钢筋及混凝土的粘结.ppt

钢筋与混凝土的粘结 主讲人 李俊南河南大学土木建筑学院 主讲内容 6 1粘结力的作用和组成6 2试验方法和粘结机理6 3影响因素6 4粘结应力 滑移本构模型 定义 钢筋与混凝土的粘结是指钢筋与其周围混凝土之间的相互作用 主要包括沿钢筋长度的粘结和钢筋端部的锚 m o 固两种情况 钢筋与混凝土的粘结是钢筋和混凝土形成整体 共同工作的基础 6 1粘结力的作用和组成 6 1 1作用和分类钢筋和混凝土构成一种组合结构材料的基本条件是 两者之间有可靠的粘结和锚固 三种钢筋的粘结和锚固状态 无粘结 无锚具 梁在很小的荷载作用下就会发生脆性折断 钢筋并不受力 与素混凝土无异 图6 1a 无粘结 端部设锚具 梁在荷载作用下钢筋应力沿全长相等 承载力有很大提高 但是受力如二铰拱 非 梁 的应力状态 图6 1b 沿全长和端部粘结可靠 梁在荷载作用下钢筋应力随截面弯矩而变化 符合 梁 的基本受力特点 图6 1c 图6 1钢筋的粘结和锚固状态 a 无粘结 无锚具 b 无粘结 端部设锚具 c 沿全长和端部粘结可靠 d 平衡条件 分析梁内钢筋的平衡条件 任何一段钢筋两端的应力差 都由其表面的纵向剪应力所平衡 图6 1d 此剪应力即为周围混凝土所提供的粘结应力 钢筋对周围混凝土的纵向剪应力 即反向粘结应力 必与相应的混凝土段上的纵向应力相平衡 根据混凝土构件中钢筋受力状态的不同 粘结应力状态分作两类问题 1 钢筋端部的锚固粘结如简支梁支座处的钢筋端部 梁跨间的主筋搭接或切断 悬臂梁和梁柱节点受拉主筋的外伸段等 下图示 上述情况下 钢筋的端头应力为零 在经过不长的粘结距离 锚固长度 后 钢筋的应力达到其设计强度 软钢的屈服强度fy 故钢筋的应力差大 s fy 粘结应力值高 且分布变化大 如果钢筋因锚固能力不足而发生滑动 不仅其强度不能充分利用 s fy 而且将导致构件的开裂和承载力下降 甚至提前失效 这称为粘结破坏 属于严重的脆性破坏 注 按照相应规范设计 满足钢筋的锚固长度 避免发生粘结破坏 2 裂缝间粘结受拉构件或梁受拉区的混凝土开裂后 裂缝截面上的混凝土退出工作 使钢筋拉应力增大 但缝间截面上混凝土仍承受一定拉力 钢筋的应力偏小 钢筋应力沿纵向发生变化 其表面必有相应的粘结应力分布 下图示 这种情况下 虽然裂缝段钢筋的应力差小 但平均应力 变 值高 粘结应力的存在 使混凝土内钢筋的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 称为受拉刚化效应 6 1 2组成钢筋和混凝土之间的粘结力或者抗滑移力 由三部分组成 混凝土中的水泥凝胶体在钢筋表面产生的化学粘着力或吸附力 其抗剪极限值 粘 取决于水泥的性质和钢筋表面的粗糙程度 当钢筋受力后有较大变形 发生局部滑移后 粘着力随之丧失 周围混凝土对钢筋的摩阻力 在混凝土的粘着力破坏后发挥作用 它取决于混凝土发生收缩或者荷载和反力等对钢筋的径向压应力 以及二者之间的摩擦系数等 钢筋表面粗糙不平 或变形钢筋凸肋和混凝土之间的机械咬合作用 即混凝土对钢筋表面斜向压力的纵向分力 其极限值受混凝土的抗剪强度控制 其实 粘结力的三部分都与钢筋表面的粗糙程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 的加卸等各部分粘结作用也有变化 6 2试验方法和粘结机理 6 2 1试验方法结构中钢筋粘结部位的受力状态复杂多变 很难准确模拟 现有两类钢筋拔出试验方法 采用不同形状和受力状态的试件 