浅谈现浇结构中的钢筋锚固

黄炎准

(福州市建筑设计院　福建福州　350011)



浅谈现浇结构中的钢筋锚固

黄炎准

(福州市建筑设计院福建福州350011)

对现浇结构中的钢筋锚固的若干问题进行总结与讨论，得出：适当增加锚固段周边的纵筋和箍筋能避免其周围可能出现的局部拉脱现象或开裂；在梁简支端下部钢筋的锚固中，钢筋间距决定了钢筋与混凝土是否形成粘结力较差的“钢筋集团”效应；梁上部和下部钢筋在中间各层端节点(框架边柱)中的锚固中，钢筋水平段和竖直段都应满足相应的锚固长度要求；从构件受力的具体情况来判断“搭接”和“锚固”是一种较为直接可行的方法。

锚固长度；局部拉脱；钢筋集团效应；搭接

0　引言

在现浇钢筋混凝土结构中，构件之间的连接决定着结构分析对各构件端部约束应作何种假定，从而通过内力分析得出连接部位应该传递的内力，在设计中则应设法保证不低于构件的可靠性水准来有效地在连接处传递这些内力。不少初作设计的人常注意了各个构件的截面设计，但对连接部位的设计则常未给以足够关注，而不少灾害中的结构损坏，相当一部分是由于连接部位的构造措施不当所导致的传力能力不足。笔者结合建筑结构设计过程中的一些学习和实践，对相关问题进行总结与建议，期望引起重视与讨论。

1　锚固长度

所谓“锚固”是指例如一根钢筋在图1a所示A-A截面处受力到某种程度时，可以通过其从A-A截面向前埋入混凝土的一段长度钢筋表面的粘结能力将拉力P有效地传入混凝土，从而使其在A-A截面处发挥出拉力P所必要的抗拔出能力和抗拔出刚度(指滑出量不能过大)。前者称“锚固强度”，后者称为“锚固刚度”。

这里需要特别提醒的是，几乎所有的文献或教材都把锚固问题局限于上述定义，即局限在通过粘结应力τ传递拉力P的锚固功能上。但同样重要的是关注锚固段传给混凝土的力又会在其周围的混凝土中引发什么样的受力状态。分析表明[1]，如图1b所示，粘结应力τ将沿钢筋表面传递给混凝土，并在锚固段周围的混凝土中形成图1c所示的主应力场。这表明，当锚固长度过短时，除去钢筋可能因粘结破坏而拔出外，还可能将周围的混凝土沿主压应力迹线拉裂，甚至把周围呈锥形的混凝土一起拉出，称为“局部拉脱破坏”。当然，如果锚固长度足够长，实际上就一方面避免了沿锚固段钢筋表面的粘结失效和钢筋的拔出，也防止了周围混凝土的局部拉脱破坏。周围混凝土虽然可能不至于局部拉脱，但也可能受拉开裂，因此对于锚固段周围的混凝土受力问题也是在设计中应认真关注的问题。

混凝土结构设计规范 (GB50010-2010)[2]第8.3.2条对钢筋锚固长度的修正系数进行了规定，以下就其中部分条款进行说明：

(1)对于第2款是因为涂了环氧树脂后钢筋横肋的棱边会变得稍为圆润，钢筋表面摩擦系数也会相应减小，故锚固长度需适度加长；而美国混凝土规范(ACI318-05)[3]根据相关试验研究[4-5]做了更细致的规定，对于混凝土涂层钢筋或钢丝，当混凝土保护层厚度小于3倍钢筋直径或者当净间距小于6倍钢筋直径时，修正系数取1.5，其余情况的环氧涂层钢筋或钢丝的取值都为1.2。

(2)拉拔试验表明，当锚筋周围混凝土厚度均大于4.5d时，不加箍筋也不会产生图2中钢筋环向张力产生的劈裂破坏。第4款规定周围混凝土厚度大于3d且配有箍筋时锚长可减至0.8la是有试验依据的。

