- 水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)(第5版)
- 河海大學(xué) 武漢大學(xué) 大連理工大學(xué) 鄭州大學(xué)
- 3141字
- 2021-10-29 21:25:59
1.3 鋼筋與混凝土的粘結(jié)
1.3.1 鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力
鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)是這兩種材料能組成復(fù)合構(gòu)件共同受力的基本前提。一般來說,外力很少直接作用在鋼筋上,鋼筋所受到的力通常都要通過周圍的混凝土來傳給它,這就要依靠鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力來傳遞。鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力如果遭到破壞,就會(huì)使構(gòu)件變形增加、裂縫劇烈開展甚至提前破壞。在重復(fù)荷載特別是強(qiáng)烈地震作用下,很多結(jié)構(gòu)的毀壞都是由于粘結(jié)破壞及錨固失效引起的。
為了加強(qiáng)與混凝土的粘結(jié),鋼筋需軋制成有凸緣(肋)的表面。在我國(guó),這種帶肋鋼筋常軋成月牙肋。
圖1-20 鋼筋拉拔試驗(yàn)1—加荷端;2—自由端
鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)應(yīng)力可用拉拔試驗(yàn)來測(cè)定,即在混凝土試件的中心埋置鋼筋(圖1-20),在加荷端拉拔鋼筋。沿鋼筋長(zhǎng)度上的粘結(jié)應(yīng)力τb可由兩點(diǎn)之間的鋼筋拉力的變化除以鋼筋與混凝土的接觸面積來計(jì)算。即
式中 Δσs——單位長(zhǎng)度上鋼筋應(yīng)力變化值;
As——鋼筋截面面積;
u——鋼筋周長(zhǎng);
d——鋼筋直徑。
測(cè)量鋼筋沿長(zhǎng)度方向各點(diǎn)的應(yīng)變,就可得到鋼筋應(yīng)力σs圖及粘結(jié)應(yīng)力τb圖,圖1-21為一拉拔試驗(yàn)的實(shí)測(cè)結(jié)果。

圖1-21 鋼筋應(yīng)力及粘結(jié)應(yīng)力圖
(a)13光圓鋼筋;(b)
13帶肋鋼筋
從試驗(yàn)可以看出,對(duì)于光圓鋼筋,隨著拉拔力的增加,τb圖形的峰值位置由加荷端向內(nèi)移動(dòng),臨近破壞時(shí),移至自由端附近,同時(shí)τb圖形的長(zhǎng)度(有效埋長(zhǎng))也達(dá)到了自由端。對(duì)于帶肋鋼筋,τb圖形的峰值位置始終在加荷端附近,有效埋長(zhǎng)增加得也很緩慢。這說明帶肋鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度大得多,鋼筋中的應(yīng)力能夠很快向四周混凝土傳遞。
試驗(yàn)表明,光圓鋼筋的粘結(jié)力由三部分組成:①水泥凝膠體與鋼筋表面之間的膠結(jié)力;②混凝土收縮,將鋼筋緊緊握固而產(chǎn)生的摩擦力;③鋼筋表面不平整與混凝土之間產(chǎn)生的機(jī)械咬合力。帶肋鋼筋的粘結(jié)力除了膠結(jié)力與摩擦力等以外,更主要的是鋼筋表面凸出的橫肋對(duì)混凝土的擠壓力(圖1-22)。
圖1-22 鋼筋橫肋對(duì)混凝土的擠壓力
1—鋼筋凸肋上的擠壓力;2—內(nèi)部裂縫
影響粘結(jié)強(qiáng)度的因素除了鋼筋的表面形狀以外,還有混凝土的抗拉強(qiáng)度、澆筑混凝土?xí)r鋼筋的位置、鋼筋周圍的混凝土厚度等:
(1)光圓鋼筋與帶肋鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度都隨混凝土強(qiáng)度的提高而提高,大體上與混凝土的抗拉強(qiáng)度成正比。
(2)澆筑混凝土?xí)r鋼筋的位置不同,其周圍的混凝土的密實(shí)性不一樣,也會(huì)影響到粘結(jié)強(qiáng)度的大小。如澆筑層過深,鋼筋底面的混凝土?xí)霈F(xiàn)沉淀和離析泌水,氣泡逸出,使混凝土與水平放置的鋼筋之間產(chǎn)生強(qiáng)度較低的疏松空隙層,從而削弱鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)。
