钢筋锚固长度的影响因素分析

钢筋锚固长度的影响因素分析

经过几十年的不断调整和修订，中国的混凝土结构设计规范（gb50010-2010）形成了较为完善的体系。根据近年来系统试验研究及可靠度分析的结果并参考国外标准,中国的混凝土规范给出了确定钢筋锚固长度的方法。美国ACI318-08规范是国际上比较先进的规范,为世界上很多规范的编制和修订所参考。本文从影响钢筋锚固长度的因素和计算公式,对中美规范进行了对比和分析。1比较钢筋锚固长度的比较1.1混凝土强度及直径中国《混凝土结构设计规范》规定:当计算中充分利用钢筋的抗拉强度时,受拉钢筋的锚固长度应按式(1)、式(2)计算,且不应小于200mm:lab=αfyftd(1)la=ζalab(2)lab=αfyftd(1)la=ζalab(2)式中:lab、la分别为受拉钢筋的基本锚固长度和锚固长度;ζa为锚固长度修正系数,当多于1项时,可按连乘计算,但不应小于0.6;fy为普通钢筋的抗拉强度设计值;ft为混凝土轴心抗拉强度设计值,当混凝土强度等级高于C60时,按C60取值;d为锚固钢筋的直径;α为锚固钢筋的外形系数。美国ACI318-08规范规定:对于变形钢筋或钢丝,ld应按式(3)、式(4)计算,且不小于12in(305mm):ld=kfyf′c√db(3)k=(340)ψtψeψsλ(cb+Ktr)/db(4)ld=kfyf′cdb(3)k=(340)ψtψeψsλ(cb+Κtr)/db(4)式中:ld为变形钢筋或变形钢丝的锚固长度;fy为钢筋屈服强度设计值(Psi,1Psi≈6.9kPa);f′c为混凝土的抗压强度(Psi)‚fc′−−√(Ρsi)‚fc′不应超过100(Psi);db为钢筋、钢丝的标称直径(in,1in=25.4mm);cb为最薄处混凝土保护层的影响系数;Ktr为水平钢筋系数;ψt、ψe、ψs分别为钢筋位置、涂层和尺寸系数;λ为轻骨料混凝土系数。同时,美国规范还给出了简化公式:当锚固或连接钢筋或钢丝的净间距不小于db,混凝土保护层厚度不小于db,穿过ld的箍筋不小于规范最小值或者锚固或连接钢筋或钢丝的净间距不小于2db,当混凝土保护层厚度不小于db时:6号(19mm)及以下的钢筋或钢丝:ld=(fyψtψe25λf′c√)db(5)ld=(fyψtψe25λf′c)db(5)7号(22mm)及以上的钢筋或钢丝:ld=(fyψtψe20λf′c√)db(6)ld=(fyψtψe20λf′c)db(6)1.2影响节点长度的计算公式的修正系数的比较1.2.1锚固长度的确定中国《混凝土结构设计规范》规定:当带肋钢筋的公称直径大于25mm时,ζa取1.1;美国ACI318-08规范规定:对于6号及以下的钢筋和钢丝,Ψs=0.8,对于7号及以上的,Ψs=1.0。为了比较中国《混凝土结构设计规范》和美国ACI318-08规范的差别,使用美国规范的简化公式,在式(1)、式(2)、式(5)和式(6)中,取ψt、ψe、λ均为1.0,混凝土采用C45(ft=1.8MPa,f′c=fck=29.6MPa),钢筋采用HRB400(fy=360MPa,fyk=400MPa),其中1MPa=144.928Psi,1in=25.4mm,相同条件下的钢筋直径和混凝土强度对锚固长度的影响分别见图1和图2。由图1、图2分析可知:(1)中国《混凝土结构设计规范》和美国ACI318-08规范相比,美国规范规定的锚固长度最小值比中国规范的规定值大,而相同条件下受拉钢筋的锚固长度,总体上美国规范的计算值比中国规范的计算值大;而且随着钢筋直径的增大,锚固长度的差别也越来越大。(2)中国《混凝土结构设计规范》中,当混凝土强度等级高于C60时,锚固长度不再减小;美国ACI318-08规范中,混凝土的fc′−−√fc′超过100Psi(相当于C80)时,锚固长度不再减小。且混凝土强度越高,中美规范的计算结果越接近。1.2.2保护厚度大小对的钢筋和钢丝中国《混凝土结构设计规范》规定:环氧树脂涂层带肋钢筋ζa取1.25。美国ACI318-08规范规定:对于保护层厚度小于3d的具有环氧涂层的钢筋和钢丝,或者净间距少于6db,取Ψe=1.5;对于其他环氧涂层的钢筋和钢丝Ψe=1.2,没有环氧涂层的钢筋和钢丝,Ψe=1.0。