黃炎準(zhǔn)

(福州市建筑設(shè)計(jì)院　福建福州　350011)

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淺談現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中的鋼筋錨固

黃炎準(zhǔn)

(福州市建筑設(shè)計(jì)院福建福州350011)

對(duì)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中的鋼筋錨固的若干問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)與討論，得出：適當(dāng)增加錨固段周邊的縱筋和箍筋能避免其周圍可能出現(xiàn)的局部拉脫現(xiàn)象或開(kāi)裂；在梁簡(jiǎn)支端下部鋼筋的錨固中，鋼筋間距決定了鋼筋與混凝土是否形成粘結(jié)力較差的“鋼筋集團(tuán)”效應(yīng)；梁上部和下部鋼筋在中間各層端節(jié)點(diǎn)(框架邊柱)中的錨固中，鋼筋水平段和豎直段都應(yīng)滿足相應(yīng)的錨固長(zhǎng)度要求；從構(gòu)件受力的具體情況來(lái)判斷“搭接”和“錨固”是一種較為直接可行的方法。

錨固長(zhǎng)度；局部拉脫；鋼筋集團(tuán)效應(yīng)；搭接

0　引言

在現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件之間的連接決定著結(jié)構(gòu)分析對(duì)各構(gòu)件端部約束應(yīng)作何種假定，從而通過(guò)內(nèi)力分析得出連接部位應(yīng)該傳遞的內(nèi)力，在設(shè)計(jì)中則應(yīng)設(shè)法保證不低于構(gòu)件的可靠性水準(zhǔn)來(lái)有效地在連接處傳遞這些內(nèi)力。不少初作設(shè)計(jì)的人常注意了各個(gè)構(gòu)件的截面設(shè)計(jì)，但對(duì)連接部位的設(shè)計(jì)則常未給以足夠關(guān)注，而不少災(zāi)害中的結(jié)構(gòu)損壞，相當(dāng)一部分是由于連接部位的構(gòu)造措施不當(dāng)所導(dǎo)致的傳力能力不足。筆者結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些學(xué)習(xí)和實(shí)踐，對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)與建議，期望引起重視與討論。

1　錨固長(zhǎng)度

所謂“錨固”是指例如一根鋼筋在圖1a所示A-A截面處受力到某種程度時(shí)，可以通過(guò)其從A-A截面向前埋入混凝土的一段長(zhǎng)度鋼筋表面的粘結(jié)能力將拉力P有效地傳入混凝土，從而使其在A-A截面處發(fā)揮出拉力P所必要的抗拔出能力和抗拔出剛度(指滑出量不能過(guò)大)。前者稱“錨固強(qiáng)度”，后者稱為“錨固剛度”。

這里需要特別提醒的是，幾乎所有的文獻(xiàn)或教材都把錨固問(wèn)題局限于上述定義，即局限在通過(guò)粘結(jié)應(yīng)力τ傳遞拉力P的錨固功能上。但同樣重要的是關(guān)注錨固段傳給混凝土的力又會(huì)在其周圍的混凝土中引發(fā)什么樣的受力狀態(tài)。分析表明[1]，如圖1b所示，粘結(jié)應(yīng)力τ將沿鋼筋表面?zhèn)鬟f給混凝土，并在錨固段周圍的混凝土中形成圖1c所示的主應(yīng)力場(chǎng)。這表明，當(dāng)錨固長(zhǎng)度過(guò)短時(shí)，除去鋼筋可能因粘結(jié)破壞而拔出外，還可能將周圍的混凝土沿主壓應(yīng)力跡線拉裂，甚至把周圍呈錐形的混凝土一起拉出，稱為“局部拉脫破壞”。當(dāng)然，如果錨固長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，實(shí)際上就一方面避免了沿錨固段鋼筋表面的粘結(jié)失效和鋼筋的拔出，也防止了周圍混凝土的局部拉脫破壞。周圍混凝土雖然可能不至于局部拉脫，但也可能受拉開(kāi)裂，因此對(duì)于錨固段周圍的混凝土受力問(wèn)題也是在設(shè)計(jì)中應(yīng)認(rèn)真關(guān)注的問(wèn)題。

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 (GB50010-2010)[2]第8.3.2條對(duì)鋼筋錨固長(zhǎng)度的修正系數(shù)進(jìn)行了規(guī)定，以下就其中部分條款進(jìn)行說(shuō)明：

