《钢筋及混凝土的粘结优秀PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钢筋及混凝土的粘结优秀PPT.ppt（48页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、钢筋与混凝土的粘结主讲人：李俊南河南高校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四周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（mo）固两种状况。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 6.1 粘结力的作用和组成粘结力的作用和组成6.1.1 6.1.1 作用和分类作用和分类 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：两者之间有牢靠的粘结和锚固。是：两者之间有牢靠的粘结和锚固。三种钢筋的
2、粘结和锚固状态：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（图性折断，钢筋并不受力，与素混凝土无异（图6-1a6-1a）；）；无粘结，端部设锚具：梁在荷载作用下钢筋应力沿全无粘结，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，非长相等，承载力有很大提高，但是受力如二铰拱，非“梁梁”的应力状态（图的应力状态（图6-1b6-1b）；）；沿全长和端部粘结牢靠：梁在荷载作用下钢筋应力随沿全长和端部粘结牢靠：梁在荷载作用下钢筋应力随截面弯矩而变更，符合截面弯
3、矩而变更，符合“梁梁”的基本受力特点（图的基本受力特点（图6-1c6-1c）。）。图图6-1 6-1 钢筋的粘结和锚固状态钢筋的粘结和锚固状态(a)(a)无粘结无粘结,无锚具无锚具(b)(b)无粘结无粘结,端部设锚具端部设锚具(c)(c)沿全长和端部粘结牢靠沿全长和端部粘结牢靠(d)(d)平衡条件平衡条件 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）。此剪应力即为四周混凝土所供应的粘结应力：钢筋对四周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。依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
4、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）。上述状况下，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，且分布变更大。假如钢筋因锚固实力不足而发生滑动，不仅其强度不能充分利用（s0），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，钢筋的受力段渐渐加长，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
5、，钢筋的受力段和滑移段接着扩展，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，钢筋的自由端起先滑移，加载段的滑移发展更为快速。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。加载端旁边的粘结破坏严峻，粘结应力已很小，钢筋的应力接近匀整。当自由端的滑移为0.10.2mm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担当，四周混凝土受碾磨而裂开，阻抗力减小，形成曲线的下降段。最终，钢筋从混凝土中被缓缓拔出，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。假如钢筋的埋入长度大
6、，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需的，依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更过程如图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分是钢筋表面具有不同形态的横肋或斜肋。变形钢筋受拉时，肋的凸缘挤压四周混凝土（图6-9（a），大大地提高了机械咬合力，变更了粘结受力机理，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
7、出试件，起先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，起先出现滑移（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0.40.5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）延长，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，使裂缝向前延长，并转为斜裂缝，试件内部形成一圆
8、锥形裂缝面。随着荷载接着增加，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沿埋长的变更率较小，故粘结应力分布比较匀整。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，形成肋前裂开区。钢筋肋部对四周混凝土的挤压力，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憧憬试件外表发展，同时由加载端往自由端延长。此后，裂缝沿纵憧憬自由端延长，并发出劈裂声响，钢筋的滑
9、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裂开粉末。试件配设了横向螺旋筋或者钢筋的爱护层很厚(c/d5)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分。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，钢筋肋对四周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，抗拔力可接着增大。
10、钢筋滑移的大量增加，使肋前的混凝土裂开区不断扩大，而且沿钢筋埋长的各肋前区依次裂开和扩展，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，钢筋连带肋间充溢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，试件仍保有确定的残余抗拔力。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
11、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一般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，受到很多因素的影响而变更。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
12、2.爱护层厚度（c）钢筋的混凝土爱护层厚度指钢筋外皮至构件表面的最小距离(c,mm)。增大爱护层厚度,加强了外围混凝土的抗劈裂实力,明显能提高试件的劈裂应力(cr)和极限粘结强度(u)(图6-13)。但是,当混凝土爱护层的厚度c(56)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,可能是爱护层劈裂(当s2c),或者沿钢筋连线劈裂(当s5l/d 5后后,平均平均粘结强度值的折减已不大。粘结强度值的折减已不大。埋长很大的试件埋长很大的试件,钢筋加载钢筋加载端达到屈服而
13、不被拔出。故端达到屈服而不被拔出。故一般取钢筋埋长一般取钢筋埋长l/d=5 l/d=5 的的试验结果作为粘结强度的标试验结果作为粘结强度的标准值。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d25mm的钢筋,粘结强度u变更不大,直径d32mm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=1232 mm)而增大的趋势明显。变形钢筋表面上横肋的形态和尺寸多有不同（前述）。我国常用的螺纹和月牙纹钢筋的粘结-滑
14、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。缘由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更,径向挤压力不匀整,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确定影响。试验结果表明，肋的外形变更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，阻挡劈裂破坏，提高极限粘结强度和增大特征滑移值，而且-S曲线下
15、降段平缓，粘结延性好。6.6.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q0.5fc)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(
16、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确定影响。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,须要进行压推试验加以探讨。钢筋受压后横向膨胀,被四周混凝土所约束,提高了摩阻抗滑力,粘结强度偏高。另一方面,假如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。6.4 粘结应力-滑移本构模型6.4.1 特征值的计算 1.劈裂应力（cr）现有两种途径确定拉拔钢筋的劈裂应力值。一种是半理
17、论半阅历的方法，将钢筋四周的混凝土简化为一厚壁管，依据钢筋横肋对混凝土的挤压力，按弹性或塑性理论进行推导，建立近似计算式。另一种途径则是干脆统计试验数据，用回来分析求得阅历公式。最简洁的理论方法是假设混凝土爱护层劈裂时，劈裂面上拉应力分布匀整，并达其抗拉强度ft值。若取横肋挤压力与钢筋轴线夹角为=45时（图6-19(a)），推导出 此式的计算结果明显高出试验值（图6-13）。对此计算图加以修正（图6-19(b),(c)），可推导得相应计算式，如：上述公式形式相同，系数值有别，计算结果与试验数据的对比参见图6-13 2.极限粘结强度(u)钢筋与混凝土的平均极限粘结强度，一般用试验数据的回来分析式
18、。各种计算式中考虑的主要因素有所不同，如：这些公式适用于埋长较小（l/d=220）的钢筋，埋长较深的钢筋及在计算钢筋的锚固长度时应接受其它公式。6.4.2 -S 曲线方程 1.分段折线（曲线）模型 将粘结-滑移曲线简化为多段式折线，已有多种建议的模型，如3段式、5段式、6段式等（图6-20）。在确定了若干个粘结应力和滑移的特征值后，以折线或简洁曲线相连即构成完整的-S本构模型。模式规范CEB-FIP MC90建议的4段式模型如图6-21，参数值见表6-2 2.连续曲线模型 用连续的曲线方程建立粘结-滑移模型，可以得到连续变更的、确定的切线或割线粘结刚度值，在有限元分析中应用比较便利。这类模型很多，如：感谢各位！