第七章 钢筋与混凝土之间的粘结

第七章钢筋与混凝土之间的粘结钢筋混凝土结构非线性分析讲义139第七章钢筋与混凝土之间的粘结§7.1概述钢筋与混凝土的粘结是钢筋与其周围一定影响范围内混凝土的一种相互作用，它是这两种材料共同工作的前提之一，也是对钢筋混凝土构件的承载力、刚度以及裂缝控制起重要影响的因素之一。粘结的退化和失效必然导致钢筋混凝土结构力学性能的降低和破坏。随着有限元法在钢筋混凝土结构非线性中的应用，钢筋与混凝土之间粘结和滑移的研究更显重要。7.1.1粘结应力及其分类1．粘结应力的定义粘结应力是指沿钢筋与混凝土接触面上的剪应力。它并非真正的钢筋表面上某点剪应力值,而是一个名义值(对于变形钢筋而言)，是指在某个计算范围(变形钢筋的一个肋的区段)内剪应力的平均值，且对于变形钢筋来说，钢筋的直径本身就是名义值。2．粘结应力分类·弯曲粘结应力由构件的弯曲引起钢筋与混凝土接触面上的剪应力。可近似地按材料力学方法求得。由于在混凝土开裂前，截面上的应力不会太大，所以一般不会引起粘结破坏，对结构构件的力学性能影响不大。该粘结主要体现混凝土截面开裂前钢筋与混凝土的协同工作机理。其大小与弯曲粘结应力及截面的剪力分布有关，即对于未开裂截面，弯曲粘结应力的分布规律与剪力分布相同。·锚固粘结应力钢筋的应力差较大，粘结应力值高，分布变化大，如果锚固不足则会发生滑动，导致构件开裂和承载力下降。粘结破坏是一种脆性破坏。第七章钢筋与混凝土之间的粘结钢筋混凝土结构非线性分析讲义140·裂缝间粘结应力开裂截面的钢筋应力，通过裂缝两侧的粘结应力部分地向混凝土传递，使未开裂截面的混凝土受拉，也使得混凝土内的钢筋平均应变或总变形小于钢筋单独受力时的相应变形，有利于减小裂缝宽度和增大构件的刚度，此即“受拉刚化效应”。裂缝间粘结应力属于局部粘结应力范围。该粘结应力数值的大小反映了受拉区混凝土参与工作的程度。局部粘结应力应变分布复杂，存在着混凝土的局部裂缝和两者之间的相对滑移，平截面假定不再符合，且影响因素较多，如剪切破坏、塑性铰的转动能力以及结构中的弹塑性分析等。7.1.2研究现状由于影响钢筋与混凝土之间粘结作用的因素较多，且差异性较大，较难给出理想的、普遍共同接受的计算理论。目前，还没有比较完整的、有充分论据的粘结滑动理论。各国规范处理方法各不相同，另外一方面，笼统的构造要求大大忽视了对粘结问题的进一步的研究。7.1.3研究的重要性·工程实践上的重要性——钢筋的锚固、搭接和细部构造；·理论上的重要性——剪切破坏、裂缝宽度、塑性铰转动能力以及弹塑性分析问题的源头；·有限元方法在钢筋混凝土结构中应用的要求，需给出粘结应力与相对滑动的数学模式；·钢筋混凝土结构的动力反应，尤其是在大变形下的粘结性能的研究，在很大程度上取决于构件的连接部位的恢复力特性，粘结退化是使节点区强度丧失和刚度降低的主要原因。第七章钢筋与混凝土之间的粘结钢筋混凝土结构非线性分析讲义141§7.2粘结性能试验7.2.1试验方法结构中钢筋粘结部位的受力状态复杂，很难准确模拟。根据试验性质以及获取数据的内容，分为静力试验方法和动力试验方法。1．静力试验方法·拔出试验最初的试验方法，将钢筋埋置于混凝土中心。由于加载端混凝土受到混凝土的局部挤压，与结构中钢筋端部附近的应力状态差别大，影响了试验结果的真实性。因此，将其改为试件加载端的局部钢筋与周围混凝土脱空的试件。但是，螺纹钢筋采用这种试验方法时，试件常发生劈裂破坏。所以，又设置横向钢筋（螺旋箍筋）以改善其性能。（三种试件图7-1所示）·梁式试验梁式试验（图7-2）是为了更好地模拟梁端锚固粘结性能状态。由于拔出试验不能反映钢筋锚固区域存在弯矩和剪力共同作用的影响。图7-1拔出试验的试件第七章钢筋与混凝土之间的粘结钢筋混凝土结构非线性分析讲义142梁式试验试件梁端无粘结，中央为10d的粘结区域，使粘结应力分布更为均匀。这两类试件的对比试验结果表明：材料和粘结长度相同的试件，拔出试验比梁式试验得到的平均粘结强度高，其比值约为1.1－1.6。