1 拉式试验试件一般为棱柱形 钢筋埋设在其中心 水平方向浇筑混凝土 试验时 试件的一端支承在带孔的垫板上 试验机夹持外露钢筋端施加拉力 图6 4 直至钢筋被拔出或者屈服 上述试件的加载端混凝土受到局部挤压 与结构中钢筋端部附近的应力状态差别大 影响试验结果的真实性 后来改为试件加载端的局部钢筋与周围混凝土脱空的试件 但是对螺纹钢筋采用这种方法时 试件常因纵向劈裂而破坏 在试件内设置螺旋状箍筋 才可能得到变形钢筋被拔出的结果 至今各国对这类试验的标准试件的规定尚不统一 2 梁式试验为了更好地模拟钢筋在梁端的粘结锚固状况 可采用梁式试件 梁式试件 图6 5 分两半制作 钢筋在加载端和支座端各有一段无粘结区 中间的粘结长度为10d 梁跨中的拉区为试验钢筋 压区用铰相连 力臂明确 以便根据试验荷载准确地计算钢筋拉力 为了量测粘结应力 沿钢筋埋长的分布 又不破坏其粘结状态 必须在钢筋内部布置电阻应变片 图6 6 b 首先将钢筋经机加工成两半 内部铣 x 出一浅槽 贴上电阻片 连接线从钢筋一端引出 槽内作防水处理后 两半钢筋合拢 并在贴片区外点焊成一整体 然后浇筑拔出试件的混凝土 试验后按相邻电测点的钢筋应力差计算相应的粘结应力 式6 1 并得粘结应力的分布 光圆钢筋和变形钢筋与混凝土的极限粘结强度相差悬殊 而且粘结机理 钢筋滑移和试件破坏形态也多有不同 分述如下 6 2 2光圆钢筋在光圆钢筋的拔出试验中 量测到的拉力 N 或平均粘结应力 与钢筋两端的滑移曲线 Sl和Sf 如图6 7 a 所示 钢筋应力 s 沿其埋长分布和据以计算的粘结应力 分布 以及钢筋滑移的分布等随荷载 拉力 增长的变化如图6 7 b 当试件开始受力后 加载端 L 的粘着力很快被破坏 即可测得加载端钢筋和混凝土的相对滑移 Sl 此时钢筋只有靠近加载端的一部分受力 s 0 粘结应力分布也限于这一区段 从粘结应力 的峰点至加载端之间的钢筋段都发生相对滑移 其余部分仍为无滑移的粘结区 随着荷载的增大 钢筋的受力段逐渐加长 粘结应力 分布的峰点向自由端 F 漂移 滑移段随之扩大 加载端的滑移 Sf 加快发展 当荷载增大后 钢筋的受力段和滑移段继续扩展 加载端滑移明显增长 但自由端仍无滑移 当加载到极限强度的大约80 时 钢筋的自由端开始滑移 加载段的滑移发展更为迅速 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 当自由端的滑移为0 1 0 2mm时 试件的荷载达最大值 即得钢筋的极限粘结强度 u 此后 钢筋的滑移急速增大 拉拔力由钢筋表面的摩阻力和残存咬合力承担 周围混凝土受碾磨而破碎 阻抗力减小 形成曲线的下降段 最终 钢筋从混凝土中被徐徐拔出 表面上带有少量磨碎的混凝土粉碴 上述钢筋拔出过程是指埋入长度较短的试件 如果钢筋的埋入长度大 当施加的拉力使钢筋的加载端发生屈服 Nu Asfy 而钢筋不被拔出时 所需的最小埋长称为锚固长度la 这是保证钢筋充分发挥强度所必须的 根据平衡条件建立的计算式为 6 2 3变形钢筋变形钢筋拔出试验中量测的粘结应力 滑移典型曲线如下图6 8 a 示 钢筋应力 s 粘结应力 和滑移S沿钢筋埋长的分布随荷载的变化过程如图6 8 b 试件内部裂缝的发展过程示意如图6 9 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 图6 9 a 大大地提高了机械咬合力 改变了粘结受力机理 有利于钢筋在混凝土中的粘结锚固性能 