第五章粘结、锚固及延伸长度外文翻译资料

第五章粘结、锚固及延伸长度

5.1 弯曲粘结的基本原理

若图5.1 (a)所示钢筋混凝土梁采用光圆钢筋制作，并在浇灌前将这些钢筋涂油或 作其他润滑处理，则其承载力比不配筋的素混凝土梁提高很小。若施加一荷载如图5.1 (6)所示，当梁弯曲时钢筋有保持原长度的趋势。钢筋相对于相邻混凝土产生纵向滑移， 而后者因弯曲而受拉应变。为使钢筋混凝土起到预期的作用，重要的是使钢筋与混凝土的界面产生粘结力，以防止在接触面间出现显著的滑移。

图5.1 (c)表示弯曲时在界面上作用于混凝土的粘 结力，而图5.1 (d)则表示作用于钢筋上相等而反向的 粘结力。就是通过这些界面粘结力的作用使图5.1 (6) 所示的滑移得以防止。

若干年前，采用无表面变形的光面钢筋时，其初始 粘结强度只能由钢筋与混凝土之间较弱的化学胶结及机 械摩擦提供。在较大荷载下胶结与静摩檫一旦被克服， 少量的滑移就使钢筋的自然粗糙度与混凝土产生咬合作 用。但是，这种自然的粘结强度太低，而使配光面钢筋 的梁中钢筋与混凝土之间的粘结经常被破坏。这样的梁 将由于钢筋从混凝土中拔出而破坏。为防止出现这样的 情况，主要采用图5.2中所示的弯钩形式提供端部锚固。 若锚固足够，即使在两端锚固之间整个长度内的粘结受 到破坏，梁也不会破坏。这是因为构件起拉杆拱的作用， 如图5.2所示，阴影区表示的未开裂混凝土代表拱，锚 固的钢筋代表拉杆。这种情况下，在粘结已破坏的长度 上粘结应力为零。这意味着，在整个无粘结的长度上钢 筋的拉力为一常数，并等于。因而,这种梁 中钢筋的总伸长大于保持粘结的梁中钢筋的伸长，从而 产生较大的挠度及较大的裂缝宽度。

为改善这一状况，变形钢筋现已在美国及其他彳艮多国家 得到普遍应用（见第2.13节)。采用这样的钢筋，其凸出肋 的凸缘支承在周围的混凝土上，使粘结强度大大增加。这样，在很多情况下可省略像弯钩那样的专门锚固措施。而且裂缝宽度及挠度都可减小。

1. 基于简单裂缝截面分析的粘结应力

在长度为dx的一小段梁中，如图5.3 ( a)所示，一端的弯矩一般将与另一端的弯矩相差一个微量dM。若取该小段为隔离体，并假设开裂后的混凝土不再承受任何拉应力， 其内力如图5.3 (a)所示。弯矩发生dM改变使钢筋内力产生变化

式中jd—拉力与受压合力间的内力臂。

由于所有钢筋必须处于平衡，钢筋内力的改变将由钢筋与混凝土的接触面上的粘结产 生的相等而方向相反的力来承受，如图5.3 (6)所示。

图5.3作用于梁单元长度上的内力及应力
(a)钢筋混凝土单元隔离体示意图；(b)钢筋单元隔离体示意图

若u为钢筋单位表面积上的局部平均粘结应力，则由水平力的总和得

式中——全部钢筋周长的总和，这样

表示局部粘结应力与钢筋内力沿跨长的变化率成正比。另外，将式（a)代入式（5.1)，

由此

式（5.2)即弯曲粘结应力的“弹性的裂缝截面方程”，它表示单位粘结应力与指定截面的剪力成正比，即与弯矩的变化率成正比。

注意式（5.2)适用于假定混凝土已完全开裂、不再承受拉力的混凝土区中的受拉钢 筋。因此，它适用于简支跨或连续跨中的受拉钢筋，即既适用于两反弯点间正弯矩区的底 部钢筋，也适用于反弯点和支座间负弯矩区的顶部钢筋。它不适用于受压钢筋，这可以由 弯曲粘结应力很低来说明。

