钢筋与混凝土的粘结滑移性能读书报告.docx

1、钢筋与混凝土的粘结滑移性能读书报告钢筋与混凝土的粘结与滑移读书报告钢筋与混凝土的粘结与滑移读书报告一概述钢筋与混凝土的粘结是钢筋与外围混凝土之间的一种复杂的相互作用，通过它来传递二者的应力，协调变形。这是钢筋与混凝土两种材料组成的复合构件共同共做得基本前提。通常所谓粘结应力是指沿钢筋与混凝土接触面上的剪应力，实际上钢筋外围的混凝土的应力及变形状态要复杂得多粘结应力使钢筋应力沿钢筋长度而变化；反之，没有钢筋应力的变化，就不存在粘结应力。1.裂缝出现前的粘结作用1,2 图1.裂缝出现前钢筋混凝土梁中钢筋与混凝土间的粘结作用图1给出了钢筋混凝土简支梁在两对称的集中荷载作用下的弯矩图。在梁的剪弯段（集

2、中荷载和支座的部分）取出长度为x的梁段隔离体和钢筋的隔离体。由材料力学的相关知识可求得作用在钢筋隔离体两端的拉力： , （1）式中M，M梁段隔离体两端的弯矩；截面内力臂的长度。于是（2）由钢筋隔离体的平衡条件得作用在钢筋表面的粘结应力为： （3）式中V梁中的剪力；s钢筋的周长。由式（3）可知，尽管梁中未出现裂缝，由于在梁的剪弯段中任意两截面处的拉应力不相等，钢筋和混凝土之间仍有粘结作用。钢筋表面粘结应力的分布与梁中剪力的分布规律相同。实际上，混凝土中有微裂缝，粘结应力的分布规律因微裂缝的存在还会发生变化。2.裂缝出现后的粘结作用裂缝出现后，钢筋混凝土构件中的粘结问题按作用性质可分为两类：锚固粘

3、结问题和裂缝间的局部粘结问题3,4。 工程上经常会遇到钢筋结断或搭接的情况，比如钢筋伸入梁端支座或梁柱节点是比需要有足够的锚固长度；连续梁跨间的钢筋非焊接接头必须有足够的延伸长度等。构件中具有足够锚固长度的钢筋，通过粘结长度上的粘结应力积累，才能使钢筋的应力达到其设计强度。在此区段内，钢筋的应力差大，粘结应力高，且分布变化大。如果钢筋因粘结锚固能力不足而发生滑动，不仅其强度不能充分发挥，还将导致构件的开裂和承载力下降，甚至提前失效。（a）梁端支座锚固 （b）梁柱节点锚固 （c）连续梁跨间搭接 （d）连续梁 （e）悬臂梁图.锚固粘结裂缝间的局部粘结问题是在相邻两个开裂截面之间产生的。受拉构件或梁

4、受拉区的混凝土开裂后，裂缝截面上的混凝土退出工作，使钢筋承受更大的拉应力；开裂截面上钢筋的拉应力通过裂缝两侧的粘结应力向混凝土传递，使未开裂的混凝土受拉。这种情况下，裂缝段的钢筋应力差值较小，但钢筋平均应力值高。裂缝截面间的局部粘结应力的大小，反映了受拉区混凝土参加工作的程度，同时影响钢筋混凝土构件中裂缝的开展与分布。（a）受拉构件 （b）梁受拉区图3.缝间粘结二.粘结力的组成钢筋和混凝土之间的粘结力或者抗滑移力，由三部分组成：1.混凝土中的水泥凝胶体在钢筋表面产生的化学粘着力或吸附力，其抗剪极限值取决于水泥的性质和钢筋表面的粗糙程度。当钢筋受力后变形，发生局部滑移后，粘着力就丧失了。2.周围