一个不配置横向钢筋的拔出试件 开始受力后钢筋的加载端局部就因为应力集中而破坏了与混凝土的粘着力 发生滑移 Sl 当荷载增大到极限粘结力的大约30 时 钢筋自由端的粘着力也被破坏 开始出现滑移 Sf 加载端的滑移加快增长 和光圆钢筋相比 变形钢筋自由端滑移时的应力值接近 但比值大大减小 钢筋的受力段和滑移段的长度也较早地遍及钢筋的全埋长 当平均粘结应力达极限粘结应力的0 4 0 5时 即曲线上的A点 钢筋靠近加载端横肋的背面发生粘结力破坏 出现拉脱裂缝 图6 9 a 随即 此裂缝向后 拉力的反方向 延伸 形成表面纵向滑移裂缝 荷载稍有增大 肋顶混凝土受钢筋肋部的挤压 使裂缝 向前延伸 并转为斜裂缝 试件内部形成一圆锥形裂缝面 随着荷载继续增加 钢筋肋部的裂缝 不断加宽 并且从加载端往自由端依次地在各肋部发生 滑移 Sl和Sf 的发展加快 曲线的斜率渐减 和光圆钢筋相比 变形钢筋的应力 s沿埋长的变化率较小 故粘结应力分布比较均匀 这些裂缝形成后 试件的拉力主要依靠钢筋表面的摩阻力和肋部的挤压力传递 肋前压应力的增大 使混凝土局部挤压 形成肋前破碎区 钢筋肋部对周围混凝土的挤压力 其横向分力在混凝土中产生环向应力 图6 9 b 当此拉应力超过混凝土的极限强度时 试件内形成径向 纵向裂缝 这种裂缝由钢筋表面沿径向往试件外表发展 同时由加载端往自由端延伸 此后 裂缝沿纵向往自由端延伸 并发出劈裂声响 钢筋的滑移急剧增长 荷载增加不多即达峰点 很快转入下降段 不久试件被劈成2块或3块 图6 9 c 混凝土劈裂面上留有钢筋的肋印 而钢筋的表面在肋前区附着混凝土的破碎粉末 试件配设了横向螺旋筋或者钢筋的保护层很厚 c d 5 时 粘结力 滑移曲线如图6 10 当荷载较小时 横向筋的作用很小 S曲线与前述试件无区别 在试件混凝土出现裂缝后 横向筋约束了裂缝的开展 提高了抗阻力 S曲线斜率稍高 当荷载接近极限值时 钢筋肋对周围混凝土挤压力的径向分力也将产生径向 纵向裂缝 但开裂时的应力和相应的滑移量都有很大提高 径向 纵向裂缝 出现后 横向筋的应力剧增 限制此裂缝的扩展 试件不会被劈开 抗拔力可继续增大 钢筋滑移的大量增加 使肋前的混凝土破碎区不断扩大 而且沿钢筋埋长的各肋前区依次破碎和扩展 肋前挤压力的减小形成了 S曲线的下降段 最终 钢筋横肋间的混凝土咬合齿被剪断 钢筋连带肋间充满着的混凝土碎末一起缓缓地被拔出 R点 此时 沿钢筋肋外皮的圆柱面上有摩擦力 试件仍保有一定的残余抗拔力 这类试件的极限粘结强度远大于光圆钢筋的相应值 钢筋拔出试验的粘结力 滑移全曲线上可确定4个特征点 内裂点 A SA 劈裂点 cr Scr 极限点 u Su 和残余点 r Sr 并以此划分受力阶段和建立 S本构模型 温故而知新 光圆钢筋与变形钢筋的粘结机理不同 主要差别是 光圆钢筋的粘结力主要来自胶结力和摩阻力 而变形钢筋的粘结力主要来自机械咬合作用 这种差别可用类似于钉入木料中的普通钉和拧入木料中的螺丝钉的差别来理解 钢筋和混凝土的粘结性能及其各项特征值 受到许多因素的影响而变化 1 混凝土强度 fcu或ft 当提高混凝土的强度时 它和钢筋的化学粘着力 粘和机械咬合力随之增加 但对摩阻抗滑力的影响不大 同时 混凝土抗拉 裂 强度ft的增大 延迟了拔出试件的内裂和劈裂应力 提高了极限粘结强度和粘结刚度 图6 11 试验结果表明 钢筋的极限粘结强度 u约与混凝土的抗拉强度ft成正比 图6 11 b 其它的粘结应力特征值 A cr r 也与混凝土的抗拉强度成正比 