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1、1第四章 钢筋与混凝土的粘结及 开裂面骨料咬合作用2第一节第一节 粘结及其性质粘结及其性质一、粘结应力一、粘结应力u1、粘结力的形成粘结力的形成n粘结：钢筋与外围混凝土之间的相互作用。粘结：钢筋与外围混凝土之间的相互作用。n粘结应力：指沿钢筋与混凝土接触面上的剪应力粘结应力：指沿钢筋与混凝土接触面上的剪应力.dxdddxdddsnnsss 404)2（3l n使钢筋应力沿钢筋长度变化使钢筋应力沿钢筋长度变化(d s/dx)；l没有钢筋应力的变化，就不存在有粘结应力。没有钢筋应力的变化，就不存在有粘结应力。u2、粘结应力的分类：粘结应力的分类：n锚固粘结应力锚固粘结应力钢筋端部的粘结应力；钢筋端
2、部的粘结应力；n局部粘结应力局部粘结应力两条裂缝间的粘结应力。两条裂缝间的粘结应力。4粘结应力分布图粘结应力分布图5钢筋伸入支座或在跨间切断时，必须有足够的钢筋伸入支座或在跨间切断时，必须有足够的“锚锚固长度固长度”(或延伸长度或延伸长度)，通过这段长度上粘结应力的，通过这段长度上粘结应力的积累，才能使钢筋中建立起所需的拉力。积累，才能使钢筋中建立起所需的拉力。开裂截面的钢筋拉力，通过裂缝两侧的粘结应力部开裂截面的钢筋拉力，通过裂缝两侧的粘结应力部分地向混凝土传递，使未开裂截面混凝土受拉。分地向混凝土传递，使未开裂截面混凝土受拉。裂缝截面间局部粘结应力的大小，反映了受拉区混裂缝截面间局部粘结应
3、力的大小，反映了受拉区混凝土参与工作的程度。凝土参与工作的程度。梁中受力钢筋的锚固粘结不足，将会出现较大的滑梁中受力钢筋的锚固粘结不足，将会出现较大的滑动，导致构件提前破坏，动，导致构件提前破坏，降低梁的抗弯及抗剪强度降低梁的抗弯及抗剪强度局部粘结应力的退化和丧失，使裂缝宽度增大，刚局部粘结应力的退化和丧失，使裂缝宽度增大，刚度降低。度降低。6粘结徐变，则是长期荷载作用下裂缝宽度增长的主粘结徐变，则是长期荷载作用下裂缝宽度增长的主要原因之一。要原因之一。经受多次重复荷载的钢筋混凝土梁，可能由于锚固经受多次重复荷载的钢筋混凝土梁，可能由于锚固粘结疲劳使强度降低，或粘结应力的退化使裂缝和变粘结疲劳
4、使强度降低，或粘结应力的退化使裂缝和变形增大。形增大。在承载能力和使用极限状态下，钢筋强度能利用多在承载能力和使用极限状态下，钢筋强度能利用多少取决于粘结的有效程度。少取决于粘结的有效程度。u3、粘结强度：钢筋和混凝土即将滑移时所能承担、粘结强度：钢筋和混凝土即将滑移时所能承担的最大粘结应力。的最大粘结应力。7二、粘结的试验方法二、粘结的试验方法u1、拔出试验（两类）、拔出试验（两类）n无无 横向配筋试验：用于测量锚固粘结应力及相对横向配筋试验：用于测量锚固粘结应力及相对滑移。滑移。国际材料与结构试验联合国际材料与结构试验联合会会-国际预应力混凝土协会国际预应力混凝土协会-欧洲混凝土委员会欧洲
5、混凝土委员会(RILEM-FIP-CEB)建议试件；建议试件；试件边长为试件边长为10d，c=4.5d；钢筋埋长的一半无粘结，钢筋埋长的一半无粘结，以消除承压板端部的局部破以消除承压板端部的局部破坏影响；坏影响；大多为劈拉破坏。大多为劈拉破坏。8n 横向配筋试验横向配筋试验无横向配筋试验不能充分反映无横向配筋试验不能充分反映钢筋混凝土间粘结性能的全过钢筋混凝土间粘结性能的全过程。程。有些国家的规范（如英国规范有些国家的规范（如英国规范CPll0）采用有横向配筋试件；）采用有横向配筋试件；试件尺寸视钢筋直径试件尺寸视钢筋直径d的不同的不同从从10cml0cm到到2.5cm22.5 cm变化；变化