1. 弯曲粘结应力的实际分布

粘结应力沿变形钢筋的实际分布比按式（5.2)表示的更为复杂，而式（5.1)为了解 梁的受力性能提供了一个较好的基础。图5.4表示承受纯弯曲的一个梁段。混凝土只是在 实际裂缝所在部位才不承受拉力，该处钢筋的拉力最大，其值由简化理论算得为r= M/ V。在裂缝之间，混凝土仍承受一定拉力，是由作用在界面上的粘结应力所形成的，方向 如图5.4 (a)所示。它减小了钢筋中的拉力，如图5.4 (c)所示。式（5.1)清楚表明， 粘结应力u与钢筋内力的变化率成正比，因而将如图5.4 (J)所示那样变化；粘结应力 在钢筋内力曲线的斜率最大处为最高，而在斜率为零处即为零。Cornell大学在试验中量测 到裂缝附近有很高的局部粘结应力。粘结应力之高不可避免地在靠近每条裂缝的混 凝土和钢筋之间发生一些滑移。

梁很少承受纯弯矩；一般承受横向荷载，它产生沿跨度变化的剪力和弯矩。图5.5 (a)

跨度

屮线

图5.4承受纯弯的钢筋混凝土构件中

钢筋内力和粘结应力的变化

U)开裂混凝土的K段；U)作用于钢筋的粘结应力; (C)钢筋中拉力的变化；粘结应力沿钢筋的变化

WiMHl

图5.5梁中弯曲裂缝对粘结应力的影响

(幻有弯曲裂缝的梁；

U)钢筋拉力r沿跨度的变化；

(C)粘结应力U沿跨度的变化

为一根承受分布荷载的梁，所示裂缝是典型的。由简单裂缝截面分析所得的钢筋内力T 与弯矩图成正比，如图5.5 (6)中虚线所示。但是，实际的T值除了在实际裂缝处外， 各处都小于按简化分析所得的值。r的实际变化由图5.5 （b)的实线表示。在图5.5 (c) 中按简化理论所得的粘结应力用虚线表示，其实际变化用实线表示。注意，只有在钢筋内 力图的斜率等于按简化理论所得斜率处，u值才等于由式（5.2)给出的值。其他位置若 斜率大于计算值，则粘结应力较大；若斜率小于计算值，则粘结应力较小。对本例来说， 在紧靠裂缝的左边，粘结应力比按式（5.2)计算的大得多，且多半会引起局部粘结破坏。 紧靠裂缝的右边，粘结应力大大低于计算值，而且实际上在很靠近裂缝处一般是负值，即 粘结力作用于反方向。

很明显，梁中实际的粘结应力与式（5.2)计算所得很少有相似之处，只是从一般概 念上，粘结应力最大值发生在尚剪力区。

5.2极限粘结强度及延伸长度

受拉钢筋有两种极限粘结破坏。第一种是钢筋的直接拔出，这发生在周围混凝土能提 供足够的约束时。这可能在采用钢筋直径较小、混凝土保护层厚度及钢筋间距足够大时出 现。第二种破坏形式是混凝土沿钢筋的劈裂，这是当保护层、约束或钢筋间距不足以抵抗 由变形钢筋的楔劈作用引起的混凝土的横向拉力时产生的。目前的设计方法要求对两种可 能的破坏模式都得加以考虑。

1. 极限粘结强度

若钢筋有周围混凝土块体的足够的约束，于是随钢筋中拉力的增加，胶着力和摩擦被 克服，在变形钢筋凸肋前的混凝土最后局部压碎，发生钢筋拔出。除在凸肋前紧靠钢筋界 面的混凝土发生压碎外，周围混凝土仍保持完整。对于现代的变形钢筋，胶着力和摩擦比