图6 12 6 3影响因素 2 保护层厚度 c 钢筋的混凝土保护层厚度指钢筋外皮至构件表面的最小距离 c mm 增大保护层厚度 加强了外围混凝土的抗劈裂能力 显然能提高试件的劈裂应力 cr 和极限粘结强度 u 图6 13 但是 当混凝土保护层的厚度c 5 6 d后 试件不再发生劈裂破坏 而是钢筋沿横肋外围切断混凝土而拔出 故粘结强度 u不再增大 构件截面上的钢筋多于一根时 钢筋的粘结破坏形态还与钢筋间的净距s有关 6 15 6 16 可能是保护层劈裂 当s 2c 或者沿钢筋连线劈裂 当s 2c 见图6 14 3 钢筋埋长 l 试件中钢筋埋得越深 则受力后的粘结应力分布越不均匀 试件破坏时的平均粘结强度 u与实际最大粘结应力 max的比值越小 故试验粘结强度随埋长 l d 的增加而降低 图6 15 当钢筋的埋长l d 5后 平均粘结强度值的折减已不大 埋长很大的试件 钢筋加载端达到屈服而不被拔出 故一般取钢筋埋长l d 5的试验结果作为粘结强度的标准值 4 钢筋的直径和外形钢筋的粘结面积与截面周界长度成正比 而拉力与截面积成正比 二者之比值 4 d 反映钢筋的相对粘结面积 直径越大的钢筋 相对粘结面积减小 不利于极限粘结强度 试验给出的结果是 直径d 25mm的钢筋 粘结强度 u变化不大 直径d 32mm的钢筋 粘结强度可能降低13 特征滑移值 Scr Su Sr 则随直径 d 12 32mm 而增大的趋势明显 变形钢筋表面上横肋的形状和尺寸多有不同 前述 我国常用的螺纹和月牙纹钢筋的粘结 滑移曲线对比于图6 16 可见月牙纹钢筋的极限粘结强度比螺纹钢筋约低10 15 且较早发生滑移 滑移量也大 但下降段平缓 后期强度下降较慢 延性好些 原因是月牙纹钢筋的肋间混凝土齿较厚 抗剪性强 此外 月牙纹的肋高沿圆周变化 径向挤压力不均匀 粘结破坏时的劈裂缝有明显的方向性 即顺纵肋的连线 至于肋的外形几何参数 如肋高 肋宽 肋距 肋斜角等都对混凝土的咬合力有一定影响 试验结果表明 肋的外形变化对钢筋的极限粘结强度值的差别并不大 对滑移值的影响稍大 5 横向箍筋 sv 拔出试件内配设横向箍筋 能延迟和约束径向 纵向劈裂缝的开展 阻止劈裂破坏 提高极限粘结强度和增大特征滑移值 而且 S曲线下降段平缓 粘结延性好 6 横向压应力 q 结构构件中的钢筋锚固端常承受横向压力的作用 例如支座处的反力 梁柱节点处的柱上轴压力等 横向压应力作用在钢筋锚固端 增大了钢筋和混凝土界面的摩阻力 有利于粘结锚固 有横向压应力 q const 作用的钢筋粘结 滑移曲线如下图6 18示 可见粘结强度和相应的滑移量都随压应力有较大程度的提高 但是 也有试验证明 当横向压应力过大 如q 0 5fc 时 将提前产生沿压应力作用平面方向的劈裂缝 反而降低粘结强度 7 其它因素凡是对混凝土的质量和强度有影响的各种因素 例如混凝土制作过程中的坍落度 浇捣质量 养护条件 各种扰动等 又如钢筋在构件中的方向是垂直 如梁 或平行 如柱 于混凝土的浇注方向 钢筋在截面的顶部或底部 钢筋离构件表面的距离等 都对钢筋和混凝土的粘结性能产生一定影响 还需补充说明 前述的钢筋和混凝土的粘结性能分析都是基于钢筋拉拔试验的结果 受压钢筋的粘结锚固性能一般比受拉钢筋有利 需要进行压推试验加以研究 钢筋受压后横向膨胀 被周围混凝土所约束 提高了摩阻抗滑力 粘结强度偏高 另一方面 如果钢筋除了承受拉力之外 还有横向力的作用时 可能将钢筋从混凝土中撕脱 大大降低钢筋的粘结锚固强度 甚至造成构件的提前破坏