钢筋混凝土粘结性能的研究现状

(青岛理工大学土木工程学院 山东 青岛 266033)

钢筋混凝土结构在现代建筑中应用广泛，在20世纪中后期，一直被认为是非常耐久的混凝土结构在使用中受到各种环境因素影响出现过早损坏，于是学者们对混凝土结构的耐久性进行了大量的研究。干湿循环、冻融循环、钢筋锈蚀、温度变化等都可直接引起钢筋混凝土结构性能的降低，进而影响钢筋和混凝土之间的粘结性能，因此，对钢筋混凝土粘结性能的研究对混凝土结构耐久性的研究有重大意义。

一、影响粘结性能的因素

钢筋和混凝土两种材料的性质不同，却能协同工作，原因是钢筋和混凝土之间有一定的粘结力。粘结应力是钢筋和混凝土之间的粘结段剪应力的平均值，主要由机械咬合力、化学胶结力和摩擦组成。不但钢筋的种类、混凝土的强度、粘结段的长度等一些自身因素能影响钢筋和混凝土之间粘结性能，而且许多外界因素，如温度、锈蚀、冻融、持续荷载和氯离子侵蚀等粘结性能也有影响。

(1)温度：随着温度的升高，钢筋与混凝土的粘结性下降。王朝阳[1]等通过试验得出钢筋与混凝土之间的粘结性能随温度的升高呈下降趋势的结论，他还给出了高温下钢筋与混凝土粘结性能的本构模型，并验证了模型的适用性。

(2)钢筋的锈蚀：钢筋轻微的锈蚀可以增大钢筋和混凝土的粘结强度，但严重的锈蚀会降低粘结强度。张白[2]等通过电化学锈蚀的方法，获得了不同锈蚀率下(0～4.84%)高强钢筋与混凝土的粘结-滑移曲线，通过研究发现，钢筋锈蚀率较低时(≤2.22%)，粘结强度、粘结刚度均随锈蚀率的增长而增强；当钢筋锈蚀率超过3.46%时，试件出现锈胀裂纹，粘结强度、粘结刚度出现明显衰退。

(3)冻融循环：冻融循环会降低钢筋混凝土的粘结性。李新明[3]通过对试件进行0、25、50和75次冻融循环，通过中心拔出试验发现随着冻融次数的增加，试件表面的混凝土剥落越来越严重，粗骨料暴露的越来越多，钢筋混凝土之间的粘结性能越来越低。

(4)持续荷载：王志恒[4]研究了干湿循环条件下持载的耦合效应，他发现，滑移增量并不随着持载等级增加而增加，滑移增量的最大值出现在持载等级为50%极限荷载时。

二、粘结性能的试验研究方法

钢筋在混凝土内粘结段受力状态复杂、不均匀，很难用一种试验准确模拟应力状态，目前世界各国对于粘结性的研究主要通过静力试验法中的梁式试验和中心拔出试验进行。

(一)梁式试验。梁式试验的试件是分为两段制作，加载端和自由端都有一定长度的无粘结段，中间钢筋的粘结段长度为10d(d为钢筋直径)，梁跨中受拉区的钢筋为试验用钢筋，受压区用铰相连，可以由加载的荷载计算出钢筋上的拉力，可以很好地模拟钢筋在梁端的粘结锚固情况。

(二)中心拔出试验。中心拔出试验试件制作相对简单，钢筋放置在中心穿过试件，水平浇筑立方体试件；试验时，试件放置在带孔的钢垫板上，使用试验机夹紧钢筋外露的加载端，然后增加荷载，直至试件被破坏。

三、粘结滑移本构关系

世界各国的学者在不同条件下做了大量粘结试验，提出了许多钢筋和混凝土之间粘结滑移本构关系的表达式，但影响钢筋和混凝土之间粘结性能的因素有很多，不可能用一个表达式表达出所有情况下的本构关系，特别是对多种因素耦合作用下的本构关系，需要做特定的试验才能得出最符合试验规律的表达式。

徐有邻[5]通过拉拔变形钢筋，提出了基于钢筋锚固位置函数ψ(x)的粘结-滑移本构关系表达式τ=ψ(x)·φ(s)，经过分析精简，又提出了三段式的简化模型：

(式1)

(式2)

限于篇幅，各个参数的具体含义见文献[5]。这种分段式的表达式虽然能精确的描述试件变形各阶段的粘结滑移关系，但表达式冗长，使用不便。

滕智明[6]采用四阶多项式，提出了粘结强度随裂缝间距、保护层厚度和钢筋直径的变化规律：

(式3)

式中，τ为粘结强度(N/mm2),x为到最近裂缝的横向距离(mm)，l为裂缝间距(mm)，c为保护层厚度(mm)，d为钢筋直径(mm)。

宋启根[7]用三阶多项式提出了以下表达式：

τ=6.58×102s-2.12×104s2+2.15×105s3

(式4)

式中，τ为粘结强度(N/mm2)，s为滑移量(mm)。

Nilson[8]通过拉拔试验，得出以下表达式：

τ=10×103s-58.5×106s2+8.53×109s3

(式5)

式中，τ为粘结强度(N/mm2)，s为滑移量(mm)。

可以看出，用多项式拟合钢筋和混凝土之间的粘结滑移本构关系形式非常简单。总之，目前很难用一种统一的公式来表达出所有因素影响下钢筋混凝土粘结滑移本构关系式，因此在进行有限元分析时，应尽量选择符合影响因素的粘结滑移本构关系表达式。

四、结语

能够影响钢筋与混凝土之间粘结性的因素有许多，目前学者们通过试验研究了温度变化、冻融循环、钢筋锈蚀、持续荷载以及两种或多种环境因素耦合作用下粘结性能的退化规律，并提出了不同条件下的粘结滑移本构关系表达式，，但仍没有公式能够既完整又简洁地表达出各种环境因素对钢筋混凝土粘结滑移的影响。在进行有限元数值模拟时，应根据不同条件选择不同的本构关系表达式，或者进行特定的试验，拟合出特定的表达式。