鋼筋與混凝土的粘結

1、鋼筋與混凝土的粘結 主講人：李俊南 河南大學土木建筑學院 主講內容 6.1 粘結力的作用和組成 6.2 試驗方法和粘結機理 6.3 影響因素 6.4 粘結應力-滑移本構模型 定義 鋼筋與混凝土的粘結是指鋼筋與其周圍混凝土之間的相互作用，主 要包括沿鋼筋長度的粘結和鋼筋端部的錨（mo）固兩種情況。鋼筋與 混凝土的粘結是鋼筋和混凝土形成整體、共同工作的基礎。 6.1 6.1 粘結力的作用和組成粘結力的作用和組成 6.1.1 6.1.1 作用和分類作用和分類 鋼筋和混凝土構成一種組合結構材料的基本條件是：兩者之間鋼筋和混凝土構成一種組合結構材料的基本條件是：兩者之間 有可靠的粘結和錨固。有可靠的粘結

2、和錨固。 三種鋼筋的粘結和錨固狀態(tài)：三種鋼筋的粘結和錨固狀態(tài)： 無粘結，無錨具：梁在很小的荷載作用下就會發(fā)生脆性折斷，鋼無粘結，無錨具：梁在很小的荷載作用下就會發(fā)生脆性折斷，鋼 筋并不受力，與素混凝土無異（圖筋并不受力，與素混凝土無異（圖6-1a6-1a）；）； 無粘結，端部設錨具：梁在荷載作用下鋼筋應力沿全長相等，承無粘結，端部設錨具：梁在荷載作用下鋼筋應力沿全長相等，承 載力有很大提高，但是受力如二鉸拱，非載力有很大提高，但是受力如二鉸拱，非“梁梁”的應力狀態(tài)（圖的應力狀態(tài)（圖6-1b6-1b ）；）； 沿全長和端部粘結可靠：梁在荷載作用下鋼筋應力隨截面彎矩而沿全長和端部粘結可靠：梁在荷載

3、作用下鋼筋應力隨截面彎矩而 變化，符合變化，符合“梁梁”的基本受力特點（圖的基本受力特點（圖6-1c6-1c）。）。 圖圖6-16-1 鋼筋的粘結和錨固狀態(tài) (a)無粘結,無錨具 (b)無粘結,端部設錨具 (c)沿全長和端部粘結可靠 (d)平衡條件 分析梁內鋼筋的平衡條件，任何一段鋼筋兩端的應力差，都由 其表面的縱向剪應力所平衡（圖6-1d）。此剪應力即為周圍混凝土 所提供的粘結應力： 鋼筋對周圍混凝土的縱向剪應力（即反向粘結應力），必與相 應的混凝土段上的縱向應力相平衡。 根據(jù)混凝土構件中鋼筋受力狀態(tài)的不同，粘結應力狀態(tài)分 作兩類問題： 1.鋼筋端部的錨固粘結 如簡支梁支座處的鋼筋端部、梁跨

4、間的主筋搭接或切斷、懸臂梁 和梁柱節(jié)點受拉主筋的外伸段等（下圖示）。 上述情況下，鋼筋的端頭應力為零，在經過不長的粘結距離（錨固 長度）后，鋼筋的應力達到其設計強度（軟鋼的屈服強度fy）。故鋼 筋的應力差大（s=fy），粘結應力值高，且分布變化大。如果鋼 筋因錨固能力不足而發(fā)生滑動，不僅其強度不能充分利用（s0），粘結應力分布也限于這一區(qū)段。從粘結應力 （）的峰點至加載端之間的鋼筋段都發(fā)生相對滑移，其余部分仍為 無滑移的粘結區(qū)。隨著荷載的增大，鋼筋的受力段逐漸加長，粘結應 力（）分布的峰點向自由端（F）漂移，滑移段隨之擴大，加載端的 滑移(Sf)加快發(fā)展。 當荷載增大后，鋼筋的受力段和滑移段繼