6、；配有配有 6螺旋筋，螺距螺旋筋，螺距2.5cm。中国建筑科学研究院采用配有中国建筑科学研究院采用配有双支箍筋的拔出试件模拟横向双支箍筋的拔出试件模拟横向配筋对粘结强度的影响。配筋对粘结强度的影响。910u2、梁式试验、梁式试验n实际梁中钢筋除受拉力外，还有弯矩和剪力共同作用实际梁中钢筋除受拉力外，还有弯矩和剪力共同作用的影响；的影响；n拔出试验过程中，承压板使混凝土受压，由此产生的拔出试验过程中，承压板使混凝土受压，由此产生的压应力限制了混凝土横向裂缝的开展。压应力限制了混凝土横向裂缝的开展。以上因素导致拔出试验与真实的粘结特性差别较大。以上因素导致拔出试验与真实的粘结特性差别较大。p梁式粘
7、结试验的分类：半梁式及全梁式梁式粘结试验的分类：半梁式及全梁式l半梁式：半梁式：11梁式试件与真实的混凝土梁有差别；梁式试件与真实的混凝土梁有差别；不能模拟纯弯段主裂缝间的粘结特性。不能模拟纯弯段主裂缝间的粘结特性。l 全梁式全梁式12u3、轴拉试验轴拉试验n解决梁式试件的尺寸较大，试验较复杂的问题；解决梁式试件的尺寸较大，试验较复杂的问题；n用于模拟混凝土梁在纯弯段主裂缝间的粘结特性；用于模拟混凝土梁在纯弯段主裂缝间的粘结特性；n测量缝间粘结应力及相对滑移量。测量缝间粘结应力及相对滑移量。l模拟钢筋搭接长度粘结特性的试件模拟钢筋搭接长度粘结特性的试件(双轴拉试验双轴拉试验)13l模拟钢筋与混
8、凝土间粘结模拟钢筋与混凝土间粘结滑移的轴拉试件：滑移的轴拉试件：一对相互平衡的力作用在一对相互平衡的力作用在钢筋的两端；钢筋的两端；钢筋与混凝土间将产生粘钢筋与混凝土间将产生粘结滑移。结滑移。14u 钢筋应变测量钢筋应变测量l有些问题需实测粘结应力的分布和钢筋与混凝土间有些问题需实测粘结应力的分布和钢筋与混凝土间在界面上的相对滑移。在界面上的相对滑移。l沿钢筋长度上粘结应力的分布，可由沿钢筋单位长沿钢筋长度上粘结应力的分布，可由沿钢筋单位长度上的应力变化求得。度上的应力变化求得。l量测钢筋的应变分布时，为不使钢筋与混凝土界面量测钢筋的应变分布时，为不使钢筋与混凝土界面的性质发生变化，通常用钢筋
9、开槽贴片的方式。的性质发生变化，通常用钢筋开槽贴片的方式。钢筋剖成两半；钢筋剖成两半；沿每半钢筋的中心线铣出一凹槽；沿每半钢筋的中心线铣出一凹槽；把应变片贴在凹槽中；把应变片贴在凹槽中；把两半钢筋用环氧树脂贴在一起，恢复原来的把两半钢筋用环氧树脂贴在一起，恢复原来的外形。外形。15 采用环氧树脂贴结可避免焊接过热影响应变片，采用环氧树脂贴结可避免焊接过热影响应变片，同时具有很好的密封性能。同时具有很好的密封性能。16三、粘结机理三、粘结机理u1 1、粘结力的组成：、粘结力的组成：水泥凝胶体与钢筋表面的化学胶着力；水泥凝胶体与钢筋表面的化学胶着力；钢筋与混凝土接触面的摩擦力；钢筋与混凝土接触面的
10、摩擦力；钢筋表面不平整与混凝土之间产生的机械咬合力钢筋表面不平整与混凝土之间产生的机械咬合力u2 2、光圆钢筋的粘结应力与强度：、光圆钢筋的粘结应力与强度：n 滑移与荷载关系：滑移与荷载关系：在在4060极限荷载以前，加载端滑移与荷载极限荷载以前，加载端滑移与荷载近似成直线关系；近似成直线关系；以后滑移增加速率大于荷载增加速率；以后滑移增加速率大于荷载增加速率；荷载达到极限荷载荷载达到极限荷载80左右时，自由端出现滑动左右时，自由端出现滑动;自由端滑移达自由端滑移达0.1mm，加载端滑移达到，加载端滑移达到0.15mm时，时，平均粘结应力达到最大值。此时，滑移迅速增大，平均粘结应力达到最大值。
11、此时，滑移迅速增大，而荷载却逐渐减小。而荷载却逐渐减小。17有效埋长有效埋长钢筋的实际受力长度或粘结应力的分钢筋的实际受力长度或粘结应力的分布长度。布长度。1819n粘结力粘结力 n及钢筋应力及钢筋应力 s的分布：的分布：钢筋应力钢筋应力 s曲线为凸形，钢筋的应力传递较慢；曲线为凸形，钢筋的应力传递较慢；N很小时，张拉端即可测出滑移，很小时，张拉端即可测出滑移，n=0；随随N，滑移逐渐向自由端发展，胶着长度减小，滑移逐渐向自由端发展，胶着长度减小，但但 n的有效长度增加，的有效长度增加，n峰值内移；峰值内移；加荷中期，加荷中期，n峰值增长减缓，而有效埋长有显著的峰值增长减缓，而有效埋长有显著的
