淺談現澆結構中的鋼筋錨固

黃炎準

(福州市建筑設計院　福建福州　350011)

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淺談現澆結構中的鋼筋錨固

黃炎準

(福州市建筑設計院福建福州350011)

對現澆結構中的鋼筋錨固的若干問題進行總結與討論，得出：適當增加錨固段周邊的縱筋和箍筋能避免其周圍可能出現的局部拉脫現象或開裂；在梁簡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力較差的“鋼筋集團”效應；梁上部和下部鋼筋在中間各層端節點(框架邊柱)中的錨固中，鋼筋水平段和豎直段都應滿足相應的錨固長度要求；從構件受力的具體情況來判斷“搭接”和“錨固”是一種較為直接可行的方法。

錨固長度；局部拉脫；鋼筋集團效應；搭接

0　引言

在現澆鋼筋混凝土結構中，構件之間的連接決定著結構分析對各構件端部約束應作何種假定，從而通過內力分析得出連接部位應該傳遞的內力，在設計中則應設法保證不低于構件的可靠性水準來有效地在連接處傳遞這些內力。不少初作設計的人常注意了各個構件的截面設計，但對連接部位的設計則常未給以足夠關注，而不少災害中的結構損壞，相當一部分是由于連接部位的構造措施不當所導致的傳力能力不足。筆者結合建筑結構設計過程中的一些學習和實踐，對相關問題進行總結與建議，期望引起重視與討論。

1　錨固長度

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，可以通過其從A-A截面向前埋入混凝土的一段長度鋼筋表面的粘結能力將拉力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(指滑出量不能過大)。前者稱“錨固強度”，后者稱為“錨固剛度”。

這里需要特別提醒的是，幾乎所有的文獻或教材都把錨固問題局限于上述定義，即局限在通過粘結應力τ傳遞拉力P的錨固功能上。但同樣重要的是關注錨固段傳給混凝土的力又會在其周圍的混凝土中引發什么樣的受力狀態。分析表明[1]，如圖1b所示，粘結應力τ將沿鋼筋表面傳遞給混凝土，并在錨固段周圍的混凝土中形成圖1c所示的主應力場。這表明，當錨固長度過短時，除去鋼筋可能因粘結破壞而拔出外，還可能將周圍的混凝土沿主壓應力跡線拉裂，甚至把周圍呈錐形的混凝土一起拉出，稱為“局部拉脫破壞”。當然，如果錨固長度足夠長，實際上就一方面避免了沿錨固段鋼筋表面的粘結失效和鋼筋的拔出，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，但也可能受拉開裂，因此對于錨固段周圍的混凝土受力問題也是在設計中應認真關注的問題。

混凝土結構設計規范 (GB50010-2010)[2]第8.3.2條對鋼筋錨固長度的修正系數進行了規定，以下就其中部分條款進行說明：

(1)對于第2款是因為涂了環氧樹脂后鋼筋橫肋的棱邊會變得稍為圓潤，鋼筋表面摩擦系數也會相應減小，故錨固長度需適度加長；而美國混凝土規范(ACI318-05)[3]根據相關試驗研究[4-5]做了更細致的規定，對于混凝土涂層鋼筋或鋼絲，當混凝土保護層厚度小于3倍鋼筋直徑或者當凈間距小于6倍鋼筋直徑時，修正系數取1.5，其余情況的環氧涂層鋼筋或鋼絲的取值都為1.2。

(2)拉拔試驗表明，當錨筋周圍混凝土厚度均大于4.5d時，不加箍筋也不會產生圖2中鋼筋環向張力產生的劈裂破壞。第4款規定周圍混凝土厚度大于3d且配有箍筋時錨長可減至0.8la是有試驗依據的。

與受拉鋼筋的錨固相比，受壓鋼筋的錨固有兩個有利條件。一是鋼筋受壓后也要側向膨脹(泊松比)，可以稍事增大鋼筋與混凝土之間的粘結效應(鋼筋受拉時則橫向縮小，不僅沒有受壓時的有利效應，反而有不利效應)；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表明，這時因為沒有鋼筋端面的頂壓阻力，所以錨固長度至少要0.85la[1]。這表明，如果工程中出現了受壓鋼筋的類似于圖3的錨固環境，規范規定的0.7la的受壓錨固長度就是不足的。

2　梁簡支端下部鋼筋的錨固

端支座視為簡支端的情況多數只出現在多層房屋墻、柱采用磚砌體，樓蓋為鋼筋混凝土結構的情況。

混凝土結構設計規范的第9.2.1條對梁內縱筋間距和伸入支座鋼筋根數進行規定。結合這一條需要說明的是：在錨固區等高粘結應力區，除去錨固長度、周圍的混凝土厚度和周圍配箍這幾個影響錨固粘結性能的主要因素后，鋼筋間距也是一個很重要的因素。這是因為粘結是在鋼筋與其四周混凝土產生沿鋼筋軸線方向相對變形時的傳力效應。因此，如圖4a所示，當鋼筋與鋼筋間距較大時，每根鋼筋與其四周混凝土的變形關系是各自獨立的；當若如圖4b那樣，鋼筋間距過近，則各根鋼筋與混凝土的變形關系將相互影響，也就是說各根鋼筋與各自周圍混凝土之間的相對變形發揮得不很充分，反而是“鋼筋集團”與其周邊混凝土(圖4b中虛線)之間的相對變形起著主導作用。這意味著與單根鋼筋單獨在其四周混凝土中形成的粘結效應相比，集團粘結效應會相對較弱。這是因為相對于集團鋼筋的總拉力而言，圖4b虛線所示粘結面積所提供的粘結能力比單根鋼筋獨立粘結條件要差。

