2019一級(jí)結(jié)構(gòu)工程師《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)》講義：第二章第三節(jié)

2.3 混凝土與鋼筋的粘結(jié)

2.3.1 粘 結(jié) 的 意 義

1. 粘結(jié)的意義

鋼筋和混凝土能共同工作，除了二者具有相近的線膨脹系數(shù)外，更主要的是由于混凝土硬化后，鋼筋與混凝土之間產(chǎn)生了良好的粘結(jié)力。為了保證鋼筋不被從混凝土中拔出或壓出，還要求鋼筋有良好的錨固。

粘結(jié)和錨固是鋼筋和混凝土形成整體、共同工作的基礎(chǔ)。

2. 粘結(jié)應(yīng)力

鋼筋混凝土受力后會(huì)沿鋼筋和混凝土接觸面上產(chǎn)生剪應(yīng)力，通常把這種剪應(yīng)力稱為粘結(jié)應(yīng)力。根據(jù)受力性質(zhì)的不同，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)應(yīng)力可分為裂縫間的局部粘結(jié)應(yīng)力和鋼筋端部的錨固粘結(jié)應(yīng)力兩種:

(a) 錨固粘結(jié)應(yīng)力 (b) 裂縫間的局部粘結(jié)應(yīng)力

(1) 裂縫間的局部粘結(jié)應(yīng)力

在相鄰兩個(gè)開(kāi)裂截面之間產(chǎn)生的，鋼筋應(yīng)力的變化受到粘結(jié)應(yīng)力的影響，粘結(jié)應(yīng)力使相鄰兩個(gè)裂縫之間混凝土參與受拉。局部粘結(jié)應(yīng)力的喪失會(huì)影響構(gòu)件的剛度的降低和裂縫的開(kāi)展。

(2) 鋼筋端部的錨固粘結(jié)應(yīng)力

鋼筋伸進(jìn)支座或在連續(xù)梁中承擔(dān)負(fù)彎矩的上部鋼筋在跨中截?cái)鄷r(shí)，需要延伸一段長(zhǎng)度，即錨固長(zhǎng)度。要使鋼筋承受所需的拉力，就要求受拉鋼筋有足夠的錨固長(zhǎng)度以積累足夠的粘結(jié)力，否則，將發(fā)生錨固破壞。

2.3.2 粘 結(jié) 力 的 組 成

1. 粘結(jié)力的組成

鋼筋與混凝土的粘結(jié)作用主要由三部分所組成：

(1)鋼筋與混凝土接觸面上的化學(xué)吸附作用力(膠結(jié)力)。

(2)混凝土收縮握裹鋼筋而產(chǎn)生摩阻力。

(3)鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生的機(jī)械咬合作用力(咬合力)。

2. 光圓鋼筋和變形鋼筋的粘結(jié)機(jī)理的主要差別

光面鋼筋粘結(jié)力主要來(lái)自膠結(jié)力和摩阻力，而變形鋼筋的粘結(jié)力主要來(lái)自機(jī)械咬合作用(圖2-28)。二者的差別，可以用釘入木料中的普通釘和螺絲釘?shù)牟顒e來(lái)理解。

2.3.3 粘 結(jié) 強(qiáng) 度

鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度通常采用直接拔出試驗(yàn)來(lái)測(cè)定，為了反映彎矩的作用，也用梁式試件進(jìn)行彎曲拔出試驗(yàn)。

由直接拔出試驗(yàn)，鋼筋和混凝土之間的平均粘結(jié)應(yīng)力τ可表示為

τ=N/πdι (2-22)

式中 N —— 鋼筋的拉力; d —— 鋼筋的直徑; l —— 粘結(jié)長(zhǎng)度。

(a) 直接拔出試驗(yàn) (b) 彎曲拔出試驗(yàn)

2.3.4 影響粘結(jié)強(qiáng)度的因素

主要影響因素有混凝土強(qiáng)度、保護(hù)層厚度及鋼筋凈間距、橫向配筋及側(cè)向壓應(yīng)力，以及澆筑混疑土?xí)r鋼筋的位置等。

(l) 混凝土強(qiáng)度：光圓鋼筋及變形鋼筋的粘紹強(qiáng)度都隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而提高。

圖2-30 不同強(qiáng)度混凝土的粘結(jié)應(yīng)力和相對(duì)滑移關(guān)系

(2) 保護(hù)層厚度：鋼筋外圍的混凝土保護(hù)層太薄，可能使外圍混凝土因產(chǎn)生徑向劈裂而使粘結(jié)強(qiáng)度降低。增大保護(hù)層厚度，保持一定的鋼筋間距，可以提高外圍混凝土的抗劈裂能力，有利于粘結(jié)強(qiáng)度的充分發(fā)揮。