(3)試驗(yàn)表明,當(dāng)鋼筋的埋長(zhǎng)(錨固長(zhǎng)度)不足時(shí),有可能發(fā)生拔出破壞。帶肋鋼筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度比光圓鋼筋的大得多,只要帶肋鋼筋是埋在大體積混凝土中,而且有一定的埋長(zhǎng),就不至于發(fā)生拔出破壞。但帶肋鋼筋受力時(shí),在鋼筋凸肋的角端上,混凝土?xí)l(fā)生內(nèi)部裂縫(圖1-22),如果鋼筋周圍的混凝土層過薄,就會(huì)發(fā)生由于混凝土撕裂裂縫的延展而導(dǎo)致的破壞,如圖1-23所示。因而,鋼筋之間的凈間距與混凝土保護(hù)層厚度都不能太小。
圖1-23 混凝土的撕裂裂縫
1.3.2 鋼筋的錨固
為了保證鋼筋在混凝土中錨固可靠,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該使受拉鋼筋在混凝土中有足夠的錨固長(zhǎng)度。當(dāng)截面上受拉鋼筋的強(qiáng)度被充分利用時(shí),則鋼筋從該截面起的錨固長(zhǎng)度要大于最小錨固長(zhǎng)度la。最小錨固長(zhǎng)度la可根據(jù)鋼筋應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度fy時(shí),鋼筋才被拔動(dòng)的條件確定。即
式中——錨固長(zhǎng)度范圍內(nèi)的平均粘結(jié)應(yīng)力,與混凝土強(qiáng)度及鋼筋表面形狀有關(guān)。
從式(1-12)可知,鋼筋強(qiáng)度越高,直徑越粗,混凝土強(qiáng)度越低,則錨固長(zhǎng)度要求越長(zhǎng)。根據(jù)式(1-12)的原則,水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范給出了最小錨固長(zhǎng)度la取值,見本教材附錄4表2,它和鋼筋種類、鋼筋直徑及混凝土強(qiáng)度等級(jí)有關(guān)。
如截面上受拉鋼筋的強(qiáng)度未被充分利用,則鋼筋從該截面起的錨固長(zhǎng)度可小于最小錨固長(zhǎng)度la。對(duì)于受壓鋼筋,由于鋼筋受壓時(shí)會(huì)側(cè)向鼓脹,對(duì)混凝土產(chǎn)生擠壓,增加了粘結(jié)力,所以它的錨固長(zhǎng)度可以短些。
為了保證光圓鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度的可靠性,規(guī)范還規(guī)定綁扎骨架中的受力光圓鋼筋應(yīng)在末端做成180°彎鉤,如圖1-24所示。
帶肋鋼筋及焊接骨架中的光圓鋼筋由于其粘結(jié)力較好,可不做彎鉤。軸心受壓構(gòu)件中的光圓鋼筋也可不做彎鉤。
圖1-24 鋼筋的彎鉤
1.3.3 鋼筋的接頭
出廠的鋼筋,為了便于運(yùn)輸,除小直徑的盤條外,一般為長(zhǎng)約10~12m左右的直條。在實(shí)際使用過程中,往往會(huì)遇到鋼筋長(zhǎng)度不足,這時(shí)就需要把鋼筋接長(zhǎng)至設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。
接長(zhǎng)鋼筋有三種辦法:綁扎搭接、焊接、機(jī)械連接。
鋼筋的接頭位置宜設(shè)置在構(gòu)件受力較小處,并宜相互錯(cuò)開。
圖1-25 鋼筋綁扎塔接接頭
綁扎接頭是在鋼筋搭接處用鐵絲綁扎而成(圖1-25)。采用綁扎搭接接頭時(shí),鋼筋間力的傳遞是依靠鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力,因此必須有足夠的搭接長(zhǎng)度。與錨固長(zhǎng)度一樣,鋼筋強(qiáng)度越高和直徑越大,要求的搭接長(zhǎng)度就越長(zhǎng)。規(guī)范規(guī)定縱向受拉鋼筋搭接長(zhǎng)度ll應(yīng)滿足ll≥ζla及ll≥300mm,其中,la為受拉鋼筋的最小錨固長(zhǎng)度,ζ為縱向受拉鋼筋搭接長(zhǎng)度修正系數(shù),按表1-2取值。受壓鋼筋的搭接長(zhǎng)度應(yīng)滿足及
