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混凝土结构基本原理 ConcreteStructureBasicTheory 东北电力大学建筑工程学院秦力 1 第2章混凝土结构材料的物理力学性能 2 1混凝土的物理力学性能 2 2钢筋的物理力学性能 2 3混凝土与钢筋的粘结 2 学习目标 1 理解混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能 2 掌握混凝土的基本强度指标和混凝土的选用原则 3 了解土木工程所用钢筋的品种 级别及其性能 4 掌握钢筋的强度及变形指标 5 掌握土木工程对钢筋性能的要求及选用原则 6 了解钢筋与混凝土的共同工作原理 理解保证钢筋与混凝土之间协同工作的构造措施 3 混凝土 由水泥 骨料和水按一定比例拌合 经过硬化后形成的人工合成材料 其为一多相复合材料 其质量的好坏与材料 施工配合比 施工工艺 龄期 环境等诸多因素有关 特点 非弹性 非线性 非匀质材料 较大离散性 通常将其组成结构分为 宏观结构 两组分体系 砂浆和粗骨料 亚微观结构 水泥砂浆结构 微观结构 水泥石结构 2 1混凝土的物理力学性能2 1 1混凝土的组成结构 4 宏观结构 亚微观结构 微观结构 带核凝胶体 干缩 孔隙 凝胶体 混凝土组成结构 5 晶体骨架 由未水化颗粒组成 承受外力 具有弹性变形特点 塑性变形 在外力作用下由凝胶 孔隙 微裂缝产生 破坏起源 孔隙 微裂缝等原因造成 PH值 由于水泥石中的氢氧化钙存在 混凝土偏碱性 由于水泥凝胶体的硬化过程需要若干年才能完成 所以 混凝土的强度 变形也会在较长时间内发生变化 强度逐渐增长 变形逐渐加大 6 2 1 2单轴应力状态下的混凝土强度1 混凝土强度等级混凝土结构中 主要是利用它的抗压强度 因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标 混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的混凝土强度等级 边长150mm立方体标准试件 在标准条件下 20 3 90 湿度 养护28天 用标准试验方法 加载速度0 15 0 3N mm2 sec 两端不涂润滑剂 测得的具有95 保证率的立方体抗压强度 用符号C表示 C30表示fcu k 30N mm2 规范 根据强度范围 从C15 C80共划分为14个强度等级 级差为5N mm2 与原 规范GBJ10 89 相比 混凝土强度等级范围由C60提高到C80 C50以上为高强混凝土 有关指标和计算公式在C50与原 规范GBJ10 89 衔接 7 我国规范的方法 不涂润滑剂 试验机通过钢垫板对试件施加压力 由于垫板的刚度有限 以及试件内部和表层的受力状态和材料性能有差别 致使试件承压面上的竖向压应力分布不均匀 同时 钢垫板和试件混凝土的弹性模量和泊松比值不等 在相同应力作用下的横向应变不等 故垫板约束了试件的横向变形 在试件的承压面上作用着水平摩擦力 8 试验录像 9 100mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系 小于C50的混凝土 修正系数m 0 95 随混凝土强度的提高 修正系数m值有所降低 当fcu100 100N mm2时 换算系数m约为0 9 美国 日本 加拿大等国家 采用圆柱体 直径150mm 高300mm 标准试件测定的抗压强度来划分强度等级 符号记为fc 圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度的换算关系为 立方体和圆柱体抗压试验都不能代表混凝土在实际构件中的受力状态 只是用来在同一标准条件下比较混凝土强度水平和品质的标准 制作 测试方便 10 2 轴心抗压强度 轴心抗压强度采用棱柱体试件测定 用符号fc表示 它比较接近实际构件中混凝土的受压情况 棱柱体试件高宽比一般为h b 2 3 我国取150mm 150mm 300mm的标准试件 试件上下表面不涂润滑剂 对于同一混凝土 棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度 棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为 规范 对小于等于C50的混凝土取 c1 0 76 对C80取 c1 0 82 其间按线性插值 对小于等于C40的混凝土取 c2 1 00 对C80取 c2 0 87 其间按线性插值 11 试验录像 12 3 轴心抗拉强度 也是其基本力学性能 用符号ft表示 混凝土构件开裂 裂缝 变形 以及受剪 受扭 受冲切等的承载力均与抗拉强度有关 13 试验录像 14 由于轴心受拉试验对中困难 也常常采用立方体或圆柱体劈拉试验测定混凝土的抗拉强度 15 4 混凝土强度的标准值 规范 规定材料强度的标准值fk应具有不小于95 的保证率 立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcuk 规范 在确定混凝土轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准值时 假定它们的变异系数与立方体强度的变异系数相同 利用与立方体强度平均值的换算关系 便可按上式计算得到 同时 规范 考虑到试件与实际结构的差异以及高强混凝土的脆性特征 对轴心抗压强度和轴心抗拉强度 还采用了以下两个折减系数 结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值 取0 88 脆性折减系数 对C40取1 0 对C80取0 87 中间按线性规律变化 16 例 fcu 30MPa d 0 12 fcu m fcu 1 1 645d fc m 0 76fcu mfc k fc m 1 1 645d 0 88 1 0 0 76fcu 0 88 1 0 20 06MPa 17 5 混凝土破坏机理 fc fcu 不涂润滑剂 18 A点以前 微裂缝没有明显发展 混凝土的变形主要弹性变形 应力 应变关系近似直线 A点应力随混凝土强度的提高而增加 对普通强度混凝土sA约为 0 3 0 4 fc 对高强混凝土sA可达 0 5 0 7 fc A点以后 由于微裂缝处的应力集中 裂缝开始有所延伸发展 产生部分塑性变形 应变增长开始加快 应力 应变曲线逐渐偏离直线 微裂缝的发展导致混凝土的横向变形增加 但该阶段微裂缝的发展是稳定的 混凝土在结硬过程中 由于水泥石的收缩 骨料下沉以及温度变化等原因 在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂缝 成为混凝土中的薄弱部位 混凝土的最终破坏就是由于这些微裂缝的发展造成的 达到B点 内部一些微裂缝相互连通 裂缝发展已不稳定 横向变形突然增大 体积应变开始由压缩转为增加 在此应力的长期作用下 裂缝会持续发展最终导致破坏 取B点的应力作为混凝土的长期抗压强度 普通强度混凝土sB约为0 8fc 高强强度混凝土sB可达0 95fc以上 达到C点fc 内部微裂缝连通形成破坏面 应变增长速度明显加快 C点的纵向应变值称为峰值应变e0 约为0 002 纵向应变发展达到D点 内部裂缝在试件表面出现第一条可见平行于受力方向的纵向裂缝 随应变增长 试件上相继出现多条不连续的纵向裂缝 横向变形急剧发展 承载力明显下降 混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破 裂缝连通形成斜向破坏面 E点的应变e 2 3 e0 应力s 0 4 0 6 fc 19 20 由上述混凝土的破坏机理可知 微裂缝的发展导致横向变形的增大 对横向变形加以约束 就可以限制微裂缝的发展 从而可提高混凝土的抗压强度 立方体试件受约束范围大 而棱柱体试件中部未受约束 因此造成了不同受压试件强度的差别和破坏形态的不同 混凝土局部受压强度fcl比轴心抗压强度fc大很多 也是因为局部受压面积以外的混凝土对局部受压区域内部混凝土微裂缝产生了较强的约束 21 了解混凝土的破坏机理 不仅可以解释各种不同试验混凝土强度的差别 还可以通过约束混凝土的横向变形来提高混凝土的抗压强度 如图采用配置螺旋箍筋形成所谓 约束混凝土 可显著提高混凝土的抗压强度 并且可以提高混凝土变形能力 由螺旋箍筋约束混凝土的应力 应变曲线可见 当应力较小时 横向变形很小 箍筋的约束作用不明显 当应力超过B点的应力时 由于混凝土的横向变形开始显著增大 