5、混凝土对钢筋的摩阻力，当混凝土的粘着力破坏后发挥作用。它取决于混凝土发生收缩或者荷载和反力等对钢筋的径向压力，以及两者间的摩擦系数等。3.钢筋表面粗糙不平，或变形钢筋凸肋和混凝土之间的机械咬合作用，即混凝土对钢筋表面斜向压力的纵向分力。其极限值受混凝土的抗剪强度控制。其实，粘结力的三部分都与钢筋表面的粗糙程度和锈蚀程度密切相关，在试验中很难单独量测或严格区分。而且在钢筋的不同受力阶段，随着钢筋滑移的发展，荷载的加卸等各部分粘结作用也有变化。三.破坏模式钢筋混凝土的粘结有两种典型的破坏方式：劈裂破坏和拔出破坏。劈裂破坏是脆性破坏，在实际工程中最大粘结强度发挥之前应避免这种破坏的发生。粘结试验主要

6、分析研究对象是-s曲线，典型拔出试验的-s图包括5个受力阶段(图4)即微滑移段()、滑移段()、劈裂段()、下降段()、残余段()。图4. 典型粘结应力滑移关系曲线四.试验方法现有的粘结试验，基本可分三类：中心拔出试验、梁式试验、局部粘结滑移试验、长埋长局部粘结滑移试验。1.中心拔出试验中心拔出试验的试件制作及试验装置比较简单(图5)，试验虽然存在混凝土压应力的影响，但结果便于分析，特别是对于钢筋外形特征的变化比较敏感，常用作对钢筋粘结性能进行相对比较的基准。图5 拔出试验装置示意图试件常为棱柱体或圆柱体，钢筋埋设在中心部位,水平方向浇注混凝土。试验时，试件的一端支撑在带孔的钢垫板上，试验机夹

7、持外露钢筋端施加拉力，直至钢筋被拔出或者屈服。加载端设置一段无粘结区域，减少加载端垫板对混凝土的约束，以防止粘结锚固强度偏高。对螺纹钢筋，试件常因纵向劈裂而破坏，可增加保护层厚度或配置箍筋约束混凝土劈裂裂缝的开展，得到变形钢筋被拔出的结果。2.梁式试验梁式试验一般有全梁式试验(图6)和半梁式试验(图7)两种，试件尺寸和构造有多种。因为其与实际构件受力相符，常用于确定梁纵筋的延伸长度等构造要求。半梁式试验，可以减少构件尺寸和试验成本，同时可以调整弯矩与剪力的比例，甚至可以施加“销栓力”5。图6梁式试验装置示意图1-量测钢筋滑移值的装置；2-塑料套管；3-量的试验铰；la-粘结锚固长度；d-钢筋直

8、径图7.半梁式试验装置3.局部粘结滑移试验上述两种试验方法得到的只是平均粘结应力与试件加载端或自由端的关系，并不能代表试件内部的局部s关系。有限元方法的应用要求以可靠的数学模型形式给出钢筋与混凝土的相互作用关系。局部粘结滑移试验方法能够反映钢筋与混凝土接触面处的力和位移（即局部粘结应力与局部滑移的基本规律）是提供有限元计算所需的数学模型的前提和基础。局部粘结滑移试验方法采用的短埋长拔出试件如图8所示6,7。图8.短埋长拔出试验的试件构造4.长埋长局部粘结滑移试验8长埋长局部粘结滑移试验一般也叫钢筋内贴应力片试验。由于其量测粘结滑移的方法独特，而且能研究粘结应力和滑移的关系随锚长的变化，因此专分

9、一类，见图9和图10。通过测量钢筋及混凝土的应变分布，利用公式(4)间接地求得相对滑移sx。图9.内贴应变片半钢筋详图图10.内贴应变片钢筋外观图 （4）式中 钢筋应变； 混凝土应变。通过钢筋应力差的变化可求粘结应力。粘结试验测量的基本参数如下：1. 钢筋与混凝土的相对滑移s；2. 钢筋加载端拉拔力F；3. 钢筋和混凝土局部应变。五.影响因素1混凝土强度随着混凝土强度提高，钢筋与混凝土的粘结力提高，且粘结力的提高与混凝土劈裂强度成正比。同时，混凝土的组分也影响粘结强度9。2钢筋在混凝土中的相对位置水平浇筑的钢筋比垂直浇筑的钢筋粘结力显著降低，而在构件顶部的钢筋比在构件底部的钢筋粘结力差。3钢筋