与受拉钢筋的锚固相比，受压钢筋的锚固有两个有利条件。一是钢筋受压后也要侧向膨胀(泊松比)，可以稍事增大钢筋与混凝土之间的粘结效应(钢筋受拉时则横向缩小，不仅没有受压时的有利效应，反而有不利效应)；二是钢筋锚固段末端面以外如果有较厚的混凝土，则末端面对混凝土有顶压力，而其反作用力将增大受压钢筋的锚固能力。

但已完成的如图3的贯穿式受压锚固性能试验表明，这时因为没有钢筋端面的顶压阻力，所以锚固长度至少要0.85la[1]。这表明，如果工程中出现了受压钢筋的类似于图3的锚固环境，规范规定的0.7la的受压锚固长度就是不足的。

2　梁简支端下部钢筋的锚固

端支座视为简支端的情况多数只出现在多层房屋墙、柱采用砖砌体，楼盖为钢筋混凝土结构的情况。

混凝土结构设计规范的第9.2.1条对梁内纵筋间距和伸入支座钢筋根数进行规定。结合这一条需要说明的是：在锚固区等高粘结应力区，除去锚固长度、周围的混凝土厚度和周围配箍这几个影响锚固粘结性能的主要因素后，钢筋间距也是一个很重要的因素。这是因为粘结是在钢筋与其四周混凝土产生沿钢筋轴线方向相对变形时的传力效应。因此，如图4a所示，当钢筋与钢筋间距较大时，每根钢筋与其四周混凝土的变形关系是各自独立的；当若如图4b那样，钢筋间距过近，则各根钢筋与混凝土的变形关系将相互影响，也就是说各根钢筋与各自周围混凝土之间的相对变形发挥得不很充分，反而是“钢筋集团”与其周边混凝土(图4b中虚线)之间的相对变形起着主导作用。这意味着与单根钢筋单独在其四周混凝土中形成的粘结效应相比，集团粘结效应会相对较弱。这是因为相对于集团钢筋的总拉力而言，图4b虚线所示粘结面积所提供的粘结能力比单根钢筋独立粘结条件要差。

(a)间距大，形成单根钢筋独立的粘结环境(b)间距小，形成钢筋集团粘结环境
图4间距对钢筋粘结效应的影响

3　梁上部和下部钢筋在中间各层端节点(框架边柱)中的锚固

梁筋在框架边柱中的锚固是保证梁与柱连接(即保证接头强度)的重要措施，因此对钢筋的锚固强度和刚度都应给以重视。根据规则框架典型弯矩分布可知，中间层端节点的梁端的组合负弯矩是由竖向荷载负弯矩和相应方向水平荷载负弯矩组成的，因此梁端上部钢筋通常是按截面抗负弯矩需要确定的。

当柱截面尺寸不够大，放不下梁上部筋的直线锚长时，则可采用带90°折尾段的锚固方式。试验表明，这种锚固方式的主要锚固能力是由拉拔端到弯弧起点的水平锚固段的粘结效应提供的[1]。

当水平锚固段是够长时，弯弧及以后的尾段基本不受拉(只作为后备措施考虑)，水平段的粘结滑移小，如图5中oa线所示，直到拉拔端钢筋屈服，锚固段的强度足够，刚度也很好(拉拔端滑出重小，梁端裂逢不会恶性加宽)。若水平锚固段稍短(如图5中的ob线)，在b点处水平段主要长度上的粘结应力达到峰值，滑移加大，但拉拔端钢筋仍能拉到屈服。即锚固强度够，锚固刚度还可以，但不如oa线。水平段再短，其粘结能力就将在oc线的c点退化，随着拔出量的迅速增大，拉力还会上升，但在滑出重很大之前，已达不到屈服拉力。 这样的锚固段就已经不满足锚固的要求。

在GB50010-2002规范版本中根据试验结果将水平投影长度定为0.4la,将竖直投影长度定为15d。从试验结果看，在不考虑可靠性的条件下，对于C25及以上的混凝土，这一锚固规定可以保证锚固端具有图5中oa线的特征。

4　关于钢筋“搭接”和“锚固”问题的识别

“搭接”是钢筋的一种接头方式，即在钢筋重叠的搭接接头范围内，一根钢筋将其所受的拉力或压力通过粘结效应经混凝土均匀地传给另一根钢筋。它实现的是钢筋与钢筋之间的传力。而“锚固”则是钢筋经锚固长度将其拉力或压力经粘结效应传给锚固区的混凝土。