侧向膨胀使螺旋箍筋产生环向拉应力 其反作用力使混凝土的横向变形受到约束 从而使混凝土的强度和变形能力都得到提高 约束混凝土 的概念在工程中许多地方都有应用 如螺旋箍筋柱 后张法预应力锚具下局部受压区域配置的钢筋网或螺旋筋等 而钢管混凝土对内部混凝土的约束效果更好 因此近年来在我国工程中得到许多应用 约束混凝土可以提高混凝土的强度 但更值得注意的是可以提高混凝土的变形能力 这一点对于抗震结构非常重要 在抗震结构对于可能出现塑性铰的区域 均要求加密箍筋配置来提高构件的变形能力 达到坏而不倒的目的 22 2 1 3混凝土的变形1 单轴 单调 受压应力 应变关系Stress strainRelationship 混凝土单轴受力时的应力 应变关系反映了混凝土受力全过程的重要力学特征是分析混凝土构件应力 建立承载力和变形计算理论的必要依据 也是利用计算机进行非线性分析的基础 混凝土单轴受压应力 应变关系曲线 常采用棱柱体试件来测定 在普通试验机上采用等应力速度加载 达到轴心抗压强度fc时 试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能 会导致试件产生突然脆性破坏 只能测得应力 应变曲线的上升段 采用等应变速度加载 或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压 以吸收试验机内集聚的应变能 可以测得应力 应变曲线的下降段 23 24 试验录像 25 强度等级越高 线弹性段越长 峰值应变也有所增大 但高强混凝土中 砂浆与骨料的粘结很强 密实性好 微裂缝很少 最后的破坏往往是骨料破坏 破坏时脆性越显著 下降段越陡 26 反映混凝土全部受压力学性能 可采用混凝土应力 应变全曲线的形式 若采用无量纲坐标x e e0 y s fc 则混凝土应力 应变全曲线的几何特征必须满足 27 根据以上条件 过镇海提出的应力 应变全曲线表达式 a Ec E0 Ec为初始弹性模量 E0为峰值点时的割线模量 为满足条件 和 一般应有1 5 a 3 ac为下降段参数 28 Hognestad建议的应力 应变曲线 29 规范 应力 应变关系 上升段 下降段 30 2 混凝土的弹性模量ElasticModulus 原点切线模量ElasticModulus 割线模量SecantModulus 切线模量TangentModulus 弹性系数n coefficientofelasticity 随应力增大而减小n 1 0 5 31 弹性模量测定方法 32 3 箍筋约束混凝土受压的应力 应变关系 螺旋箍筋约束对强度和变形能力均有很大提高 矩形箍筋约束对强度的提高不是很显著 但对变形能力有显著改善 ConfinementwithTransverseReinforcement 33 箍筋与内部混凝土的体积比 箍筋的屈服强度 箍筋间距与核心截面直径或边长的比值 箍筋直径与肢距的比值 混凝土强度 对高强混凝土的约束效果差一些 影响因素 34 R Park建议的矩形封闭箍筋约束混凝土的应力 应变曲线 35 4 混凝土受拉应力 应变关系 36 纤维混凝土 37 38 39 2 1 4复杂应力下混凝土的受力性能 双轴应力状态BiaxialStressState 实际结构中 混凝土很少处于单向受力状态 更多的是处于双向或三向受力状态 如剪力和扭矩作用下的构件 弯剪扭和压弯剪扭构件 混凝土拱坝 核电站安全壳等 双向受压强度大于单向受压强度 最大受压强度发生在两个压应力之比为0 3 0 6之间 约为 1 25 1 60 fc 双轴受压状态下混凝土的应力 应变关系与单轴受压曲线相似 但峰值应变均超过单轴受压时的峰值应变 40 在一轴受压一轴受拉状态下 任意应力比情况下均不超过其相应单轴强度 并且抗压强度或抗拉强度均随另一方向拉应力或压应力的增加而减小 2 1 4复杂应力下混凝土的受力性能 双轴应力状态BiaxialStressState 实际结构中 混凝土很少处于单向受力状态 更多的是处于双向或三向受力状态 如剪力和扭矩作用下的构件 弯剪扭和压弯剪扭构件 混凝土拱坝 核电站安全壳等 41 试验录像 42 构件受剪或受扭时常遇到剪应力t和正应力s共同作用下的复合受力情况 混凝土的抗剪强度 随拉应力增大而减小随压应力增大而增大当压应力在0 