10、直径和外形直径越大的钢筋，相对粘结面积越小，不利于极限粘结强度。光面钢筋的粘结力显然低于变形钢筋的粘结力。变形钢筋主要有月牙纹和螺旋钢筋，经过试验比较，月牙纹钢筋粘结锚固强度较低，滑移发生较早且发展较快，但下降段平缓，后期强度相对减小较慢，延性较好，在大滑移变形下仍能维持抗力，对结构抗震是一个有利因素。4保护层厚度和钢筋净间距光面钢筋，此因素影响不大。对于变形钢筋，保护层厚度和钢筋净间距的增加，会提高粘结力，但当保护层厚度过大时，粘结破坏形式由劈裂破坏转向混凝土齿剪破坏，该因素就不再起作用了。5横向配筋横向配筋使粘结力提高,延性增加。6外部压力一定的外部压力会提高粘结力，其值与外部压力的平方根

11、成正比，破坏形式为剪切型破坏，破坏时端部滑移较大。但压力过大时，粘结力不但不增加，反而降低，这是由于与压应力垂直方向的横向拉应力显著增加造成的。7钢筋预埋长度试件中钢筋的埋长越长，则受力后的粘结应力分布越不均匀，试件破坏时的平均粘结强度与实际最大粘结应力的比值越小，故试验粘结强度随埋长的增加而降低。当钢筋的埋长l/d5后，平均粘结强度值的折减已不大。埋长很大的试件，钢筋加载段达到屈服而不被拔出10。六.本构模型从粘结滑移本构关系建立的方法看，可以把它们归纳为4种，分述如下11。1.由实测的端部荷载滑移关系得到的粘结滑移本构关系；2.理论分析或理论分析与试验相结合12；3.用界面附近混凝土的应变

12、来代替界面上混凝土的应变建立位置函数13；4.用截面上混凝土的平均应变乘以应变不均匀系数作为界面上混凝土的应变。影响粘结强度的因素很多，使得钢筋与混凝土界面的传力机理复杂，试验所得的曲线比较分散，研究者拟合过许多粘结滑移曲线，但这些曲线之间也有较大的差异，几个较具有代表性的关系式如下。1.Nilson公式14（5）其中，的单位为N/mm2，S的单位为mm。2.Houde和Mirza公式15（6）其中，的单位为N/mm2，S的单位为mm。3. 清华大学公式清华大学滕智明考虑了粘结力随锚固长度而发生变化，他提出以下的计算公式：（7）其中，F(x)为用来描述粘结滑移关系随不同锚深变化的位置函数。的单

13、位为N/mm2，S的单位为mm。人们将Nilson及Houde的数据代入清华大学公式中，发现Nilson公式反映了粘结滑移点在裂缝中间的情况，而Houde公式则反映了粘结滑移点在靠近裂缝或者构件端部的情况，清华大学公式由于引入了位置函数，有着更为广泛的适应性。由现阶段存在的本构模型可知，有些表达式非常简洁，应用起来也很简单（如式（5）和式（6），但缺点是无法反映诸多因素的影响，只能在小范围内使用；有些表达式能综合考虑各种粘结条件的影响，但表达式较复杂（如式（7），可以反映诸多因素的影响，但实际应用困难。另外，由于影响粘结的因素太多，以至于很难得到一个真正通用而又易于应用的表达式，因此对于一些特

