钢筋混凝土结构中的钢筋粘结力

钢筋与混凝土两种材料能结合在一起共同工作，除了两者具有较接近的线膨胀系数以外，两者之间的粘结是这两种材料能组成复合构件共同受力的基本前提。一般来说，外力很少直接作用在钢筋上，钢筋所受的力通常都要通过周围的混凝土来传递。这就要依靠钢筋与混凝土之间的粘结力，阻止钢筋与混凝土之间的相对滑移。钢筋与混凝土之间的粘结强度如果遭到破坏，就会使构件变形增加、裂缝剧烈开展甚至提前破坏。在重复荷载，特别是强烈地震作用下，很多结构的毁坏都是粘结破坏及锚固失效引起的。

为了加强与混凝土的粘结，强度较高的钢筋需轧制成有凸缘（肋）的表面。在我国这种变形钢筋常轧成月牙肋及等高肋。

1.粘结应力

粘结应力就是分布在钢筋和混凝土接触面上的剪应力。粘结应力τ可由图2-30的1-1、2-2截面间脱离体中钢筋微段dx长度上的内力平衡求得：

（πd²/4）dσ_s=πdτdx

τ=（d/4）×（dσ_s/dx） （2-40）

式中 τ——粘结应力；

d——钢筋直径；

dσ_s——钢筋应力增量；

dx——脱离体微段长度。

式（2-40）表明，粘结应力使钢筋应力沿其长度发生变化，没有钢筋应力的变化，就显不出粘结应力，即τ=0。钢筋混凝土构件中的粘结应力，按其性质可以分成两类：锚固粘结应力和局部粘结应力：

图2-30 有粘结钢筋混凝土梁

（1）锚固粘结应力 锚固粘结应力通常位于混凝土裂缝到钢筋端头之间的部位，该处混凝土可受压或受拉（图2-31）。

图2-31a为梁或屋架的支座，该处钢筋由支座边到钢筋端部必须有足够的锚固长度l_a，通过这段长度上粘结应力的积累，才能保证充分发挥钢筋的设计强度；或通过长度l_a上粘结应力的积累才能保证钢筋的应力由支座边的设计强度逐渐减小到钢筋端部为零。

图 2-31

图2-31b为在构件拉区采用搭接方法连接钢筋的粘结应力分布图，①、②号钢筋的拉力分别靠它与其周围混凝土之间的粘结应力传递。能保证发挥钢筋设计强度的粘结应力分布长度l_l称为搭接长度。

图2-31c为支座负弯矩区段钢筋理论切断点处的粘结应力分布图，其延伸长度l_d同样也应保证充分发挥钢筋的设计强度以满足斜截面抗弯强度的需要。锚固粘结应力直接影响结构的强度。粘结强度太低，或锚固、搭接、延伸长度太短，都会使构件因粘结不够而发生破坏。

图 2-32

（2）局部粘结应力 局部粘结应力通常位于钢筋中部有裂缝的区段，如图2-32所示。粘结应力、钢筋应力和混凝土应力的分布规律可近似将钢筋和周围混凝土的相互作用简化为一中心受拉构件来说明（图2-33a）。在构件两端（A，A′），拉力N全部由钢筋负担，钢筋应力σ_s=N/As最大，相应钢筋应变ε_s也最大，而混凝土应力σ_c和应变ε_c均为零。由于钢筋与混凝土的粘结作用，钢筋与混凝土的应变差将产生相对滑动和相应的粘结应力τ。通过τ将钢筋中的拉力部分传给混凝土，而使混凝土受拉，所以随距该截面A（A′）的距离的增大，σ_s（ε_s）逐渐减小，σ_c（ε_c）逐渐增大，直到两者应变相等的B（B′）点（图2-33b）。

图 2-33

AB或A′B′间钢筋与混凝土的相对滑动s_x可由ε_s与ε_c差值的积分求得，即。在BB′之间，由于ε_s=ε_c，钢筋与混凝土间无相对滑动，故τ=0，σ_s与σ_c不再改变，保持常值（图2-33b′）。(www.xing528.com)