(1)對(duì)于第2款是因?yàn)橥苛谁h(huán)氧樹(shù)脂后鋼筋橫肋的棱邊會(huì)變得稍為圓潤(rùn)，鋼筋表面摩擦系數(shù)也會(huì)相應(yīng)減小，故錨固長(zhǎng)度需適度加長(zhǎng)；而美國(guó)混凝土規(guī)范(ACI318-05)[3]根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)研究[4-5]做了更細(xì)致的規(guī)定，對(duì)于混凝土涂層鋼筋或鋼絲，當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度小于3倍鋼筋直徑或者當(dāng)凈間距小于6倍鋼筋直徑時(shí)，修正系數(shù)取1.5，其余情況的環(huán)氧涂層鋼筋或鋼絲的取值都為1.2。

(2)拉拔試驗(yàn)表明，當(dāng)錨筋周圍混凝土厚度均大于4.5d時(shí)，不加箍筋也不會(huì)產(chǎn)生圖2中鋼筋環(huán)向張力產(chǎn)生的劈裂破壞。第4款規(guī)定周圍混凝土厚度大于3d且配有箍筋時(shí)錨長(zhǎng)可減至0.8la是有試驗(yàn)依據(jù)的。

與受拉鋼筋的錨固相比，受壓鋼筋的錨固有兩個(gè)有利條件。一是鋼筋受壓后也要側(cè)向膨脹(泊松比)，可以稍事增大鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)效應(yīng)(鋼筋受拉時(shí)則橫向縮小，不僅沒(méi)有受壓時(shí)的有利效應(yīng)，反而有不利效應(yīng))；二是鋼筋錨固段末端面以外如果有較厚的混凝土，則末端面對(duì)混凝土有頂壓力，而其反作用力將增大受壓鋼筋的錨固能力。

但已完成的如圖3的貫穿式受壓錨固性能試驗(yàn)表明，這時(shí)因?yàn)闆](méi)有鋼筋端面的頂壓阻力，所以錨固長(zhǎng)度至少要0.85la[1]。這表明，如果工程中出現(xiàn)了受壓鋼筋的類似于圖3的錨固環(huán)境，規(guī)范規(guī)定的0.7la的受壓錨固長(zhǎng)度就是不足的。

2　梁簡(jiǎn)支端下部鋼筋的錨固

端支座視為簡(jiǎn)支端的情況多數(shù)只出現(xiàn)在多層房屋墻、柱采用磚砌體，樓蓋為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的情況。

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的第9.2.1條對(duì)梁內(nèi)縱筋間距和伸入支座鋼筋根數(shù)進(jìn)行規(guī)定。結(jié)合這一條需要說(shuō)明的是：在錨固區(qū)等高粘結(jié)應(yīng)力區(qū)，除去錨固長(zhǎng)度、周圍的混凝土厚度和周圍配箍這幾個(gè)影響錨固粘結(jié)性能的主要因素后，鋼筋間距也是一個(gè)很重要的因素。這是因?yàn)檎辰Y(jié)是在鋼筋與其四周混凝土產(chǎn)生沿鋼筋軸線方向相對(duì)變形時(shí)的傳力效應(yīng)。因此，如圖4a所示，當(dāng)鋼筋與鋼筋間距較大時(shí)，每根鋼筋與其四周混凝土的變形關(guān)系是各自獨(dú)立的；當(dāng)若如圖4b那樣，鋼筋間距過(guò)近，則各根鋼筋與混凝土的變形關(guān)系將相互影響，也就是說(shuō)各根鋼筋與各自周圍混凝土之間的相對(duì)變形發(fā)揮得不很充分，反而是“鋼筋集團(tuán)”與其周邊混凝土(圖4b中虛線)之間的相對(duì)變形起著主導(dǎo)作用。這意味著與單根鋼筋單獨(dú)在其四周混凝土中形成的粘結(jié)效應(yīng)相比，集團(tuán)粘結(jié)效應(yīng)會(huì)相對(duì)較弱。這是因?yàn)橄鄬?duì)于集團(tuán)鋼筋的總拉力而言，圖4b虛線所示粘結(jié)面積所提供的粘結(jié)能力比單根鋼筋獨(dú)立粘結(jié)條件要差。