14、殊的粘结问题，有必要进行单独的试验和研究16。七.有限元分析1.有限元的种类目前，钢筋混凝土接都分析中的有限元模型主要有三种：即整体式、组合式和分离式。整体式模型是去结构物在外荷载作用下的宏观反应（如结构的总体位移和应力分布情况等），在忽略钢筋与混凝土之间的相对滑移时，可以把钢筋混 凝土看作是均匀材料，用单一的本构关系来表达材料的性能。组合式模型是假定钢筋和混凝土之间的相互粘结很好，不会有相对滑移，把钢筋的刚度组合在混凝土单元刚度矩阵中，由平衡方程求出节点位移。分离式模型是把混凝土和钢筋作为不同的单元来处理，将混凝土和钢筋各自划分成足够小的单元模式，按照混凝土和钢筋不同的力学性能选择不同的单元

15、形式。因此，用有限元分析粘结滑移时，只能使用分离式模型。2.粘结单元的种类钢筋混凝土结构受到外力作用后，钢筋和混凝土之间在相互约束的同时会产生相对滑移，为模拟两者之间的这种粘结约束和相对滑移，需加入联结单元。联结单元的特点是，既能沿着与联结面垂直的方向传递压力，也能沿着联结面平行的方向传递剪应力，但不能传递拉应力。近十几年来，国内外已提出了多种不同形式的联结单元模式。在钢筋混凝土有限元分析中，粘结单元的种类较多：有粘结链单元、四点接触单元、六点接触单元、粘结区单元、斜压杆单元、斜压杆粘结单元等6。1）粘结链单元粘结链单元（又称为双弹簧联结单元）是在垂直于钢筋和平行于钢筋表面方向设置相互垂直的一

16、组弹簧。这组弹簧是假想的力学模型，具有弹簧刚度，但无实际几何尺寸，所以可以放置在需要设置联结的任何地方，在空间问题中，可以使用两两正交的三弹簧单元。粘结链单元形式简单，可以方便地放置在钢筋与混凝土单元之间，而不影响单元划分的优点，但它不能反映变形钢筋对混凝土的锲作用。2）四点接触单元四点接触单元（又称为四点线性节理单元）是一种退化了的四边形单元，即宽度等于零的四边形单元。它首先由Goodman用于岩石力学中作为节理单元，然后又隐身用于各种边界接触面的单元，如钢筋混凝土间的粘结单元。由于这种单元宽度等于零，所以可以很方便地放置于钢筋和混凝土之间而不影响单元的几何划分。又由于这种单元由四边形单元退

17、化而来，可以与四结点平面等参单元剪力更为协调的关系。3）六节点接触单元六节点接触单元（又称为六节点曲边节理单元）的上下边界都是曲线，单元的宽度可以采用有限厚度，也可以假定为零，它是为了是节理单元能与八结点等参单元联结而提出的。4）粘结区单元粘结区单元（又称为三维粘结单元）是由Groot 在1981年提出的，这种单元假定钢筋外围有一厚度为r的圆柱体滑移层，它由一系列平行的受压锥体组成，用以模拟出现内部斜裂缝后，混凝土被分割成锥状的软化层。粘结区单元在模拟粘结作用上比双弹簧单元本质上有改进，它能反映变形钢筋的锲作用，但由于它是有实际尺寸的轴对称单元，用于二维或三维有限元分析时，在单元划分上将带来很

18、大的复杂性，而且计算工作量大。5）斜压杆单元斜压杆单元是滕智明教授基于长期试验研究和有限元分析的结果而提出的粘结单元模型。这种单元将截面上的切向粘结锚固作用和径向挤压作用综合考虑，反映了变形钢筋粘结锚固性能中的锥锲作用。斜压杆粘结单元具有弹性刚度，但无实际尺寸，可以设置在单元结点处或界面处构成连续的接触单元，而不影响单元的划分。八.研究热点鉴于粘结机理的复杂性，加上新材料、新情况的出现，钢筋与混凝土之间的粘结性能的研究仍将是钢筋混凝土理论研究的热点。目前关于钢筋与混凝土粘结锚固性能的研究可以归纳为以下几个方面17：1.新材料新技术的应用混凝土的强度、钢筋的品种都是影响粘结的主要因素，随着建筑业