起凸肋与周围混凝土的机械咬合作用来，并不太重要。

在梁中由于混凝土劈裂引起的粘结破坏比钢筋直接拔出更常见。这种劈裂主要是由于 变形钢筋的凸肋抵承于混凝土 t形成楔劈作用所引起。劈裂可能出现在如图5.6 （a)所示的竖直面内，或如图5.6(b)所示钢筋的水平面上。图5.6的水平劈裂形

图5.6混凝土沿钢筋的劈裂

式，经常在斜裂缝处开始。在这种情况下，正如关于图4.7 U)的讨论及图4.1所示， 销栓作用增加了劈裂的趋势。这说明剪切破坏与粘结破坏常常是错综复杂地相互联系着。

图5.7延伸长度

当钢筋拔出的阻力被克服，或当劈裂已远远地伸展到无锚固钢筋的末端时，则发生完 全的粘结破坏。钢筋相对于混凝土的滑移，使梁立即破坏。

如果认识到粘结应力的局部大变化是弯曲及斜裂缝引起的（见图5.4及5.5)，就会弄 清楚为什么常常在荷载大大低于梁的破坏荷载时紧靠裂缝处的局部粘结就破坏了。这些局 部破坏会引起小的局部滑移，并使裂缝有所加宽和挠度增加。但只要破坏不是沿钢筋全长 发展而引起整个钢筋滑移，则是无害的。事实上，如对图5.2的有关讨论中，当端部锚固 可靠时，虽然粘结沿着除锚固部分外的整个钢筋长度脱开，也不会危及梁的承载力。端部 锚固可以用图5.2建议的弯钩提供，或者更通常的是将直钢筋从最大应力点延伸一个足够

的距离。

应用拔出试件及梁试件两者的广泛试验^]已确定了用引起粘结破坏时的平均粘 结应力表示的粘结强度限值，这些试验提供了目前设计要求的基础。

1. 延伸长度

前面讨论了钢筋延伸长度概念的建议。延伸长度定义为由拔出或劈裂控制而建立的钢 筋达到完全受拉强度所必须的埋入长度。参考图5.7,弯矩，从而钢筋应力显然在a点处为最大（忽略梁的自重），在支座处为零。若a点处的钢筋应力为fs，则总拉力通过界面的粘结应力在距离l内由钢筋传至混凝土。为全部发挥钢筋的强度Abfy_y，距离l必须至少等于由试验建立的钢筋延伸长度。在图5.7所示梁中，如果实际长度l等于或大于延伸长度ld，则不会发生过早的粘结破坏。也就是梁将因受弯或受剪破坏，而不是粘结破坏，即使在紧靠裂缝附近，沿梁的小范围内可能发生局部滑移，依然如上所述。

根据上述可见，为了安全地抵抗粘结破坏的主要要求是，从给定钢筋应力（fs或至多用到fy)的任一点到其最近自由端的钢筋长度，必须至少等于它的延伸长度。若满足此要 求，由式（5.2)求得的沿梁的名义弯曲粘结应力的大小就只是次要的了，因为尽管可能 产生少量的局部粘结破坏，构件的整体性仍可以保证。但是，如果实际可用的长度不满足整个延伸长度，必须设置专门的锚固，例如弯钩。

1. 影响延伸长度的因素

试验研究已验明了影响延伸长度的因素，对试验数据的分析也已得出了目前设计实践 应用的经验公式。最基本的因素已由前面几节中清楚看出，它包括混凝土的抗拉抗度、保

护层厚度、钢筋间距及横向钢筋的设置等。

很清楚，混凝土的抗拉强度是重要的，因为梁粘结破坏的最一般形式，是图5.6所示 的劈裂型。虽然抗拉强度在按经验推导的延伸长度公式中并未明显表示出来（见5.3节），

但在该式分母中出现的次项，反映了混凝土抗拉强度的影响。对于轻混凝土，其抗拉强 度一般低于具有相同抗压强度的普通混凝土。因此，如果采用轻混凝土，延伸长度必须增 加。另方面，如果轻混凝土的劈裂圆柱强度为已知，或已规定，即可按如下方法将其加人 到延伸长度的公式中。对于普通混凝土，劈裂圆柱体抗拉强度fct，一般取为如果对具体的轻混凝土，其劈裂圆柱强度fct为已知，则延伸长度公式中的次可以用 fct/6.7取代。

