度越长，粘结应力的分布就越不均匀，试件 破坏时的平均粘结强度与实际最大粘结强度的比值越小。 当钢筋的锚固长度大于钢筋直径的5倍时，平均粘结强度值 的折减已较小。 锚固长度很长的试件，钢筋加载端达到屈服时也不会被从 混凝土中拔出。
图6.3.7 锚固长度对粘结应力的影响
P P
M1 M 2 M1 M T1 T2 h h h M T h
梁中粘结应力的 分布与V的分布 规律相同； 实际上由于微裂 缝的存在分布规 律还要变化
M1 M2=M1+M T2=T1+T M2=M1+M x

T1 M1
T M 1 V x s x h s h s
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图6.4.2 纵向受拉钢筋搭接长度修正系数
对于充分利用受压强度的钢筋，锚固长度按不小于相应受 拉锚固长度的0.7倍。 若空间有限，锚固长度不足，可采用设置弯钩、加焊短钢 筋或钢板等措施。
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实用的锚固长度计算公式(ACI规范)
对于受拉钢筋的直线锚固，锚固长度按下式计算：
ld m f 0.04 Ab f y f c (in)
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图6.3.1 不同肋条形状对粘结性能的影响
图6.3.2 锈蚀对粘结性能的影响
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图6.3.3 环氧树脂涂层钢筋
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浇筑位置
粘结性能直接受肋条前面的混凝土的性能的影响。 钢筋在试件中的位置。 混凝土浇筑的方向。 浇筑位置对光圆钢筋的影响更大。 ACI规范：对浇筑在顶部的变形钢筋，要求锚固长度增加40%。
第六章 粘结和锚固的特性和分析
6.1 概述
6.2 粘结抗力的特性 6.3 影响粘结强度的主要因素
6.4 钢筋在混凝土中的锚固长度
6.1 概述
粘结应力
定义：为抵抗相对滑移(变形差)沿钢筋与混凝土界面产 生的剪应力； 作用：在钢筋与周围混凝土之间起着传递荷载作用，从 而使钢筋的应力发生变化。当这种粘结得到有效发挥时就 能使这两种材料形成一种组合材料； 粘结应力的大小：用钢筋中力的变化率衡量，即在任意 两个截面之间如果钢筋应力没有变化，粘结应力就不存在。