(a)間距大，形成單根鋼筋獨(dú)立的粘結(jié)環(huán)境(b)間距小，形成鋼筋集團(tuán)粘結(jié)環(huán)境
圖4間距對(duì)鋼筋粘結(jié)效應(yīng)的影響

3　梁上部和下部鋼筋在中間各層端節(jié)點(diǎn)(框架邊柱)中的錨固

梁筋在框架邊柱中的錨固是保證梁與柱連接(即保證接頭強(qiáng)度)的重要措施，因此對(duì)鋼筋的錨固強(qiáng)度和剛度都應(yīng)給以重視。根據(jù)規(guī)則框架典型彎矩分布可知，中間層端節(jié)點(diǎn)的梁端的組合負(fù)彎矩是由豎向荷載負(fù)彎矩和相應(yīng)方向水平荷載負(fù)彎矩組成的，因此梁端上部鋼筋通常是按截面抗負(fù)彎矩需要確定的。

當(dāng)柱截面尺寸不夠大，放不下梁上部筋的直線錨長(zhǎng)時(shí)，則可采用帶90°折尾段的錨固方式。試驗(yàn)表明，這種錨固方式的主要錨固能力是由拉拔端到彎弧起點(diǎn)的水平錨固段的粘結(jié)效應(yīng)提供的[1]。

當(dāng)水平錨固段是夠長(zhǎng)時(shí)，彎弧及以后的尾段基本不受拉(只作為后備措施考慮)，水平段的粘結(jié)滑移小，如圖5中oa線所示，直到拉拔端鋼筋屈服，錨固段的強(qiáng)度足夠，剛度也很好(拉拔端滑出重小，梁端裂逢不會(huì)惡性加寬)。若水平錨固段稍短(如圖5中的ob線)，在b點(diǎn)處水平段主要長(zhǎng)度上的粘結(jié)應(yīng)力達(dá)到峰值，滑移加大，但拉拔端鋼筋仍能拉到屈服。即錨固強(qiáng)度夠，錨固剛度還可以，但不如oa線。水平段再短，其粘結(jié)能力就將在oc線的c點(diǎn)退化，隨著拔出量的迅速增大，拉力還會(huì)上升，但在滑出重很大之前，已達(dá)不到屈服拉力。 這樣的錨固段就已經(jīng)不滿足錨固的要求。

在GB50010-2002規(guī)范版本中根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果將水平投影長(zhǎng)度定為0.4la,將豎直投影長(zhǎng)度定為15d。從試驗(yàn)結(jié)果看，在不考慮可靠性的條件下，對(duì)于C25及以上的混凝土，這一錨固規(guī)定可以保證錨固端具有圖5中oa線的特征。

4　關(guān)于鋼筋“搭接”和“錨固”問(wèn)題的識(shí)別

“搭接”是鋼筋的一種接頭方式，即在鋼筋重疊的搭接接頭范圍內(nèi)，一根鋼筋將其所受的拉力或壓力通過(guò)粘結(jié)效應(yīng)經(jīng)混凝土均勻地傳給另一根鋼筋。它實(shí)現(xiàn)的是鋼筋與鋼筋之間的傳力。而“錨固”則是鋼筋經(jīng)錨固長(zhǎng)度將其拉力或壓力經(jīng)粘結(jié)效應(yīng)傳給錨固區(qū)的混凝土。

但是在實(shí)際工程中也會(huì)有些情況可能需要對(duì)到底是屬于“錨固”問(wèn)題還是“搭接”問(wèn)題作出識(shí)別，以便正確處理?？蚣苤袑儆诖罱拥闹挥许攲佣斯?jié)點(diǎn)處的梁、柱負(fù)彎矩受拉鋼筋以及柱和梁中鋼筋接長(zhǎng)時(shí)使用的搭接接頭，但也有些情況是需要專門識(shí)別的。例如在圖8所示的框架節(jié)點(diǎn)處，如果能確認(rèn)節(jié)點(diǎn)上部柱下端截面作用彎矩總是與節(jié)點(diǎn)下部柱上端作用彎矩反號(hào)的(圖6a),也就是一側(cè)拉筋在節(jié)點(diǎn)以上為受拉時(shí)，節(jié)點(diǎn)以下的該柱筋總為受壓，可反過(guò)來(lái)，則這時(shí)從概念上說(shuō)，上、下柱筋就可以分別伸入節(jié)點(diǎn)，并錨固在節(jié)點(diǎn)內(nèi)，也就是其各自伸入節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)度按錨固長(zhǎng)度確定。若確認(rèn)節(jié)點(diǎn)上、下柱端作用彎矩有可能同時(shí)為同號(hào)，即同一側(cè)鋼筋在節(jié)點(diǎn)上、下同時(shí)為受拉或受壓(圖6b)，則鋼筋就只能按搭接接頭處理，按規(guī)定搭接接頭應(yīng)設(shè)在節(jié)點(diǎn)以外，例如設(shè)在上柱下端(非抗震情況)，或設(shè)在離上柱下端一定矩離的柱段中部(抗震情況)。