5、續(xù)擴展，加載端滑移明 顯增長，但自由端仍無滑移。當加載到極限強度的大約80%時，鋼筋 的自由端開始滑移，加載段的滑移發(fā)展更為迅速。此時滑移段已遍及 鋼筋全埋長，粘結應力的峰點很靠近自由端。加載端附近的粘結破壞 嚴重，粘結應力已很小，鋼筋的應力接近均勻。 當自由端的滑移為0.10.2mm時，試件的荷載達最大值，即得鋼 筋的極限粘結強度(u)。此后，鋼筋的滑移急速增大，拉拔力由鋼筋 表面的摩阻力和殘存咬合力承擔，周圍混凝土受碾磨而破碎，阻抗力 減小，形成曲線的下降段。最終，鋼筋從混凝土中被徐徐拔出，表面 上帶有少量磨碎的混凝土粉碴。 上述鋼筋拔出過程是指埋入長度較短的試件。如果鋼筋的埋入長度大，

6、當施加的拉力使鋼筋的加載端發(fā)生屈服（Nu =Asfy），而鋼筋不被拔出時 ，所需的最小埋長稱為錨固長度la 。這是保證鋼筋充分發(fā)揮強度所必須 的，根據(jù)平衡條件建立的計算式為： 6.2.3 變形鋼筋 變形鋼筋拔出試驗中量測的粘結應力-滑移典型曲線如下圖6-8（a） 示，鋼筋應力（s）、粘結應力和滑移S沿鋼筋埋長的分布隨荷載 的變化過程如圖6-8（b）,試件內部裂縫的發(fā)展過程示意如圖6-9。 變形鋼筋和光圓鋼筋的主要區(qū)別是鋼筋表面具有不同形狀的橫肋或 斜肋。變形鋼筋受拉時，肋的凸緣擠壓周圍混凝土（圖6-9（a）， 大大地提高了機械咬合力，改變了粘結受力機理，有利于鋼筋在混凝 土中的粘結錨固性能。

7、一個不配置橫向鋼筋的拔出試件，開始受力后鋼筋的加載端局部就 因為應力集中而破壞了與混凝土的粘著力，發(fā)生滑移（Sl）。當荷載增大 到極限粘結力的大約30%時，鋼筋自由端的粘著力也被破壞，開始出現(xiàn)滑 移（Sf），加載端的滑移加快增長。和光圓鋼筋相比，變形鋼筋自由端滑 移時的應力值接近，但比值大大減小，鋼筋的受力段和滑移段的長度也 較早地遍及鋼筋的全埋長。 當平均粘結應力達極限粘結應力的0.4 0.5時，即曲線上的A點，鋼筋 靠近加載端橫肋的背面發(fā)生粘結力破壞，出現(xiàn)拉脫裂縫（圖6-9（a） 。隨即，此裂縫向后（拉力的反方向）延伸，形成表面縱向滑移裂縫。 荷載稍有增大，肋頂混凝土受鋼筋肋部的擠壓，使裂

8、縫向前延伸，并轉 為斜裂縫，試件內部形成一圓錐形裂縫面。隨著荷載繼續(xù)增加，鋼筋肋 部的裂縫、不斷加寬，并且從加載端往自由端依次地在各肋部發(fā) 生，滑移（Sl和Sf）的發(fā)展加快，曲線的斜率漸減。和光圓鋼筋相比，變 形鋼筋的應力s沿埋長的變化率較小，故粘結應力分布比較均勻。 這些裂縫形成后，試件的拉力主要依靠鋼筋表面的摩阻力和肋部 的擠壓力傳遞。肋前壓應力的增大，使混凝土局部擠壓，形成肋前破 碎區(qū)。鋼筋肋部對周圍混凝土的擠壓力，其橫向分力在混凝土中產 生環(huán)向應力（圖6-9（b）。當此拉應力超過混凝土的極限強度時， 試件內形成徑向-縱向裂縫。這種裂縫由鋼筋表面沿徑向往試件外 表發(fā)展，同時由加載端往自由

9、端延伸。此后，裂縫沿縱向往自由端延 伸，并發(fā)出劈裂聲響，鋼筋的滑移急劇增長，荷載增加不多即達峰點 ，很快轉入下降段，不久試件被劈成2塊或3塊（圖6-9（c）?；炷?土劈裂面上留有鋼筋的肋印，而鋼筋的表面在肋前區(qū)附著混凝土的破 碎粉末。 試件配設了橫向螺旋筋或者鋼筋的保護層很厚(c/d5)時，粘結 力-滑移曲線如圖6-10。當荷載較小時，橫向筋的作用很小，-S曲線 與前述試件無區(qū)別。在試件混凝土出現(xiàn)裂縫后，橫向筋約束了裂縫的 開展，提高了抗阻力，-S曲線斜率稍高。當荷載接近極限值時，鋼 筋肋對周圍混凝土擠壓力的徑向分力也將產生徑向-縱向裂縫，但開 裂時的應力和相應的滑移量都有很大提高。 徑向-縱

