钢筋与混凝土之间的粘结锚固性能及机理研究

赵 体 栋

(上海经纬建筑规划设计研究院有限公司重庆分公司，重庆 401120)

钢筋与混凝土之间的粘结锚固性能及机理研究

赵 体 栋

(上海经纬建筑规划设计研究院有限公司重庆分公司，重庆 401120)

阐述了粘结应力产生的本质，通过前人的试验，总结了钢筋与混凝土之间的锚固性能及机理，并分析了带肋钢筋在重复荷载和反复荷载作用下的粘结退化及机理，供设计人员参考借鉴。

粘结应力，粘结锚固，粘结退化

1 粘结应力的产生

1.1 弯矩梯度产生的粘结应力

钢筋与混凝土之间的粘结锚固性能及粘结机理研究的首要因素就是认清粘结应力产生的本质，下面对粘结应力的产生做详细的阐述。为了理解“粘结”这一概念，以如图1所示的简支梁为例，由于受到两个大小相等的集中荷载作用，跨中区段梁的弯矩不变(梁自重忽略不计)，对应的剪力为零。两侧区段的弯矩呈线性变化，剪力为一常值。从图中简支梁左端取出一个单元长度的梁，如图1a)所示，则该单元左右截面作用的弯矩不等，弯矩的差值为ΔM,因此，在受拉区混凝土开裂之前(可以近似认为混凝土和钢筋均为弹性)，左右截面上的应力不论是拉应力或者是压应力，在同一高度处，必然是左截面应力小于右截面应力，钢筋中的应力也是如此。把受拉钢筋作为脱离体取出，如图1e)所示，则左截面钢筋拉应力T=σsAS就必然小于右截面总拉力T+ΔT,在左右两个总拉力作用下钢筋段上无法保持平衡，要保持平衡，钢筋与混凝土截面上就必然作用有沿钢筋轴线方向的剪应力τ，并且，长度为Δx上的钢筋表面积πd·Δx上剪应力之和必然与左右拉力处于平衡状态，即ΔT=τπdΔl，当然得到该式的前提是钢筋与混凝土接触面上的粘结应力是均匀分布的。

由图1可以得出一个重要而且普遍的规律:不论是在梁、柱、墙中，只要两个相邻截面作用的弯矩有差异，即有弯矩梯度，这两个截面之间的纵向钢筋必然作用有如图1f)所示的粘结应力。

1.2 其他由钢筋应力梯度引起的粘结

由图1e)和图1f)可以看出，弯矩梯度产生的粘结应力可以更进一步的说成由钢筋应力差引起的粘结应力。或者说钢筋有应力差的区段上必然存在粘结应力(没有应力差的地方，就没有粘结应力)，正是粘结应力维持了这一应力差。

例如，在图2中所示的一根钢筋在混凝土体的锚固段，比如偏心受压柱的受拉钢筋在基础中的锚固。锚固段外端点a点处钢筋假定承受很大的拉力，而锚固段尾端拉力自然为零，这种拉力差必然要由锚固段钢筋表面的粘结应力来维持。如果从锚固段上取出一隔离体，如图2b)所示，可以看出，该段上的应力差同样是由钢筋表面的粘结应力来平衡。进一步的研究证实，自锚固段尾端向拉拔端，钢筋中的拉应力是逐步增大的。

2 带肋钢筋与混凝土的粘结机理

一般认为，带肋钢筋表面与混凝土之间的粘结抗剪能力由三部分组成：一是混凝土胶体与钢筋之间的粘附力，它在整个抗剪能力中所占比重很小，主要是在钢筋与混凝土界面剪应力很小时起作用，一旦剪应力增大，钢筋开始滑动，这部分抗力就会消失；二是钢筋的一般表面与混凝土的摩擦力，以及滑动较大时，横肋带动横肋间的一部分混凝土一起滑动时，这部分混凝土与横肋高度以外混凝土之间的摩擦力(也称刮犁式滑动时的摩擦阻力)；三是钢筋发生轴线方向的平移时，横肋对前方混凝土挤压形成的机械咬合作用。

带肋钢筋的粘结强度主要取决于钢筋横肋对前方混凝土形成的挤压力(机械咬合力)，在钢筋的拉拔试验中，在水泥浆的粘附作用未失效之前，钢筋没有滑动，随着外荷载的增大，钢筋开始滑动，钢筋的每个横肋的前锋面会对前面的混凝土形成比较强的压力，此时在两个相邻横肋前锋面之间的混凝土可以看成一长度较小而高度较大的悬臂梁，此悬臂梁在横肋前锋面压力作用下，会在主拉应力最大的内折角处形成撕裂裂缝，该裂缝是由日本学者后藤首次通过试验看到的。当荷载进一步增大，横肋前锋面前面很小的一部分区域的混凝土由于局部高压应力作用下碎成粉末状，并且被压实。这一被压实的区域像是新的前锋面，只是新前锋面较原来的前锋面减小很多，因此，钢筋横肋作用给混凝土的压力作用方向更为倾斜。当外荷载继续增大，钢筋横肋前方的混凝土碎成粉末状的区域进一步增大，粘结退化越来越严重，最终钢筋发生较大滑移，粘结失效。

3 影响粘结锚固性能的主要因素

3.1 混凝土强度及其种类

混凝土强度等级越高，钢筋与混凝土之间的极限粘结应力也越高，而钢筋的极限粘结应力近似与混凝土的抗拉强度成正比。普通混凝土相应于轻骨料混凝土由于骨料强度高，粘结强度也较高。