且ΨtΨe≤1.7。1.2.3计算面积与实际配筋面积的比值中国《混凝土结构设计规范》规定:当纵向受力钢筋的实际配筋面积大于其设计计算面积时,修正系数取设计计算面积与实际配筋面积的比值,但对有抗震设防要求及直接承受动力荷载的结构构件,不应考虑此项修正;美国ACI318-08规范规定:除了锚固或发挥屈服强度fy的特别需要,或按规范21.1.1.6条规定外,当受弯构件中钢筋超过计算需要时,锚固长度的修正系数取设计计算面积与实际配筋面积的比值。1.2.4扰动钢筋锚固区支护中国《混凝土结构设计规范》规定:施工过程中易受扰动的钢筋,ζa取1.10;锚固区保护层厚度为3d时修正系数可取0.80,保护层厚度为5d时修正系数可取0.70。美国规范中没有类似的规定。1.2.5按厚度确定混凝土厚度美国ACI318-08规范规定:当水平钢筋使得锚固长度下新浇混凝土厚度大于12in时取Ψe=1.3,其他情况下取Ψe=1.0;当应用轻质混凝土时,λ不能超过0.75,当为普通混凝土时,λ=1.0。中国规范中没有类似的规定。2中美两国规范的锚固长度对比中国《混凝土结构设计规范》规定:混凝土结构中的纵向受压钢筋,当计算中充分利用钢筋的抗压强度时,锚固长度不应小于相应受拉锚固长度的70%;受压钢筋不应采用末端弯钩和一侧贴焊锚筋的锚固措施。美国ACI318-08规范规定:受压变形钢筋和钢丝的基本锚固长度ldc,可按式(7)、式(8)计算,且弯钩不能用来锚固受压钢筋。ldc=(0.02fy/λf′c−−−√)db(7)ldc=(0.0003fy)db(8)ldc=(0.02fy/λf′c)db(7)ldc=(0.0003fy)db(8)计算结果取式(7)、式(8)的较大值(其中常量0.0003的单位是in2/lb),且ldc不应小于8in(≈200mm)。与图(1)采用相同的假设和条件,混凝土采用C45,钢筋采用HRB400。美国规范式(7)、式(8)与式(5)、式(6)相比较,6号(19mm)及以下的钢筋或钢丝时,受压时基本锚固长度ldc是受拉时ld的0.5倍,7号(22mm)及以上的钢筋时或钢丝时,锚固长度ldc是ld的0.4倍。相同条件下钢筋直径对受压钢筋的锚固长度的影响见图3。由图3可以看出:(1)中国《混凝土结构设计规范》的计算公式是直接用受拉钢筋的计算公式乘以相应的系数,曲线斜率的突变是钢筋直径修正系数ζa的影响;而美国ACI318-08规范的计算公式没有考虑钢筋直径修正系数Ψe的影响。(2)美国ACI318-08规范规定的最小值比中国规范的大,而相同条件下受压钢筋的锚固长度,总体上中国规范的计算值比美国规范的计算值大;而且随着钢筋直径的增大,锚固长度的差别也越来越大。3锚固长度的确定中国《混凝土结构设计规范》规定:包括弯钩或锚固端头在内的锚固长度(投影长度)可取为基本锚固长度lab的60%。美国ACI318-08规范规定:带有标准弯钩的受拉变形钢筋的锚固长度ldh,应按式(9)计算基本锚固长度ldh,但ldh不应小于8db,也不应小于6in(≈150mm)。ldh=(0.02ψefy/λf′c−−−√)db(9)ldh=(0.02ψefy/λf′c)db(9)式中:具有环氧涂层时,ψe取1.2;使用轻质混凝土时,λ取0.75;其他情况下ψe和λ都取1.0。美国规范之式(9)与式(5)、式(6)相比较,取ψe=1.0,末端采用弯钩时的锚固长度ldc与受压时的ldc相同。与图(1)采用相同的假设和条件,混凝土采用C45,钢筋采用HRB400,相同条件下末端采用弯钩时,钢筋直径对锚固长度的影响见图4。中美规范钢筋弯钩的形式和技术要求见表1。从表1中可以看出:中国规范采用的是弯钩内直径,且内直径是定值;美国规范采用弯钩外半径,且随着钢筋直径的变化,弯钩外半径也发生改变。同时,端部90°弯钩时,美国规范规定的弯钩外半径比中国规范的规定值大,弯后直段长度相等。由图4可以看出:美国ACI318-08规范规定的最小值比中国规范的大,中国规范的计算值与美国的计算值差别比较小。4钢筋锚固长度的计算(1)中国《混凝土结构设计规范》考虑了施工扰动和锚固区保护层厚度的影响,