6fc左右时 抗剪强度达到最大 压应力继续增大 则由于内裂缝发展明显 抗剪强度将随压应力的增大而减小 43 三轴应力状态TriaxialStressState 三轴应力状态有多种组合 实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态 三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行 44 局部抗压强度LocalBearingStrength 45 2 1 5混凝土的收缩和徐变ShrinkageandCreep1 混凝土的收缩Shrinkage混凝土在空气中硬化时体积会缩小 这种现象称为混凝土的收缩 收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形 当这种自发的变形受到外部 支座 或内部 钢筋 的约束时 将使混凝土中产生拉应力 甚至引起混凝土的开裂 混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失 某些对跨度比较敏感的超静定结构 如拱结构 收缩也会引起不利的内力 46 墙板干燥收缩裂缝与边框架的变形 47 混凝土的收缩是随时间而增长的变形 早期收缩变形发展较快 两周可完成全部收缩的25 一个月可完成50 以后变形发展逐渐减慢 整个收缩过程可延续两年以上 一般情况下 最终收缩应变值约为 2 5 10 4混凝土开裂应变为 0 5 2 7 10 4 48 影响因素混凝土的收缩受结构周围的温度 湿度 构件断面形状及尺寸 配合比 骨料性质 水泥性质 混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关 水泥用量多 水灰比越大 收缩越大 骨料弹性模量高 级配好 收缩就小 干燥失水及高温环境 收缩大 小尺寸构件收缩大 大尺寸构件收缩小 高强混凝土收缩大 影响收缩的因素多且复杂 要精确计算尚有一定的困难 在实际工程中 要采取一定措施减小收缩应力的不利影响 施工缝 49 2 混凝土的徐变Creep混凝土在荷载的长期作用下 其变形随时间而不断增长的现象称为徐变 徐变会使结构 构件 的 挠度 变形增大 引起预应力损失 在长期高应力作用下 甚至会导致破坏 不过 徐变有利于结构构件产生内 应 力重分布 降低结构的受力 如支座不均匀沉降 减小大体积混凝土内的温度应力 受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现 与混凝土的收缩一样 徐变也与时间有关 因此 在测定混凝土的徐变时 应同批浇筑同样尺寸不受荷的试件 在同样环境下同时量测混凝土的收缩变形 从徐变试件的变形中扣除对比的收缩试件的变形 才可得到徐变变形 50 在应力 0 5fc 作用瞬间 首先产生瞬时弹性应变eel si Ec t0 t0加荷时的龄期 随荷载作用时间的延续 变形不断增长 前4个月徐变增长较快 6个月可达最终徐变的 70 80 以后增长逐渐缓慢 2 3年后趋于稳定 51 记 t t0 时间后的总应变为ec t t0 此时混凝土的收缩应变为esh t t0 则徐变为 ecr t t0 ec t t0 ec t0 esh t t0 ec t t0 eel esh t t0 52 如在时间t卸载 则会产生瞬时弹性恢复应变eel 由于混凝土弹性模量随时间增大 故弹性恢复应变eel 小于加载时的瞬时弹性应变eel 再经过一段时间后 还有一部分应变eel 可以恢复 称为弹性后效或徐变恢复 但仍有不可恢复的残留永久应变ecr 53 徐变系数j t t0 CreepCoefficient 当初始应力小于0 5fc时 徐变在2年以后可趋于稳定 最终的徐变系数j 2 4 影响因素内在因素是混凝土的组成和配比 骨料 aggregate 的刚度 弹性模量 越大 体积比越大 徐变就越小 水灰比越小 徐变也越小 环境影响包括养护和使用条件 受荷前养护 curing 的温湿度越高 水泥水化作用越充分 徐变就越小 采用蒸汽养护可使徐变减少 20 35 受荷后构件所处的环境温度越高 相对湿度越小 徐变就越大 54 应力条件是指初应力 initialstress 水平si fc和加荷时混凝土的龄期t0 它们是影响徐变的非常主要的因素 