随着轴力N的增大，σ_s和σ_c相应增大，粘结应力向里延伸。当σ_c增大到等于混凝土的抗拉强度f_t时，在混凝土某一薄弱截面处的应变将超过极限拉应变而出现裂缝，如图2-33c所示。在开裂截面C，混凝土退出工作，σ_c=0，拉力N全部由钢筋负担，σ_s增大到N/A_s，即与构件端部相同。同理，在开裂截面两侧一定区段内将产生反向的粘结应力，其粘结应力及钢筋和混凝土的应力分布如图2-33c、c′所示。这种粘结应力称为局部粘结应力。其作用是使裂缝间的混凝土参与受拉。局部粘结应力的大小，反映了混凝土参与受力的程度。

2.粘结强度和粘结滑移

钢筋与混凝土之间的粘结应力和粘结强度可采用拔出试验来测定，即在混凝土试件的中心埋置钢筋（图2-34），在加荷端拉拔钢筋。沿钢筋长度上的粘结应力τ可由两点之间的钢筋拉力的变化除以钢筋与混凝土的接触面积来计算。即

图2-34 拔出试验及破坏形态

式中 Δσ_s——单位长度上钢筋应力变化值；

A_s——钢筋截面面积；

l——钢筋的长度，取l=1；

u——钢筋周界。

测量钢筋沿长度方向的各点应变，就可得到钢筋应力σ_s图及粘结应力τ图，图2-35为一拔出试验的实测结果。

从试验可以看出，对于光面钢筋，随着拉拔力的增加，τ图形的峰值位置由加荷端向内移动，临近破坏时，移至自由端附近。同时τ图形的长度（有效埋长）也达到了自由端。对于变形钢筋，τ图形的峰值位置始终在加荷端附近，有效埋长增加得也很缓慢。这说明变形钢筋的粘结强度大得多，钢筋中的应力能够很快向四周混凝土传递。

试验表明，光面钢筋的粘结力由三部分组成：①水泥凝胶体与钢筋表面之间的化学胶着力；②混凝土收缩，将钢筋紧紧握裹而产生的摩擦力；③钢筋表面不平整与混凝土之间产生的机械咬合力。变形钢筋的粘结力除了胶着力与摩擦力等以外，更主要的是钢筋表面凸出的横肋对混凝土的挤压力（图2-36）。

图2-35 钢筋应力及粘结应力图

图2-36 变形钢筋横肋处的挤压力和内裂缝

在素混凝土试件（无横向配筋）的拔出试验中（图2-34a），粘结破坏类型一般有两种：剪切破坏型（钢筋由混凝土试件内拔出，图2-34b）和劈裂破坏型（混凝土试件破坏时裂成2～4个小块，图2-34c）。前者主要是光圆钢筋与混凝土交界面上的粘结强度小于破坏时的剪应力所致，而后者是由于变形钢筋表面的肋对混凝土的挤压作用引起的。肋主要是横肋的外凸形状对混凝土的斜向挤压力p在钢筋与混凝土一定范围内的接触面上产生沿钢筋方向的轴向分力p_x和径向分力p_r（图2-36）。如果混凝土的粘结强度小于上述分力引起的剪应力和环向拉应力，就会造成内部斜裂缝、径向裂缝等，从而引起脆性的劈裂破坏。如果在钢筋混凝土梁中，变形钢筋周围的混凝土层过薄，会发生由于混凝土撕裂裂缝的延展而导致的劈裂破坏，如图2-37所示。

图2-37 混凝土的撕裂裂缝

影响粘结强度的主要因素是：钢筋表面形状、混凝土强度、保

护层厚度、锚固长度、钢筋间的净距、横向配箍情况、混凝土浇筑状况、钢筋所处的浇筑位置和锚固受力情况等。

反映粘结性能的另一指标是粘结滑移s，它表示钢筋与混凝土之间的相对位移的大小。粘结应力τ与粘结滑移s的关系τ—s曲线与σ—ε曲线具有同样重要的意义，是非线性计算中有关的力学基础。图2-38是清华大学测定的τ—s曲线和τ—ε曲线。显然，同一荷载下加荷端和自由端的滑移有很大差异。有横向配筋与不配筋的滑移和强度也不相同。