。
表1-2 縱向受拉鋼筋搭接長(zhǎng)度修正系數(shù)

軸心受拉或小偏心受拉以及承受振動(dòng)的構(gòu)件中的鋼筋接頭,不得采用綁扎搭接。當(dāng)受拉鋼筋直徑d>28mm或受壓鋼筋d>32mm時(shí),不宜采用綁扎搭接接頭。
焊接接頭是在兩根鋼筋接頭處焊接而成。鋼筋直徑d≤28mm的焊接接頭,最好用對(duì)焊機(jī)將兩根鋼筋直接對(duì)頭接觸電焊(即閃光對(duì)焊)如圖1-26(a)所示或用手工電弧焊搭接如圖1-26(b)所示。d≥28mm且直徑相同的鋼筋,可采用將兩根鋼筋對(duì)頭外加鋼筋幫條的電弧焊接方式如圖1-26(c)所示。焊接接頭的長(zhǎng)度及幫條截面面積必須符合混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定。
粗鋼筋的連接還可采用氣壓焊或電渣壓力焊。氣壓焊是先用夾具把兩根鋼筋定位固定,然后用梅花狀多嘴環(huán)管噴射的液化石油氣火焰對(duì)兩根鋼筋端頭進(jìn)行加熱使鋼筋端頭熔化,再用液壓千斤頂頂壓使兩根鋼筋對(duì)接起來,該方法的不足之處在于僅適用橫向鋼筋的焊接。電渣壓力焊是我國(guó)首創(chuàng)的、適用于豎向鋼筋連接的一種焊接方法,它利用電流通過兩根鋼筋端部之間所產(chǎn)生的電弧熱和通過焊接渣池產(chǎn)生的電阻熱,將鋼筋端部熔化,待到達(dá)一定程度,施加壓力,使兩根鋼筋緊密地結(jié)合在一起,如圖1-26(d)所示。
圖1-26 鋼筋焊接接頭
機(jī)械連接接頭可分為擠壓套筒接頭和螺紋套筒接頭兩大類。鋼筋擠壓套筒接頭可適用于直徑18~40mm各種類型的帶肋鋼筋,其連接方法是在兩根待連接的鋼筋端部套上鋼套管,然后用大噸位便攜式鋼筋擠壓機(jī)擠壓鋼套管,使之與帶肋鋼筋緊緊地咬合在一起,形成牢固接頭。螺紋套筒接頭是由專用套絲機(jī)在鋼筋端部套成螺紋,然后在施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用螺紋套筒旋接,并采用專用測(cè)力扳手?jǐn)Q緊。螺紋套筒接頭又可分為錐螺紋接頭、鐓粗直螺紋接頭、滾壓直螺紋接頭等。圖1-27為一錐螺紋接頭,可連接直徑16~40mm的HPB300、HRB335、HRB400同徑或異徑鋼筋。
機(jī)械連接接頭具有工藝操作簡(jiǎn)單,接頭性能可靠,連接速度快,施工安全等特點(diǎn)。特別是用于大型水工混凝土結(jié)構(gòu)中的過縫鋼筋連接時(shí),鋼筋不會(huì)像焊接接頭那樣出現(xiàn)殘余溫度應(yīng)力。機(jī)械連接接頭目前已在實(shí)際工程中得到了較多的應(yīng)用。
機(jī)械連接接頭按力學(xué)性能可分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí),其選用及布置應(yīng)符合有關(guān)規(guī)范的規(guī)定。
圖1-27 錐螺紋鋼筋的連接示意圖
1—上鋼筋;2—下鋼筋;3—套筒(內(nèi)有凹螺紋)
[1] 《鋼筋混凝土用鋼 第1部分:熱軋光圓鋼筋》(GB 1499.1—2008).北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.
[2] 《鋼筋混凝土用鋼 第2部分:熱軋帶肋鋼筋》(GB 1499.2—2007).北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007.
[3] 過去常用5mm×5mm方鋼墊條,所測(cè)得的抗拉強(qiáng)度一般均小于直接受拉法測(cè)得的強(qiáng)度。有的研究單位建議墊條改用18mm的扁鐵。國(guó)際材料與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究協(xié)會(huì)(RILEM)建議墊條采用膠合板或硬紙板,寬15mm厚4mm。當(dāng)采用立方體試塊時(shí),墊條與試驗(yàn)機(jī)上下壓板之間再安放有曲面的鋼塊,曲面直徑為75mm。
[4] 如參考文獻(xiàn)[25]、[26]。
[5] 如參考文獻(xiàn)[25]、[26]。
[6] 如參考文獻(xiàn)[27]。
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