当初始应力水平si fc 0 5时 徐变值与初应力基本上成正比 也即 最终 徐变系数j ecr eel Ececr si 常数 这种徐变称为线性徐变 当初应力si在 0 5 0 8 fc范围时 徐变最终虽仍收敛 但最终徐变与初应力si不成比例 也即徐变系数j随si的增大而增大 这种徐变称为非线性徐变 当初应力si 0 8fc时 混凝土内部微裂缝的发展已处于不稳定的状态 徐变的发展将不收敛 最终导致混凝土的破坏 因此将0 8fc作为混凝土的长期抗压强度 高强混凝土的密实性好 在相同的s fc比值下 徐变比普通混凝土小得多 但由于高强混凝土承受较高的应力值 初始变形较大 故两者总变形接近 此外 高强混凝土线性徐变的范围可达0 65fc 长期强度约为0 85fc 也比普通混凝土大一些 55 56 2019 12 29 57 58 3 混凝土的疲劳 重复荷载下的应力 应变曲线 fcf的确定原则 100 100 300或150 150 450的棱柱体试块承受200万次 或以上 循环荷载时发生破坏的最大压应力值 59 作业 1 混凝土立方体抗压强度 轴心抗压强度标准值 轴心抗拉强度标准值是如何确定的 它们之间的关系如何 2 混凝土的强度等级是如何确定的 我国 规范 规定的混凝土强度等级有哪些 3 混凝土轴心受压应力 应变曲线有何特点 试列出三种常用的数学模型 4 混凝土的变形模量和弹性模量如何确定 5 混凝土的收缩和徐变对构件有何影响 6 查阅相关文献或规范给出混凝土多轴强度计算图 60 按化学成分 碳素钢 铁 碳 硅 锰 硫 磷等元素 普通低合金钢 另加硅 锰 钛 钒 铬等 2 2钢筋的物理力学性能SteelReinforcement2 2 1钢筋的种类 61 钢筋 按加工方法 钢丝 62 63 热轧钢筋HotRolledSteelReinforcingBarHPB235级 HRB335级 HRB400级 RRB400级 HPB HRB RRB 屈服强度fyk 标准值 钢材废品限值 保证率97 73 HPB235级 fyk 235N mm2HRB335级 fyk 335N mm2HRB400级 RRB400级 fyk 400N mm2 64 HPB235级 级 钢筋多为光面钢筋 PlainBar 多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋 HRB335级 级 和HRB400级 级 钢筋强度较高 多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋 尺寸较大的构件 也有用 级钢筋作箍筋的 为增强与混凝土的粘结 Bond 外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋 DeformedBar RRB400级 级 钢筋强度太高 不适宜作为钢筋混凝土构件中的配筋 一般冷拉后作预应力筋 延伸率d5 25 16 14 10 直径8 40 65 钢丝 中强钢丝的强度为800 1200MPa 高强钢丝 钢绞线为1470 1860MPa 延伸率d10 6 d100 3 5 4 钢丝的直径3 9mm 外形有光面 刻痕和螺旋肋三种 另有二股 三股和七股钢绞线 外接圆直径9 5 15 2mm 中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构 冷加工钢筋是由热轧钢筋和盘条经冷拉 冷拔 冷轧 冷扭加工后而成 冷加工的目的是为了提高钢筋的强度 节约钢材 但经冷加工后 钢筋的延伸率降低 近年来 冷加工钢筋的品种很多 应根据专门规程使用 热处理钢筋是将 级钢筋通过加热 淬火和回火等调质工艺处理 使强度得到较大幅度的提高 而延伸率降低不多 用于预应力混凝土结构 66 2 2 2钢筋的强度与变形 有明显屈服点的钢筋Steelbarwithyieldpoint a 为比例极限proportionallimits Ese a为弹性极限elasticlimit de为强化段strainhardeningstage b为屈服上限upperyieldstrength c为屈服下限 即屈服强度fyloweryieldstrength cd为屈服台阶yieldplateau