10、向裂縫出現(xiàn)后，橫向筋的應力劇增，限制此裂縫的擴展 ，試件不會被劈開，抗拔力可繼續(xù)增大。鋼筋滑移的大量增加，使肋 前的混凝土破碎區(qū)不斷擴大，而且沿鋼筋埋長的各肋前區(qū)依次破碎和 擴展，肋前擠壓力的減小形成了-S曲線的下降段。最終，鋼筋橫肋 間的混凝土咬合齒被剪斷，鋼筋連帶肋間充滿著的混凝土碎末一起緩 緩地被拔出（R點）。此時，沿鋼筋肋外皮的圓柱面上有摩擦力，試件 仍保有一定的殘余抗拔力。這類試件的極限粘結強度遠大于光圓鋼筋 的相應值。 鋼筋拔出試驗的粘結力-滑移全曲線上可確定4個特征點：內裂點（A，SA）、 劈裂點（cr，Scr）、極限點（u，Su）和殘余點（r，Sr），并以此劃 分受力階段和建立

11、- S本構模型。 溫故而知新 光圓鋼筋與變形鋼筋的粘結機理不同，主要差別是：光圓鋼筋的粘 結力主要來自膠結力和摩阻力，而變形鋼筋的粘結力主要來自機械 咬合作用。這種差別可用類似于釘入木料中的普通釘和擰入木料中 的螺絲釘?shù)牟顒e來理解。 鋼筋和混凝土的粘結性能及其各項特征值，受到許多因素的影響而 變化。 1.混凝土強度( fcu 或ft ) 當提高混凝土的強度時, 它和鋼筋的化學粘著力粘和機械咬合力隨 之增加, 但對摩阻抗滑力的影響不大。同時, 混凝土抗拉(裂)強度ft的 增大, 延遲了拔出試件的內裂和劈裂應力, 提高了極限粘結強度和粘結 剛度(圖6-11)。 試驗結果表明, 鋼筋的極限粘結強度u

12、約與混凝土的抗拉強度ft 成 正比(圖6-11(b)。其它的粘結應力特征值(A ,cr,r )也與混凝土 的抗拉強度成正比( 圖6-12)。 6.3 影響因素 2.保護層厚度（c） 鋼筋的混凝土保護層厚度指鋼筋外皮至構件表面的最小距 離(c,mm)。增大保護層厚度,加強了外圍混凝土的抗劈裂能力,顯 然能提高試件的劈裂應力(cr)和極限粘結強度(u)(圖6-13)。 但是,當混凝土保護層的厚度c(56)d 后,試件不再發(fā)生劈裂破 壞,而是鋼筋沿橫肋外圍切斷混凝土而拔出,故粘結強度u不再 增大。 構件截面上的鋼筋多于一根時,鋼筋的粘結破壞形態(tài)還與鋼 筋間的凈距s 有關6-15,6-16,可能是保護

13、層劈裂(當s2c),或者沿 鋼筋連線劈裂(當s5后, 平均粘結強度值的折 減已不大。埋長很大的試件,鋼筋 加載端達到屈服而不被拔出。故 一般取鋼筋埋長l/d =5 的試驗結 果作為粘結強度的標準值。 4.鋼筋的直徑和外形 鋼筋的粘結面積與截面周界長度成正比, 而拉力與截面積成正比, 二者之比值(4/d)反映鋼筋的相對粘結面積。直徑越大的鋼筋,相對粘結面 積減小,不利于極限粘結強度。試驗給出的結果是:直徑d25mm的鋼筋,粘 結強度u變化不大,直徑d32mm的鋼筋,粘結強度可能降低13%; 特征滑移 值(Scr,Su,Sr)則隨直徑(d=1232 mm)而增大的趨勢明顯。 變形鋼筋表面上橫肋的形