除了钢筋周围混凝土应力状态差别外，后者的混凝土保护层较薄也是主要原因。图7-2梁式试验的构件图7-3粘结试验装置第七章钢筋与混凝土之间的粘结钢筋混凝土结构非线性分析讲义143无论哪种试验，试验中均需要量测钢筋的拉力、拉力极限值以及钢筋加载端和自由端与混凝土的相对滑移量。必要时，需要在钢筋内部埋置应变片，以准确量测钢筋的应变。按试验相邻电测点的钢筋应力差计算相应的粘结应力，从而得到粘结应力的分布规律。此外，还可以通过在裂缝处涂上诸如红色墨水以观察粘结裂缝的发展规律。·局部粘结－滑移试验钢筋混凝土结构非线性分析需要建立钢筋与混凝土在接触面上的力和滑移的物理模型，即局部粘结应力和局部滑移的本构关系。但是，通常的粘结试验得到的只是平均粘结应力与试件加载端或自由端的关系，并不代表试件内部的S关系。目前，采用两种局部粘结－滑移试验：一种是短埋长的拔出试验，一种是埋长较长的拉伸试验，如图7-4所示。短埋长试验是为了使量测的平均粘结应力及自由端具有局部对应关系，使得粘结应力及滑动量S沿埋长分布接近于均匀，可近似地代表均布S关系。当钢筋与混凝土有较大的粘结长度时，一般情况下钢筋与混凝土的应变s和c沿试件长度上是变化的。因此，钢筋的位移xg，及与钢（a）短埋长的拔出试验装置（b）长埋长的拔出试验装置图7-4不同埋长的拔出试验装置第七章钢筋与混凝土之间的粘结钢筋混凝土结构非线性分析讲义144筋接触面上的混凝土位移xh，以及钢筋与混凝土之间的相对滑移xS=xg-xh沿试件长度方向上也是变化的。如果能够直接量测试件内部的钢筋与混凝土在接触面上的相对滑动量xS，则局部粘结应力x与局部滑移xS的关系便不难得出。但是应该指出，在不会过分地破坏粘结的条件下，量测试件内部的相对滑动量xS的问题，目前还没有可靠的解决方法。另外一种途径是通过测定钢筋及混凝土的应变分布，利用系数关系间接地得出xS：00xxxsxcSdxdx2．动力试验方法·梁柱节点试验梁柱节点试验可较为真实地模拟在轴向力和剪力作用下局部粘结滑移关系。量测的结果有的以粘结应力－滑移关系体现，有的以梁端弯矩和转角来体现。·Tassios装置在其静力加载装置基础上改装而成，可以测得局部粘结应力与相对滑移之间的关系，但是不能考虑轴向力的影响。图7-5拉伸试件中的应变及位移分布第七章钢筋与混凝土之间的粘结钢筋混凝土结构非线性分析讲义145综上所述，用于粘结－滑移的试验装置众多，都具有自己的特点，没有形成一个共同认可的标准试验装置，阻碍了各个试验数据之间的对比，不利于粘结作用的深入研究。7.2.2拔出试验的粘结和滑移拔出试验在钢筋拔出过程中，钢筋的应力不断增加，而粘结应力的峰值却不断地后移，即从加载端逐渐地退出工作，图7-6是Amstutz的试验曲线。应该指出，实际的钢筋应变不是光滑的，因而由钢筋反算的粘结应力：4sxdddx（式中d为钢筋的直径）也不是光滑的。在变形钢筋中，由于肋的咬合作用以及次生斜裂缝出现，混凝土的拉应力沿杆长也必然是不连续的，当钢筋上所贴的应变片越长，间距越大，这一不连续性越被掩盖。此外，在一定的埋长下，自由端的滑移比加载端要小得多。图7-6拔出试验中钢筋应力s与粘结应力分布第七章钢筋与混凝土之间的粘结钢筋混凝土结构非线性分析讲义146目前拉伸试验是为了模拟构件主裂缝的间距，因而较短。钢筋在梁端拉伸后，试件中点应是不动点。由于试件较短，钢筋应力一开始沿长度的差别就不那么大，但粘结应力最大值则随着肋左混凝土退出工作而向内移动。§7.3粘结机理7.3.1粘结力的组成粘结力主要是由三部分组成：1．胶结力混凝土水化产生的凝胶体对钢筋表面产生化学胶结力。这种胶结力一般很小，仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用，一旦接触面发生相对滑动时，该力立即消失，且不可恢复。2．摩阻力混凝土硬化时体积收缩，将产生裹紧钢筋的摩阻力。这种摩阻力的大小取决于握裹力和钢筋与混凝土表面的摩擦系数。