12、增加，增加，n的峰值移至中间；的峰值移至中间；加载后期，当有效埋长达到自由端不再增大时，应加载后期，当有效埋长达到自由端不再增大时，应 力峰值移向自由端；力峰值移向自由端；随随N，滑移由张拉端发展到自由端，粘结应力图形，滑移由张拉端发展到自由端，粘结应力图形近于三角形。近于三角形。l滑移前，粘结强度主要取决于化学胶着力，滑移前，粘结强度主要取决于化学胶着力，l滑移后取决于摩擦力和咬合力。滑移后取决于摩擦力和咬合力。n破坏形态破坏形态剪切破坏（钢筋被拔出）。剪切破坏（钢筋被拔出）。20u3 3、变形钢筋的粘结应力与强度：、变形钢筋的粘结应力与强度：n变形钢筋的粘结力除胶着力与摩擦力外，更主要的变
13、形钢筋的粘结力除胶着力与摩擦力外，更主要的是钢筋表面凸出的横肋与混凝土的机械咬合力。是钢筋表面凸出的横肋与混凝土的机械咬合力。n滑移与平均粘结应力的关系：滑移与平均粘结应力的关系：d线线加载端与自由端平均粘结应力和平均滑移量加载端与自由端平均粘结应力和平均滑移量的关系曲线的关系曲线 dl、df线线分别为加载端和自由端的粘结应力和局分别为加载端和自由端的粘结应力和局部滑移间的关系曲线上升段的放大图。部滑移间的关系曲线上升段的放大图。2122n受力过程受力过程五个阶段：五个阶段：p1 微滑移阶段：即微滑移阶段：即o-s段。段。加载初：粘结应力较小，化学粘着力起作用，加加载初：粘结应力较小，化学粘着
14、力起作用，加载端滑移很小，自由端未发生滑移（和光圆钢筋一载端滑移很小，自由端未发生滑移（和光圆钢筋一样）。样）。当粘结应力当粘结应力 达到极限粘结强度达到极限粘结强度 u的的17左右时，左右时，加载端局部区域的化学粘结出现破坏。加载端局部区域的化学粘结出现破坏。随荷载随荷载，粘结破坏逐渐向自由端发展；，粘结破坏逐渐向自由端发展；l肋对混凝土的挤压力以肋对混凝土的挤压力以及钢筋与周围混凝土间的及钢筋与周围混凝土间的摩擦力构成了滑动阻力。摩擦力构成了滑动阻力。l斜向挤压力产生楔的作斜向挤压力产生楔的作用，使肋前的混凝土趋于用，使肋前的混凝土趋于压碎。压碎。23l挤压力的径向分力使外围混凝土环向受拉
15、。挤压力的径向分力使外围混凝土环向受拉。l挤压力的纵向分力使肋前顶点上的混凝土产生很大挤压力的纵向分力使肋前顶点上的混凝土产生很大的拉应力集中。的拉应力集中。l钢筋肋对混凝土的斜向挤压力将产生内部斜裂缝及钢筋肋对混凝土的斜向挤压力将产生内部斜裂缝及径向裂缝。径向裂缝。由加载端开始滑移到内部裂缝形成前，加载端滑由加载端开始滑移到内部裂缝形成前，加载端滑移与粘结应力间近似为线性关系，滑移量相对很小。移与粘结应力间近似为线性关系，滑移量相对很小。24抗内裂缝粘结强度抗内裂缝粘结强度相应于微滑移阶段的终点相应于微滑移阶段的终点s的的粘结应力粘结应力 s。s为相应于内裂缝形成时的粘结应力，为相应于内裂缝
16、形成时的粘结应力，一般为粘结极限强度的一般为粘结极限强度的30左右。左右。p2 滑移阶段，即滑移阶段，即cs段。段。粘结应力超过粘结应力超过 s后，内裂缝出现，并向纵深及试后，内裂缝出现，并向纵深及试件表面发展，同时钢筋肋前的混凝土被挤碎，形件表面发展，同时钢筋肋前的混凝土被挤碎，形成沿钢筋肋的新滑移面。成沿钢筋肋的新滑移面。l钢筋肋对周围混凝土的楔钢筋肋对周围混凝土的楔作用增大，滑移加快，并作用增大，滑移加快，并向自由端发展；向自由端发展；l d曲线斜率减小，并呈曲线斜率减小，并呈明显的非线性，直到径向明显的非线性，直到径向裂缝达到试件表面，并在裂缝达到试件表面，并在加载端出现纵向劈裂裂缝加载端出现纵向劈裂裂缝.25劈裂粘结强度劈裂粘结强度相应于滑移阶段终点相应于滑移阶段终点c的粘结应力的粘结应力 c，一般，一般 c为极限粘结强度的为极限粘结强度的95左右。左右。p3 劈裂阶段，即劈裂阶段，即cu段。段。劈裂裂缝很快向自由端发展，劈裂裂缝很快向自由端发展，自由端滑移量和加载端滑移量接近，自由端滑移量和加载端滑移量接近，粘结应力达到极限值粘结应力达到极限值 u。p4 下降段，即下降段，