保护层厚度也影响劈裂。习惯上该厚度量自钢筋中心至最近混凝上的表面，可沿钢筋平面量测或垂直于该平面量测。很清楚，如果竖直的或水平的保护层增加，更多的混凝土 可用于抵抗由变形钢筋楔劈作用引起的拉力，改善了抵抗劈裂，从而减少延伸长度。

同样，图5.6（b)说明了如果钢筋间距增加（例如，只用两根来代替三根时），每根钢筋即有更多的混凝土可用来抵抗水平劈裂。在梁中，钢筋一般放置成约相隔一或二 根钢筋直径。另方面，对于板、基础，或某些其他类型的构件，其钢筋间距一般很大，要 求的延伸长度可以减小。

横向钢筋，例如以图4.8所示的箍筋形式提供，可以增强受拉钢筋对竖直或水平劈裂 破坏的抵抗力，因为横向钢筋的拉力可以防止实际的或潜在的裂缝张开。这种横向钢筋的 效果依赖于钢筋的屈服应力，以及钢筋的截面积，及其沿延伸长度的间距。

除上述这些基本因素外，其他的影响也已验明。相对于梁高钢筋的竖向位置是有影响 的。如果在施工时将钢筋放置在梁的模板内，要在这些钢筋下面浇注相当厚的混凝 土，为了混凝土的和易性，在搅拌时常有采用超量水的趋势，振捣时截留的空气将升向混 凝土的顶部，势必在钢筋下侧积聚一定量的空气和水。试验表明，当钢筋下面新浇混凝土 的厚度大于12in时，这些钢筋的粘结强度将有明显损失，相应地延伸长度必须增加。

环氧涂层钢筋越来越多地用于结构遭受腐蚀环境条件或防冻化学制品的工程，例如， 公路桥面板及停车库等。研究表明，粘结强度会因环氧涂层阻碍了混凝土与钢筋的胶结而 降低，并要求延伸长度大大增加。但是，如果保护层厚度及间距大，环氧涂层的影响并不 那样明显，延伸长度只要少量增加即可满足。而且由于环氧涂层钢筋粘结强度已考虑了因 胶结不足而降低，因此，对考虑钢筋竖向位置及环氧涂层的延伸长度系数的乘积规定了一个上限。

常常有受拉钢筋配量比计算要求超过一些的情况，例如在选择钢筋时火需往上取整， 或当按最小钢筋要求控制时。逻辑上，在这种情况下，要求的延伸长度可以按所要求的钢 筋面积与实际配筋面积之比加以折减◦这种对超配筋的修正系数，只能应用于不要求钢筋 达到充分屈服强度的锚固和延伸的地方。

5.3 ACI规范对受拉钢筋延伸的条款

1995年ACI规范中涉及的受弯粘结方法与第5.2节提供的讨论相同。其基本要求是钢筋混凝土构件各截面钢筋的计算内力必须达到/y，依靠在该截面的两侧有足够的埋置长 度、弯钩、机械锚固或它们的组合，以保证钢筋不被拔出。局部高粘结应力，例如，存在 于梁中靠近裂缝处的，并不认为是重要的。一般来说，所达到的内力是根据钢筋的屈服应 力计算的，也就是钢筋的强度能得到充分发挥。

根据1995年ACI规范，对受拉变形钢筋要求的延伸长度，是以钢筋直径的倍数进行 计算的，即计算，其中为要求的延伸长度；为钢筋直径。给出一个基本公式, 包括了第5.2节讨论的全部影响。

这基本公式因为它的兼容性，而显得非常复杂。但是，它能让设计者看到所有控 制变量的效果，并允许更精确地计算在临界状态下要求的延伸长度。ACI规范也提出 了简化公式，只要满足钢筋间距、保护层

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[150848]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word