(a)間距大，形成單根鋼筋獨立的粘結環境(b)間距小，形成鋼筋集團粘結環境
圖4間距對鋼筋粘結效應的影響

3　梁上部和下部鋼筋在中間各層端節點(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(即保證接頭強度)的重要措施，因此對鋼筋的錨固強度和剛度都應給以重視。根據規則框架典型彎矩分布可知，中間層端節點的梁端的組合負彎矩是由豎向荷載負彎矩和相應方向水平荷載負彎矩組成的，因此梁端上部鋼筋通常是按截面抗負彎矩需要確定的。

當柱截面尺寸不夠大，放不下梁上部筋的直線錨長時，則可采用帶90°折尾段的錨固方式。試驗表明，這種錨固方式的主要錨固能力是由拉拔端到彎弧起點的水平錨固段的粘結效應提供的[1]。

當水平錨固段是夠長時，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，錨固段的強度足夠，剛度也很好(拉拔端滑出重小，梁端裂逢不會惡性加寬)。若水平錨固段稍短(如圖5中的ob線)，在b點處水平段主要長度上的粘結應力達到峰值，滑移加大，但拉拔端鋼筋仍能拉到屈服。即錨固強度夠，錨固剛度還可以，但不如oa線。水平段再短，其粘結能力就將在oc線的c點退化，隨著拔出量的迅速增大，拉力還會上升，但在滑出重很大之前，已達不到屈服拉力。 這樣的錨固段就已經不滿足錨固的要求。

在GB50010-2002規范版本中根據試驗結果將水平投影長度定為0.4la,將豎直投影長度定為15d。從試驗結果看，在不考慮可靠性的條件下，對于C25及以上的混凝土，這一錨固規定可以保證錨固端具有圖5中oa線的特征。

4　關于鋼筋“搭接”和“錨固”問題的識別

“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，一根鋼筋將其所受的拉力或壓力通過粘結效應經混凝土均勻地傳給另一根鋼筋。它實現的是鋼筋與鋼筋之間的傳力。而“錨固”則是鋼筋經錨固長度將其拉力或壓力經粘結效應傳給錨固區的混凝土。

但是在實際工程中也會有些情況可能需要對到底是屬于“錨固”問題還是“搭接”問題作出識別，以便正確處理。框架中屬于搭接的只有頂層端節點處的梁、柱負彎矩受拉鋼筋以及柱和梁中鋼筋接長時使用的搭接接頭，但也有些情況是需要專門識別的。例如在圖8所示的框架節點處，如果能確認節點上部柱下端截面作用彎矩總是與節點下部柱上端作用彎矩反號的(圖6a),也就是一側拉筋在節點以上為受拉時，節點以下的該柱筋總為受壓，可反過來，則這時從概念上說，上、下柱筋就可以分別伸入節點，并錨固在節點內，也就是其各自伸入節點的長度按錨固長度確定。若確認節點上、下柱端作用彎矩有可能同時為同號，即同一側鋼筋在節點上、下同時為受拉或受壓(圖6b)，則鋼筋就只能按搭接接頭處理，按規定搭接接頭應設在節點以外，例如設在上柱下端(非抗震情況)，或設在離上柱下端一定矩離的柱段中部(抗震情況)。

通過這個對比實例可以看出應從構件受力的具體情況來判斷是屬于“搭接”還是屬于“錨固”。

5　結論

本文對現澆結構中各構件的相互連接及鋼筋錨固的若干問題進行總結與討論，得出：適當增加錨固段周邊的縱筋和箍筋能減少其周圍可能出現的局部拉脫現象或開裂；鋼筋錨固長度的修正系數可以參照美國規范進行更全面的細化，保證安全度；受壓鋼筋錨固應注意保證端部混凝土的厚度；在梁簡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力較差的“鋼筋集團”效應；在梁上部和下部鋼筋在中間各層端節點(框架邊柱)中的錨固中，鋼筋水平段和豎直段都應滿足相應的錨固長度要求；從構件受力的具體情況來判斷是屬于“搭接”還是屬于“錨固”，是一種較為直接可行的方法。

構件連接與鋼筋錨固的其他相關問題還有很多，如箍筋的錨固，現澆板內的鋼筋在板支座處的錨固，柱筋在基礎中的錨固等，有待筆者進一步的工程實踐與學習。

[1]白紹良. 混凝土結構講義[M]. 重慶：重慶大學出版社, 2005.

[2]GB50010-2010混凝土結構設計規范[S]. 北京:中國建筑工業出版社，2010.

[3]白紹良. ACI318-05美國房屋建筑混凝土設計規范[M].重慶：重慶大學出版社,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.框架中間層端節點梁筋直角彎折錨固端設計概念及方法的改進[J].重慶建筑工程學院學報，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(1989.3-)，男，工程師。E-mail:804835386@qq.com

2016-08-05

TU3

A

1004-6135(2016)09-0065-03