14、狀和尺寸多有不同（前述）。我國常用的螺 紋和月牙紋鋼筋的粘結- -滑移曲線對比于圖6-16。可見月牙紋鋼筋的極限 粘結強度比螺紋鋼筋約低10%15%,且較早發(fā)生滑移,滑移量也大;但下降 段平緩,后期強度下降較慢,延性好些。原因是月牙紋鋼筋的肋間混凝土齒 較厚,抗剪性強。此外,月牙紋的肋高沿圓周變化,徑向擠壓力不均勻,粘結 破壞時的劈裂縫有明顯的方向性(即順縱肋的連線)。 至于肋的外形幾何參數(shù),如肋高、肋寬、肋距、肋斜角等都對混凝土的 咬合力有一定影響。試驗結果表明，肋的外形變化對鋼筋的極限粘結強度 值的差別并不大,對滑移值的影響稍大。 5.橫向箍筋（sv） 拔出試件內配設橫向箍筋，能延遲和約束

15、徑向-縱向劈裂縫的開展， 阻止劈裂破壞，提高極限粘結強度和增大特征滑移值，而且-S曲線下 降段平緩，粘結延性好。 6 . 6 . 橫向壓應力( (q) ) 結構構件中的鋼筋錨固端常承受橫向壓力的作用，例如支座處的 反力、梁柱節(jié)點處的柱上軸壓力等。橫向壓應力作用在鋼筋錨固端， 增大了鋼筋和混凝土界面的摩阻力，有利于粘結錨固。 有橫向壓應力(q=const)作用的鋼筋粘結-滑移曲線如下圖6-18示 。可見粘結強度和相應的滑移量都隨壓應力有較大程度的提高。但是 ，也有試驗證明，當橫向壓應力過大(如q0.5fc )時，將提前產生沿 壓應力作用平面方向的劈裂縫，反而降低粘結強度。 7.其它因素 凡是對混

16、凝土的質量和強度有影響的各種因素,例如混凝土制作過程 中的坍落度、澆搗質量、養(yǎng)護條件、各種擾動等,又如鋼筋在構件中的方 向是垂直(如梁)或平行(如柱)于混凝土的澆注方向、鋼筋在截面的頂部 或底部、鋼筋離構件表面的距離等,都對鋼筋和混凝土的粘結性能產生一 定影響。 還需補充說明,前述的鋼筋和混凝土的粘結性能分析都是基于鋼筋拉 拔試驗的結果。受壓鋼筋的粘結錨固性能一般比受拉鋼筋有利, 需要進 行壓推試驗加以研究。鋼筋受壓后橫向膨脹, 被周圍混凝土所約束, 提 高了摩阻抗滑力, 粘結強度偏高。 另一方面,如果鋼筋除了承受拉力之外，還有橫向力的作用時，可能 將鋼筋從混凝土中撕脫, 大大降低鋼筋的粘結錨

17、固強度, 甚至造成構件 的提前破壞。 6.4 粘結應力-滑移本構模型 6.4.1 特征值的計算 1.劈裂應力（cr） 現(xiàn)有兩種途徑確定拉拔鋼筋的劈裂應力值。一種是半理論半經 驗的方法，將鋼筋周圍的混凝土簡化為一厚壁管，根據(jù)鋼筋橫肋對混 凝土的擠壓力，按彈性或塑性理論進行推導，建立近似計算式。另一 種途徑則是直接統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)，用回歸分析求得經驗公式。 最簡單的理論方法是假設混凝土保護層劈裂時，劈裂面上拉應力 分布均勻，并達其抗拉強度ft值。若取橫肋擠壓力與鋼筋軸線夾角為 =45時（圖6-19(a)），推導出 此式的計算結果明顯高出試驗值（圖6-13）。 對此計算圖加以修正（圖6-19(b),(c)），可推導得相應計算式， 如： 上述公式形式相同，系數(shù)值有別，計算結果與試驗數(shù)據(jù)的對比參見圖6-13 2.極限粘結強度(u) 鋼筋與混凝土的平均極限粘結強度，一般用試驗數(shù)據(jù)的回歸分析 式。各種計算式中考慮的主要因素有所不同，如： 這些公式適用于埋長較?。╨/d=220）的鋼