通過(guò)這個(gè)對(duì)比實(shí)例可以看出應(yīng)從構(gòu)件受力的具體情況來(lái)判斷是屬于“搭接”還是屬于“錨固”。

5　結(jié)論

本文對(duì)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的相互連接及鋼筋錨固的若干問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)與討論，得出：適當(dāng)增加錨固段周邊的縱筋和箍筋能減少其周圍可能出現(xiàn)的局部拉脫現(xiàn)象或開(kāi)裂；鋼筋錨固長(zhǎng)度的修正系數(shù)可以參照美國(guó)規(guī)范進(jìn)行更全面的細(xì)化，保證安全度；受壓鋼筋錨固應(yīng)注意保證端部混凝土的厚度；在梁簡(jiǎn)支端下部鋼筋的錨固中，鋼筋間距決定了鋼筋與混凝土是否形成粘結(jié)力較差的“鋼筋集團(tuán)”效應(yīng)；在梁上部和下部鋼筋在中間各層端節(jié)點(diǎn)(框架邊柱)中的錨固中，鋼筋水平段和豎直段都應(yīng)滿足相應(yīng)的錨固長(zhǎng)度要求；從構(gòu)件受力的具體情況來(lái)判斷是屬于“搭接”還是屬于“錨固”，是一種較為直接可行的方法。

構(gòu)件連接與鋼筋錨固的其他相關(guān)問(wèn)題還有很多，如箍筋的錨固，現(xiàn)澆板內(nèi)的鋼筋在板支座處的錨固，柱筋在基礎(chǔ)中的錨固等，有待筆者進(jìn)一步的工程實(shí)踐與學(xué)習(xí)。

[1]白紹良. 混凝土結(jié)構(gòu)講義[M]. 重慶：重慶大學(xué)出版社, 2005.

[2]GB50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]白紹良. ACI318-05美國(guó)房屋建筑混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范[M].重慶：重慶大學(xué)出版社,2005.

[4]Treece，R.A.,and Jirsa,J.O.,”Bond Strength of Epoxy-Coated Reinforcing Bars,”ACI Materials Journal,V.86,NO.2,Mar.-Apr.1989,pp.167-174.

[5]Johnston,D.W., and Zia,P.,”Bond Characteristics of Epoxy-Coated Reinforcing Bars,”Department of Civil Engineering,North Carolina State University,Report No.FHWA/NC/82-002,Aug.1982.

[6]白紹良.框架中間層端節(jié)點(diǎn)梁筋直角彎折錨固端設(shè)計(jì)概念及方法的改進(jìn)[J].重慶建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1994(3).

Preliminary analysis of the steel bar anchoring in the cast-in-place structure

HUANG Yanzhun

(Fuzhou Architectural Design Institute, Fuzhou 350011)

In this paper,some issues about the steel bar anchoring in the cast-in-place structure are discussed.Appropriate to increase the longitudinal bars and the stirrup around the anchorage section,it could avoid the local pulling off and cracking;In the bar anchorage at the bottom of the simply supported beam end,the distance of bars decides whether steel bar and concrete jointly form the steel group effect,which has a poor bonding strength. The steel bar anchorage at the top and bottom of Beam in the end nodes of each layer,the horizontal and vertical section should meet the anchorage length.Distinguishing overlap and anchorage according to the force condition of component is a directly practical method.

The length of anchorage;Local pulled off;Steel group effect; Overlap

黃炎準(zhǔn)(1989.3-)，男，工程師。E-mail:804835386@qq.com

2016-08-05

TU3

A

1004-6135(2016)09-0065-03