(3) 鋼筋凈間距：混凝土構(gòu)件截面上有多根鋼筋并列在一排時(shí)，鋼筋間的凈距對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度有重要影響，鋼筋凈間距過(guò)小，外圍混凝土將發(fā)生水平劈裂，形成貫穿整個(gè)梁寬的劈裂裂縫，造成整個(gè)混凝土保護(hù)層剝落，粘結(jié)強(qiáng)度顯著降低。一排鋼筋的根數(shù)越多，凈間距越小，粘結(jié)強(qiáng)度降低的就越多。

(4) 橫向配筋：橫向鋼筋(如梁中的箍筋)可以限制混凝土內(nèi)部裂縫的發(fā)展，提高粘結(jié)強(qiáng)度。橫向鋼筋還可以限制到達(dá)構(gòu)件表面的裂縫寬度，從而提高粘結(jié)強(qiáng)度。

(5) 側(cè)向壓應(yīng)力：在直接支承的支座處，如梁的簡(jiǎn)支端，鋼筋的錨固區(qū)受到來(lái)自支座的橫向壓應(yīng)力，橫向壓應(yīng)力約束了混凝土的橫向變形，使鋼筋與混凝土間抵抗滑動(dòng)的摩阻力增大，因而可以提高粘結(jié)強(qiáng)度。

(6) 澆筑混疑土?xí)r鋼筋的位置：澆筑混凝土?xí)r，深度過(guò)大(超過(guò)300mm)，鋼筋底面的混凝土?xí)霈F(xiàn)沉淀收縮和離析泌水，氣泡逸出，使混凝土與水平放置的鋼筋之間產(chǎn)生強(qiáng)度較低的疏松空隙層，從而會(huì)削弱鋼筋與混凝土的粘結(jié)作用。

另外，鋼筋表面形狀對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度也有影響，變形鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度大于光圓鋼筋。

2.2.5 鋼筋的錨固與搭接

1. 保證粘結(jié)的構(gòu)造措施

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》采用不進(jìn)行粘結(jié)計(jì)算，用構(gòu)造措施來(lái)保證混凝土與鋼筋粘結(jié)。保證粘結(jié)的構(gòu)造措施有如下幾個(gè)方面：

(1) 保證最小搭接長(zhǎng)度和錨固長(zhǎng)度;

(2) 滿足鋼筋最小間距和混凝土保護(hù)層最小厚度的要求;

(3) 鋼筋的搭接接頭范圍內(nèi)應(yīng)加密箍筋;

(4) 鋼筋端部應(yīng)設(shè)置彎鉤。

(5) 在澆注大深度混凝土構(gòu)件時(shí)，應(yīng)分層澆注或二次澆搗。

(6) 一般除重銹鋼筋外，可不必除銹。

2.基本錨固長(zhǎng)度

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定縱向受拉鋼筋的錨固長(zhǎng)度作為鋼筋的基本錨固長(zhǎng)度La ，它與鋼筋強(qiáng)度、混凝土抗拉強(qiáng)度、鋼筋直徑及外形有關(guān)，可按式(5-27)計(jì)算:

La = α(fy/ft)d

式中 La —— 受拉鋼筋的錨固長(zhǎng)度;

fy —— 鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;

ft —— 混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)高于C40時(shí)，按C40取值;

d —— 鋼筋的公稱直徑;

α—— 錨固鋼筋的外形系數(shù)，詳見(jiàn)表5-1

鋼筋的錨固可采用機(jī)械錨固的形式，主要有彎鉤、貼焊鋼筋及焊錨板等。采用機(jī)械錨固可以減少錨固長(zhǎng)度。錨固長(zhǎng)度修正系數(shù)(折減系數(shù))為0.7。

3. 鋼筋的搭接

鋼筋長(zhǎng)度不夠時(shí)，或需要采用施工縫或后澆帶等構(gòu)造措施時(shí)，鋼筋就需要搭接。搭接是指將兩根鋼筋的端頭在一定長(zhǎng)度內(nèi)并放，并采用適當(dāng)?shù)倪B接將一根鋼筋的力傳給另一根鋼筋。

(1) 鋼筋搭接的原則: ①接頭應(yīng)設(shè)置在受力較小處;②同一根鋼筋上應(yīng)盡量少設(shè)接頭;③機(jī)械連接接頭能產(chǎn)生較牢固的連接力，所以應(yīng)優(yōu)先采用機(jī)械連接。

(2) 搭接長(zhǎng)度

受拉鋼筋綁扎搭接接頭的搭接長(zhǎng)度按下式計(jì)算：

L1=ζLa (2-23)

式中，ζ為受拉鋼筋搭接長(zhǎng)度修正系數(shù)，它與同一連接區(qū)段內(nèi)搭接鋼筋的截面面積有關(guān)，詳見(jiàn)表5-3。

對(duì)于受壓鋼筋的搭接接頭及焊接骨架的搭接，也應(yīng)滿足相應(yīng)的構(gòu)造要求，以

保證力的傳遞。