3.2 横向钢筋

当试验所用试件未配置横向钢筋时，混凝土就会被环向拉力拉裂，通常称之为粘结劈裂，因此，试件未配置横向钢筋时，粘结劈裂一发生，就意味着粘结的失效；当试件配置了横向钢筋时，一方面可以避免劈裂裂缝张开过大，另一方面可以避免表层混凝土大面积脱落，从而使纵筋保持一定的粘结能力。

3.3 钢筋间距及保护层厚度

如果混凝土保护层厚度已经达到不会被劈裂力劈开，或者说即使出现了劈裂现象，劈裂裂缝也不会贯通混凝土层。相对保护层厚度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。当钢筋净距较大时(s>2c)，而保护层厚度不足，纵筋保护层处将出现纵向的裂缝，随后裂缝向侧面发展；当钢筋净距较小时(s<2c)，将沿钢筋连线劈裂，导致粘结强度降低。

3.4 侧向压应力

若在钢筋锚固范围内存在侧压力，则可增大钢筋与混凝土之间的摩擦力，从而提高极限粘结强度。从这一点可以得到启发，对于粘结应力比较高的区域，可以通过对箍筋施加预应力，进而提高极限粘结强度。

4 重复荷载下的粘结机理与性能

钢筋与混凝土之间粘结性能的好坏直接影响构件的正常使用，因为钢筋与混凝土之间的粘结退化以及相对滑移的增大将使钢筋混凝土构件刚度下降，本已带裂缝工作的构件裂缝宽度进一步增大。重复荷载作用下因结构疲劳产生的粘结破坏比静荷载作用时更为复杂，而且破坏形态也更为多样化，但最终的粘结破坏均是以产生过大的粘结滑移为前提。根据蒋德稳、邱洪兴所做的重复荷载作用下钢筋混凝土锚固端粘结性能试验，可以得出如下结论：当构件一次加荷达到最大值时钢筋横肋的位移和受力：靠近加载端，钢筋横肋前方的混凝土局部压碎，钢筋横肋内折角处出现内裂缝，并产生了较大的相对滑移，钢筋横肋左侧出现了空隙；靠近自由端的地方，钢筋横肋前方受压区混凝土的变形主要为弹性变形，相对滑移较小。卸载到最小荷载时，加载端的混凝土有小部分的回弹，这是因为第一次加载到最大荷载时，横肋前方混凝土的受压变形主要为不可恢复的塑性变形，很小一部分为可恢复的弹性变形，而钢筋的回弹变形较齿状混凝土体回弹变形大，因此，在钢筋横肋的左右两侧均出现了空隙，且在靠近加载端的一段距离内产生了反向的粘结应力；靠近自由端的位置，由于残余拉力的作用，钢筋横肋挤压前方混凝土，产生正向的粘结应力，由于最小荷载不为零，根据钢筋的受力平衡，正向粘结应力必然大于反向粘结应力。当重复多次加卸载时，横肋与前方的混凝土的受力状态在压实前方混凝土与两者之间产生空隙交替出现，使粘结应力退化严重。

5 反复荷载下的粘结机理与性能

反复荷载作用下钢筋与混凝土之间的粘结退化与钢筋横肋与横肋前方受到挤压的混凝土之间的空隙有关。例如当钢筋先向右滑动时，肋前混凝土受到横肋的挤压，同时在横肋的后方产生了空隙；反向受力时，因上一次正向受力已在横肋左侧产生了空隙，钢筋的滑移要走完空隙，横肋才能抵住混凝土进而形成越来越大的粘结抗力。若再反向受力，且每次反复均加大滑移量，则每次横肋后形成的空隙也就越来越大，反向滑动开始时粘结应力发挥不出的滑移(“空行程”)也就越长，钢筋混凝土构件的粘结退化越来越严重。根据重庆大学所做的反复受力的τ—s滞回曲线可以得到：反复受力的最大粘结应力比一次受力时明显偏低，因此抗震设计时钢筋的锚固和搭接长度都较非抗震情况下偏长。

6 结语

通过分析粘结应力产生的本质，阐明了影响粘结应力的主要因素以及不同的荷载类型对于钢筋与混凝土之间的粘结机理与性能的具体影响，对于构件中钢筋的锚固长度的设计具有指导意义。

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[2] 徐有邻.变形钢筋砼粘结锚固性能的试验研究[D].北京:中国建筑科学研究院,1990.

[3] 白绍良.钢筋混凝土及砖石结构[M].北京：中央广播电视大学出版社，1992：35-37.

[4] 中国建筑科学研究院.钢筋砼结构研究报告选集(二)[R].北京:建筑工业出版社,1981：255-288.

[5] PARK R,PAULY T.Reinforced concrete structures[M].New York:John Wiley & Sons Ins,1982：236-296.

Research on bond anchorage performance and mechanism between steel and concrete

Zhao Tidong

(ChongqingBranch,ShanghaiJingweiArchitecturalDesignResearchInstituteLimitedCompany,Chongqing401120,China)

This paper described the nature of bond stress production, through the experience of predecessors, summed up the anchorage performance and mechanism between steel and concrete, and analyzed the bond degradation and mechanism of ribbed steel bars under repeated loading and cyclic loading, provided reference for designers.

bond stress, bond anchorage, bond deterioration

2015-03-02

赵体栋(1986- )，男，助理工程师

1009-6825(2015)14-0039-03

TU375

A