19、的发展，所用的材料强度越来越高，钢筋新品种不断出现需要对粘结性能的各项指标进行试验研究。李方元18结合高强混凝土与变形钢筋的粘结滑移拔出试验，总结出高强混凝土和普通混凝土与钢筋间粘结性能的差异。牟晓光6在博士论文中系统研究了高预应力钢筋的粘结性能。2.钢筋混凝土粘结耐久性研究随着人们对结构耐久性问题认识的加深，最近几年有一些学者涉足于钢筋与混凝土粘结耐久性的研究，锈蚀钢筋与混凝土粘结关系是研究锈蚀结构性能的基础，也是腐蚀混凝土结构进行有限元分析的基础19,20。方从启等21研究了混凝土中腐蚀钢筋在反复荷载作用下的粘结滑移特性。研究的参数包括钢筋腐蚀率和钢筋的侧向约束。 试验结果表明，钢筋腐蚀率

20、较低时，腐蚀减弱了加载过程中的粘结强度损失。而腐蚀率较高时，腐蚀则显著增大了粘结强度损失，卸载时的粘结应力水平仅为加载时的 3/4。无约束试件在达到最大粘结应力之后劈裂破坏，此时的滑移很小。与此形成对比，受约束试件最终表现为拔出破坏，此时的相对滑移较大但裂缝宽度较小，约为0.2mm。 较之于有约束试件，无约束试件的粘结强度随腐蚀率变化的趋势更为显著。 较高腐蚀率时，前5个加载循环会引起较大的粘结损失。郑晓燕22研究了锈蚀程度、锚固长度对钢筋与混凝土之间粘结滑移的影响。结果表明：自由端初滑移是在整个锚固长度内胶着力破坏后才开始；钢筋锈蚀深度越大，自由端初滑移荷载越小，加载端和自由端滑移差越小；锚

21、固长度越短，两端滑移差越小。根据实测资料，拟合出了残余滑移量计算公式。基于几个循环的粘结应力与滑移曲线的分析，探究了动荷载下锈蚀钢筋混凝土的粘结机理，动荷载下肋前混凝土受压变形比静载作用下的大，钢筋锈蚀物膨胀产生内裂缝，从而使得动载下锈蚀钢筋与混凝土之间的滑移量比静载下钢筋与混凝土之间的滑移量大。研究结果对动力荷载下服役钢筋混凝土结构的受力性能分析和结构耐久性设计具有指导意义。张伟平23研究了锈胀开裂后钢筋混凝土粘结滑移本构关系。采用外加电流加速钢筋锈蚀的方法，控制试件表面不同锈胀裂缝宽度。在钢筋开槽，内贴应变片的半梁式粘结试验的基础上，根据实测结果和理论分析，获得不同试件锚固长度内粘结应力及

22、钢筋混凝土相对滑移的分布规律，推导出s关系沿锚固长度的变化规律，从而提出了不同锈胀程度下，反映这种变化规律的位置函数(x)，建立考虑锚固位置影响的锈后钢筋混凝土粘结滑移本构关系，为锈后钢筋混凝土构件的有限元分析计算提供依据。综上所述，钢筋混凝土粘结耐久性的研究，主要是锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的研究，通常是将不同锈蚀程度的试件进行拉拔或受弯试验，从试验数据中得出结论。在已有的研究中，尚存在如下不足：未考虑混凝土的非线性，用试件截面混凝土的平均应变代替钢筋和混凝土界面处混凝土的应变，建立的粘结滑移本构关系大多没考虑沿锚长不同位置的差异，多为平均粘结应力与端部滑移的关系。九.展望1.尽管目前的试验方

