混凝土结构计算：钢筋与混凝土共同工作机理

2023-09-19 理论教育版权反馈

【摘要】：所谓黏结应力，是指分布在钢筋与混凝土接触面上的剪应力。2)黏结破坏的过程当荷载较小时，钢筋与混凝土接触面上由于荷载产生的剪应力完全由化学胶结力承担，随着荷载的增加，胶结力被破坏，钢筋与混凝土之间产生相对滑移，此时剪应力转由摩阻力承担。钢筋表面突出的肋与混凝土之间形成楔的作用。3)确保黏结强度的措施为保证钢筋与混凝土能够共同有效地工作，两者之间应具有足够的黏结力。

钢筋和混凝土这两种力学性能不同的材料之所以能有效地结合在一起而共同工作，主要有以下原因：

①混凝土和钢筋之间有着良好的黏结力，两者能可靠地结合成一个整体，在荷载作用下能够很好地共同变形，完成其结构功能。

②钢筋和混凝土的温度线膨胀系数也较为接近，钢筋为1.2×10-5/℃，混凝土为(1.0～1.5)×10-5/℃。因此，当温度变化时，不致产生较大的温度应力而破坏两者之间的黏结。

③包裹在钢筋上的混凝土，起着保护钢筋免遭锈蚀的作用，保证钢筋与混凝土共同作用。

1)钢筋与混凝土之间的黏结

钢筋与混凝土属于性质不同的两种材料，两者共同工作的前提是两者之间具有足够的黏结应力。所谓黏结应力，是指分布在钢筋与混凝土接触面上的剪应力。它起到传递应力、阻止钢筋与混凝土两者之间产生相对滑移的作用，从而有效地保证钢筋与混凝土能够共同工作。

钢筋与混凝土之间的黏结力，主要由以下3个方面组成：

①化学胶结力。由于水化作用，结硬过程中混凝土在水泥胶体与钢筋之间产生胶结作用。混凝土强度等级越高，胶结力越强。

②摩阻力。混凝土结硬时体积收缩，对钢筋产生握裹作用，钢筋与混凝土之间产生相对滑移趋势，因而在接触面上产生摩阻力。

③机械咬合力。由钢筋表面凹凸不平所产生的机械咬合作用形成咬合力。

2)黏结破坏的过程

当荷载较小时，钢筋与混凝土接触面上由于荷载产生的剪应力完全由化学胶结力承担，随着荷载的增加，胶结力被破坏，钢筋与混凝土之间产生相对滑移，此时剪应力转由摩阻力承担。

对于光面钢筋和变形钢筋，整个黏结破坏的过程有所不同。

对于光面钢筋，外力较小时，黏结力以化学胶结力为主，两者接触面之间无相对滑移。随着外力的加大，胶结力被破坏，钢筋与混凝土之间产生相对滑移，此时，黏结力主要是钢筋与混凝土之间的摩阻力。如果继续加载，钢筋表面的混凝土将被剪碎，最后可把钢筋拔出而破坏。试验表明，光面钢筋黏结力的大小主要取决于混凝土的强度与钢筋的表面形状。

对于变形钢筋，黏结力主要是摩阻力和机械咬合力。钢筋表面突出的肋与混凝土之间形成楔的作用。其径向分力使混凝土环向受拉，水平分力和摩阻力共同构成了黏结力；随着抗拔力的增加，机械咬合力的径向分力增加，混凝土的环向分力增加产生径向或斜向锥形裂缝；继续加载，混凝土开始出现纵向劈裂裂缝，出现明显的相对滑移，最后钢筋被拔出而破坏。试验表明，影响变形钢筋黏结力的主要因素如下：

①混凝土的强度等级。混凝土的强度等级越高，钢筋与混凝土之间的黏结力也就越强。

②混凝土的保护层厚度。混凝土的保护层越厚，黏结力也就越大。

③钢筋的外形特征。钢筋表面越粗糙，黏结力也就越大。

④其他因素。如配箍率、混凝土浇筑状况、锚固受力情况等。

3)确保黏结强度的措施

为保证钢筋与混凝土能够共同有效地工作，两者之间应具有足够的黏结力。由于黏结破坏机理复杂，影响黏结力的因素众多，目前尚无比较完整的黏结力计算理论。《混凝土结构设计规范》(GB 50100—2010)采用不计算而用合理选材和构造措施来保证钢筋与混凝土之间的黏结力。具体来说，有以下7个方面：

①选用适宜的混凝土强度等级。混凝土强度等级越高，黏结作用也就越强。

②采用带肋钢筋。带肋钢筋表面凹凸不平，会提供较大的机械咬合作用，黏结力大大增加，抗滑性也更好。

③光圆受拉钢筋的端部应做成弯钩。端部做成半圆弯钩，能有效增强钢筋在混凝土内部的抗滑移能力及钢筋端部的锚固作用。

④保证最小搭接长度。钢筋之间采用绑扎接头的方法连接，则钢筋的内力是依靠钢筋和混凝土之间的黏结力来传递的。因此，必须保证它们之间具有足够的搭接长度。

⑤保证最小的锚固长度。为了避免钢筋在混凝土中滑移，埋入混凝土内的钢筋必须具有足够的锚固深度，使钢筋牢固地锚固在混凝土中。

⑥钢筋周围的混凝土应有足够的厚度。保护层厚度过小或钢筋净间距过小，混凝土沿钢筋纵向易产生劈裂裂缝，从而降低黏结强度。