对钢筋产生的垂直于摩擦面的正压力越大，接触面的粗糙程度越大，摩阻力就越大。3．机械咬合力钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生机械咬合力。对于光圆钢筋，表面的自然凹凸程度较小，这种作用力较小，因此它与混凝土的粘结强度是较低的，需要设置弯钩以阻止钢筋与混凝土之间产生较大的相对滑动；对于变形钢筋，肋的存在可显著增加钢筋与混凝土的机械咬合作用，从而大大增加粘结强度，这是它粘结组成的很大一部分。图7-7变形钢筋的粘结机理第七章钢筋与混凝土之间的粘结钢筋混凝土结构非线性分析讲义147其实，粘结力的三个部分都与钢筋表面的粗糙度和锈蚀程度密切相关，在试验中很难单独量测或严格区分。而且，在钢筋的不同受力阶段，随着钢筋滑移的发展、荷载（应力）的加卸载等原因，各部分粘结作用也有变化。对于光圆钢筋，其粘结力主要来自前两项；而变形钢筋的粘结力三项都包括，其中第三项占大部分。二者的差别，可以用订入木料中的普通钉和螺丝钉的差别来解释。7.3.2光圆钢筋与混凝土的粘结一般认为，光圆钢筋与混凝土的握裹强度由水泥凝胶体和钢筋表面的化学粘结所组成。但是即使在低应力下也将产生相当大的滑移，并可能破坏混凝土和钢筋间的这种粘结。一旦产生这样的滑移，握裹力将主要取决于钢筋表面的粗描程度和埋置长度内钢筋横向尺寸的变化。如图7-8所示光圆钢筋应力s、粘结应力以及加载端和自由端滑(a)S曲线(b)应力和滑移分布图7-8光圆钢筋的拔出试验结果第七章钢筋与混凝土之间的粘结钢筋混凝土结构非线性分析讲义148移量的试验曲线。从中可以知道：（1）随着拉拔力的增大，粘结应力图形的峰值由加载端向内部移动，临近破坏时，移至自由端附近，同时粘结应力图形的长度（有效埋长）也达到了自由端，钢筋的应力渐趋均匀；（2）当荷载达到/0.40.6u后，钢筋的受力段和滑移段继续扩展，加载端的滑移（lS）明显成曲线增长，但自由端无滑移。粘结应力不仅分布区延伸，峰点加快向自由端漂移，其形状也由峰点右偏曲线转为左偏曲线；（3）当8.0/u时，钢筋的自由端开始滑动，加载端的滑移发展迅速，此时滑移段已遍及钢筋全埋长，粘结应力的峰点很靠近自由端。加载端附近的粘结破坏严重，粘结应力已很小，钢筋的应力接近均匀；（4）当自由端的滑移为0.10.2fSmm时，试件的荷载达到最大值uN，即达到钢筋的极限粘结强度。此后，钢筋的滑移（lS和fS）急速增大，拉拔力由钢筋表面的摩阻力和残存的咬合力承担，周围混凝土被碾碎，阻抗力下降，形成曲线的下降段。上述是针对短埋长的试件，其破坏形式是钢筋从混凝土中被徐徐拔出；如果是长埋长的试件，其破坏形式是钢筋受拉屈服，而钢筋不被拔出。可以通过此试验确定最小锚固长度。7.3.3变形钢筋与混凝土的粘结1．无横向配筋时变形钢筋的粘结性能试验变形钢筋和光圆钢筋的主要区别是钢筋表面具有不同形状的横肋或斜肋。变形钢筋受拉时，肋的凸缘挤压周围混凝土，大大地提高了机械咬合力，改变粘结受力机理，有利于钢筋在混凝土中的粘结锚固性能。图7-9所示为无横向配筋的粘结性能试验结果，由图可知：（1）开始受力后钢筋的加载端局部就由于应力集中而破坏了与混凝土的粘结力，发生滑移；（2）当荷载增大到3.0/u时，钢筋自由端的粘结力也被破坏，开始出现滑移fS，加载端的滑移加快增大，钢筋的受力区域和滑移区第七章钢筋与混凝土之间的粘结钢筋混凝土结构非线性分析讲义149域较早地遍布钢筋的全长；（3）当增大到/0.40.5u时，即S曲线上的A点，钢筋靠近加载端横肋的背面发生粘结破坏，出现拉脱裂缝①，随即，此裂缝向后延伸，形成表面纵向裂缝②。荷载再增大时，会使肋前形成斜裂缝③与①贯通。随着荷载的增大，在钢筋的各个肋上从加载端向自由端逐次出现裂缝①②③，滑移的发展加快，S曲线的斜率渐减。和光圆钢筋相比，变形钢筋的应力沿其埋长变化较小，粘结应力分布较为均匀；（4）在出现裂缝①②③后，粘结应力由钢筋表面的摩阻力和肋部的挤压力传递。当荷载增大到一定程度时，会形成肋前破碎区④。这种挤压力使得混凝土环