e为极限抗拉强度fuultimatetensilestrength 67 几个指标 屈服强度yieldstrength 是钢筋强度的设计依据 因为钢筋屈服后将产生很大的塑性变形 且卸载时这部分变形不可恢复 这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝 屈服上限与加载速度有关 不太稳定 一般取屈服下限作为屈服强度 延伸率elongationrate 钢筋拉断时的应变 是反映钢筋塑性性能的指标 延伸率大的钢筋 在拉断前有足够预兆 延性较好 屈强比反映钢筋的强度储备 fy fu 0 6 0 7 均匀延伸率dgt对应最大应力时应变 包括了残余应变和弹性应变 反映了钢筋真实的变形能力 2 5 68 无明显屈服点的钢筋Steelbarwithoutyieldpoint a点 比例极限 约为0 65fua点前 应力 应变关系为线弹性a点后 应力 应变关系为非线性 有一定塑性变形 且没有明显的屈服点强度设计指标 条件屈服点残余应变为0 2 所对应的应力 规范 取s0 2 0 85fu 69 钢筋的强度标准值 CharacteristicorStandardStrength 按冶金钢材质量控制标准 钢筋的强度标准值是取其出厂时的废品限值 其数值相当于fy m 3s 具有97 73 的保证率 满足 建筑结构设计统一标准 材料强度标准值保证率95 的要求 70 71 72 1 描述完全弹塑性的双直线模型 流幅较长 2 2 3钢筋的应力 应变关系曲线 2 描述完全弹塑性加硬化的三折线模型 流幅较短 3 描述弹塑性的双斜线模型 无明显流幅 73 2 2 4钢筋的疲劳 重复荷载作用下 钢筋的强度 静载作用下的强度 规定的应力幅度内 经一定次数的重复荷载后 发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度 对钢筋用疲劳应力幅来表示其疲劳强度 试验方法 单根钢筋的轴拉疲劳 我国 200万次 钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯 74 2 2 5混凝土结构对钢筋的要求 强度要求 屈服强度和极限强度 抗震设计时还要求有一定的屈强比 塑性要求 伸长率和冷弯要求 可焊性 与混凝土的粘结性 耐火性 75 2 3混凝土与钢筋的粘结2 3 1粘结的概念及作用 钢筋与混凝土间具有足够的粘结是保证钢筋与混凝土共同受力变形的基本前提 通过钢筋与混凝土界面的粘结应力 bondstress 可以实现钢筋与混凝土之间的应力传递 从而使两种材料可以结合在一起共同工作 粘结应力通常是指钢筋与混凝土界面间的剪应力 钢 混凝土组合梁 76 77 78 粘结的作用1 锚固粘结 79 2 裂缝间粘结 80 2 3 2粘结机理钢筋与混凝土的粘结作用由三部分组成 混凝土中水泥胶体与钢筋表面的胶结力 混凝土收缩握裹钢筋产生的钢筋与混凝土间的摩擦力 机械咬合力 当钢筋与混凝土产生相对滑动后 胶结作用即丧失 摩擦力的大小取决于握裹力和钢筋与混凝土表面的摩擦系数 81 对于光面钢筋 表面轻度锈蚀有利于增加摩擦力 但摩擦作用也很有限 由于光面钢筋表面的自然凹凸程度很小 机械咬合作用也不大 因此 光面钢筋与混凝土的粘结强度是较低的 为保证光面钢筋的锚固 通常需在钢筋端部弯钩 弯折或加焊短钢筋以阻止钢筋与混凝土间产生较大的相对滑动 82 将钢筋表面轧制出肋形成带肋钢筋 即变形钢筋 可显著增加钢筋与混凝土的机械咬合作用 从而大大增加了粘结强度 对于强度较高的钢筋 均需作成变形钢筋 以保证钢筋与混凝土间具有足够的粘结强度使钢筋的强度得以充分发挥 83 变形钢筋受力后 其凸出的肋对混凝土产生斜向挤压力 其水平分力使钢筋周围的混凝土轴向受拉 受剪 径向分力使混凝土产生环向拉力 轴向拉力和剪力使混凝土产生内部斜向锥形裂缝 环向拉力使混凝土产生内部径向裂缝 84 当混凝土保护层和钢筋间距较小时 径向裂缝可发展达到构件表面 产生劈裂裂缝 机械咬合作用将很快丧失 产生劈裂式粘结破坏 在钢筋周围配置横向钢筋 箍筋或螺旋钢筋 或增加混凝土的保护层厚度 c d 可提高粘结强度 85 2 3 3粘结强度BondStrength 拔出试验Pullouttest 粘结强度tu 粘结破坏 钢筋拔出或混凝土劈裂 时钢筋与混凝土界面上的最大平均粘结应力 