但是在实际工程中也会有些情况可能需要对到底是属于“锚固”问题还是“搭接”问题作出识别，以便正确处理。框架中属于搭接的只有顶层端节点处的梁、柱负弯矩受拉钢筋以及柱和梁中钢筋接长时使用的搭接接头，但也有些情况是需要专门识别的。例如在图8所示的框架节点处，如果能确认节点上部柱下端截面作用弯矩总是与节点下部柱上端作用弯矩反号的(图6a),也就是一侧拉筋在节点以上为受拉时，节点以下的该柱筋总为受压，可反过来，则这时从概念上说，上、下柱筋就可以分别伸入节点，并锚固在节点内，也就是其各自伸入节点的长度按锚固长度确定。若确认节点上、下柱端作用弯矩有可能同时为同号，即同一侧钢筋在节点上、下同时为受拉或受压(图6b)，则钢筋就只能按搭接接头处理，按规定搭接接头应设在节点以外，例如设在上柱下端(非抗震情况)，或设在离上柱下端一定矩离的柱段中部(抗震情况)。

通过这个对比实例可以看出应从构件受力的具体情况来判断是属于“搭接”还是属于“锚固”。

5　结论

本文对现浇结构中各构件的相互连接及钢筋锚固的若干问题进行总结与讨论，得出：适当增加锚固段周边的纵筋和箍筋能减少其周围可能出现的局部拉脱现象或开裂；钢筋锚固长度的修正系数可以参照美国规范进行更全面的细化，保证安全度；受压钢筋锚固应注意保证端部混凝土的厚度；在梁简支端下部钢筋的锚固中，钢筋间距决定了钢筋与混凝土是否形成粘结力较差的“钢筋集团”效应；在梁上部和下部钢筋在中间各层端节点(框架边柱)中的锚固中，钢筋水平段和竖直段都应满足相应的锚固长度要求；从构件受力的具体情况来判断是属于“搭接”还是属于“锚固”，是一种较为直接可行的方法。

构件连接与钢筋锚固的其他相关问题还有很多，如箍筋的锚固，现浇板内的钢筋在板支座处的锚固，柱筋在基础中的锚固等，有待笔者进一步的工程实践与学习。

[1]白绍良. 混凝土结构讲义[M]. 重庆：重庆大学出版社, 2005.

[2]GB50010-2010混凝土结构设计规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社，2010.

[3]白绍良. ACI318-05美国房屋建筑混凝土设计规范[M].重庆：重庆大学出版社,2005.

[4]Treece，R.A.,and Jirsa,J.O.,”Bond Strength of Epoxy-Coated Reinforcing Bars,”ACI Materials Journal,V.86,NO.2,Mar.-Apr.1989,pp.167-174.

[5]Johnston,D.W., and Zia,P.,”Bond Characteristics of Epoxy-Coated Reinforcing Bars,”Department of Civil Engineering,North Carolina State University,Report No.FHWA/NC/82-002,Aug.1982.

[6]白绍良.框架中间层端节点梁筋直角弯折锚固端设计概念及方法的改进[J].重庆建筑工程学院学报，1994(3).

Preliminary analysis of the steel bar anchoring in the cast-in-place structure

HUANG Yanzhun

(Fuzhou Architectural Design Institute, Fuzhou 350011)

In this paper,some issues about the steel bar anchoring in the cast-in-place structure are discussed.Appropriate to increase the longitudinal bars and the stirrup around the anchorage section,it could avoid the local pulling off and cracking;In the bar anchorage at the bottom of the simply supported beam end,the distance of bars decides whether steel bar and concrete jointly form the steel group effect,which has a poor bonding strength. The steel bar anchorage at the top and bottom of Beam in the end nodes of each layer,the horizontal and vertical section should meet the anchorage length.Distinguishing overlap and anchorage according to the force condition of component is a directly practical method.

The length of anchorage;Local pulled off;Steel group effect; Overlap

黄炎准(1989.3-)，男，工程师。E-mail:804835386@qq.com

2016-08-05

TU3

A

1004-6135(2016)09-0065-03