23、法有多种，但是大多仅限于静态的或拟静态的试验研究。对于抗震要求的结构构件，还应研究动态的粘结滑移性能。进而为抗震设计提供可靠的依据24,25。2.对于一些特殊的粘结问题，有必要进行单独的试验和研究。3.用有限元分析钢筋混凝土的粘结滑移问题时，自行编写程序进行计算能够方便地实现新提出的单元类型或新的算法，但是自编程序难以推广应用，因此成果很难在同行中交流并造成许多重复性劳动。可采用商业软件ANSYS作为计算工具，进行二次开发。参考文献：1 顾祥林 混凝土结构基本原理同济大学出版社 20042 Park R, Paulay T. Reinforced Concrete Structures. Ne

24、w York: John Wiley &Sons,19753 过镇海 钢筋混凝土原理 清华大学出版社 19994 王传志、滕智明 钢筋混凝土结构理论 中国建筑工业出版社 19835 Kemp E L, Wilhelm W J. Investigation of the parameters influencing bond cracking. ACI Journal, Proceedings, 1979, 76(1):47716 牟晓光 高强预应力钢筋粘结性能试验研究及数值模拟 博士学位论文 大连理工大学 2005.107 Edwards A D, Yannopouls P J. Local

25、bond-stress to slip relationships for hot rolled deformed bars and mild steel pains bars. ACI Journal, Proceedings, 1979, 76(3):4054208 杜锋、肖建庄、高向玲 钢筋与混凝土间粘结试验方法研究 结构工程师 2006.4 Vol22. No.2 93979 Mor Avi. Steel-concrete Bond in High-strength Lightweight Concrete. ACI Material Journal, 1992, 89(1): 768

26、210 郑永阳 钢筋与混凝土粘结性能研究综述山西建筑2005.10Vol.31,No.24 656611 郑晓燕、吴胜兴 钢筋混凝土粘结滑移本构关系建立方法的研究四川建筑科学研究2006.2Vol.32,No.1 182112 Somayaji S,Shah S P. Bond stress versus slip relationship and Cracking response of tension membersJ.ACI Journal, 1981, 78(3): 2172224.13 Nislon A H. Internal measurement of bond-slipJ.AC

27、I Struc-tural Journal, 1972, 69(7): 4392441.14 A. H. Nilson: Internal measurement of bond-slipJ.ACI Journal. July, 1972. 439441.15 S. M. Mirza, J. Houde: Study of bond-slip relationship in reinforced concreteJ.ACI Journal. Jan, 1979.1946.16 张盟、安明 钢筋与混凝土粘结性能的研究进展房材与应用2006.1Vol.34,No.185 14-1617 郑晓燕锈蚀

28、钢筋与混凝土动态粘结性能研究博士论文河海大学200418 李方元不同混凝土基体与变形钢筋的粘结滑移特性工业建筑2002Vol.32,No.10 313219 Cadoni E, etal. High-strain-rate tensile behavior of concrete J. Magazine of Concrete Research, 2000,52 (5):36537020 Soh C K,Etal. Damage Model Based Reinforced-Concrete Element J. ASCE Journal of Material in civil engine

29、ering, 2003, 129 (4):37138021 方从启反复荷载下腐蚀钢筋与混凝土的粘结特性混凝土与水泥制品2005.10 81022 郑晓燕、吴胜兴 动荷载下锈蚀钢筋混凝土粘结滑移特性的试验研究土木工程学报2006.6Vol.39,No.6 424623 张伟平、张誉锈胀开裂后钢筋混凝土粘结滑移本构关系研究土木工程学报2001.10Vol.34, No.5 404424 Tassios TP. Analytical studies on reinforced concrete members under cyclic loadings based on bond stress slip relationships J.ACI Structural Journal, 1981,78: 20621625 Rossi P, Mier V. Effect of loading rate on the strength of concrete subjected to un-axial tension J. Materials and Structures, 1994, 27:260264