86 影响粘结强度的主要因素Influencefactors混凝土强度 保护层厚度和钢筋净间距 横向配筋 钢筋表面和外形特征 受力情况及锚固长度 混凝土强度 光面钢筋和变形钢筋的粘结强度均随混凝土强度的提高而增加 但并不与立方体强度fcu成正比 而与抗拉强度ft成正比 保护层厚度和钢筋净间距 对于变形钢筋 粘结强度主要取决于劈裂破坏 因此相对保护层厚度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c d很大时 若锚固长度不够 则产生剪切 刮梨式 破坏 同理 钢筋净距s与钢筋直径d的比值s d越大 粘结强度也越高 87 混凝土强度 光面钢筋和变形钢筋的粘结强度均随混凝土强度的提高而增加 但并不与立方体强度fcu成正比 而与抗拉强度ft成正比 保护层厚度和钢筋净间距 对于变形钢筋 粘结强度主要取决于劈裂破坏 因此相对保护层厚度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c d很大时 若锚固长度不够 则产生剪切 刮梨式 破坏 同理 钢筋净距s与钢筋直径d的比值s d越大 粘结强度也越高 影响粘结强度的主要因素Influencefactors混凝土强度 保护层厚度和钢筋净间距 横向配筋 钢筋表面和外形特征 受力情况及锚固长度 88 横向配筋 横向钢筋的存在限制了径向裂缝的发展 使粘结强度得到提高 由于劈裂裂缝是顺钢筋方向产生的 其对钢筋锈蚀的影响比受弯垂直裂缝更大 将严重降低构件的耐久性 因此应保证不使径向裂缝到达构件表面形成劈裂裂缝 所以 保护层应具有一定的厚度 钢筋净距也应保证 配置横向钢筋可以阻止径向裂缝的发展 因此对于直径较大钢筋的锚固区和搭接长度范围 均应增加横向钢筋 当一排并列钢筋的数量较多时 也应考虑增加横向钢筋来控制劈裂裂缝的发生 89 90 钢筋表面和外形特征 光面钢筋表面凹凸较小 机械咬合作用小 粘结强度低 月牙肋和螺纹肋变形钢筋 前者肋的相对受力面积 挤压混凝土的面积与钢筋截面积的比值 较小 粘结强度比螺纹钢筋低一些 由于变形钢筋的外形参数不随直径成比例变化 对于直径较大的变形钢筋 肋的相对受力面积减小 粘结强度也有所减小 此外 当钢筋表面为防止锈蚀涂环氧树脂时 钢筋表面较为光滑 粘结强度也将有所降低 91 92 受力情况 在锚固范围内存在侧压力可提高粘结强度 剪力产生的斜裂缝则会使锚固钢筋受到销栓作用而降低粘结强度 受压钢筋由于直径增大会增加对混凝土的挤压 从而使摩擦作用增加 受反复荷载作用的钢筋 肋前后的混凝土均会被挤碎 导致咬合作用降低 93 锚固长度 拔出试验的锚固长度较短时 粘结应力在锚固长度范围分布比较均匀 平均粘结应力较高 测得的粘结强度较高 锚固长度较大时 则平均粘结强度较小 但总粘结力随锚固长度的增加而增大 当锚固长度增加达到一定值 钢筋受拉达到屈服 强度充分发挥 时未产生粘结破坏 该临界情况的锚固长度称为基本锚固长度la 94 95 2 3 4钢筋的锚固和搭接1 基本锚固长度 规范 是以拔出试验为基础确定基本锚固长度的 取粘结强度tu与混凝土抗拉强度ft成正比 并根据试验结果 取钢筋受拉时的基本锚固长度为 96 构件中钢筋的实际锚固长度应根据钢筋的受力情况 保护层厚度 钢筋形式等的影响 采用基本锚固长度la乘以以下修正系数 并不小于最小锚固长度 也不小于0 7la和250mm 当受拉钢筋采用并筋形式时 由于其表面积减小 计算其基本锚固长度时应采用并筋的等效直径de 双并筋de 1 4d 三并筋de 1 7d 当月牙肋钢筋锚固区混凝土保护层厚度大于2d时 锚固长度可乘以保护层修正系数 但对位于构件顶面混凝土中的水平钢筋 不进行保护层厚度修正 97 当月牙肋钢筋末端采用图示机械锚固措施时 锚固长度可乘以机械锚固修正系数0 7 受压钢筋的锚固长度不宜小于受拉钢筋锚固长度的0 7倍 当锚固钢筋在混凝土施工过程中易受扰动时 如滑模施工 锚固长度应乘以施工扰动系数1 1 除构造需要的锚固长度外 当受力钢筋的实际配筋面积大于其设计计算面积时 锚固长度可乘以设计计算面积与实际配筋面积比值的配筋余量修正系数 但不得小于最小锚固长度 承受动力荷载和按抗震设计的结构 不考虑配筋余量修正系数 98 锚固区箍筋要求 规范 规定在受力钢筋锚固长度范围内箍筋