中美混凝土結構鋼筋基本錨固比較分析

程 英，彭春波

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650000)

0 引 言

鋼筋混凝土是混凝土和鋼筋2種性能不同的材料通過材料間的粘結共同發揮作用的1種建筑材料。因此，在一定的區域，特別是鋼筋混凝土構件發生較大變形的地方，要求鋼筋與混凝土之間有可靠的粘結。這樣，在不發生規范限定內的滑移距離和被拉出的情況下，鋼筋的屈服強度得到充分發揮。

鋼筋的錨固要求是結構承受荷載后，實現構件內力傳遞，保證結構構件正常工作的基本要求。對比各國規范，對鋼筋錨固構造所做的規定不同，按不同規范的計算式得出的錨固長度結果差別較大，為了解這些差別，筆者選取中國《混凝土結構設計規范》(GB50010—2010)(后文簡稱GB50010)，美國混凝土規范ACI318—11(《Building Code Requirements for Structural Concrete》(后文簡稱ACI318)，對鋼筋的基本錨固構造要求進行比較分析。

1 受拉鋼筋的錨固長度

根據國內外研究結果，鋼筋與混凝土之間的粘結錨固作用由3部分組成：①混凝土與鋼筋凸凹表面與相互咬合產生的擠壓力，稱為機械咬合力；②混凝土收縮握裹鋼筋產生的接觸面之間的摩檫力；③混凝土中水泥膠體與鋼筋表面的化學吸附作用，稱為膠結力。

多數研究認為，機械咬合力提供主要的粘結錨固作用。同時，試驗結果還認為，粘結錨固作用主要與鋼筋強度等級及外形、混凝土強度及種類、鋼筋的保護層厚度及鋼筋間距、橫向鋼筋等因素有關。為實現鋼筋強度有效發揮，除考慮各種影響因素作用外，還須保證鋼筋在混凝土中的有效錨固，即一定的鋼筋錨固長度。

鋼筋錨固長度一般指混凝土構件的受力筋深入支座的總長度，包括直線和彎鉤(或機械錨件)部分。一定的鋼筋錨固長度是實現鋼筋和混凝土協調受力的基本條件。

1.1 ACI318規定

ACI318規定：在混凝土結構構件每一截面處，鋼筋在截面兩側均應有一定埋入長度、彎鉤或機械錨固或它們的共同措施，以使該截面上鋼筋所受內力得以發揮。

對于受拉變形鋼筋和鋼絲，基本錨固長度ld可按基本方法(1)式或簡化方法表1計算，并不小于300 mm；

(1)

為避免鋼筋的拔出破壞，式中(cb+Ktr)/db)不大于2.5，且Ktr=(Atrfyt/10sn，其中：cb是鋼筋中心間距的一半或鋼筋中心到最近混凝土表面的距離，取兩者中較小值；s是錨固長度范圍內橫向鋼筋的最大中心間距；Atr是間距s內與穿過錨固鋼筋潛在劈裂面相交的橫向鋼筋的總截面面積；fyt是規定的橫向鋼筋屈服強度；n是沿著破裂面錨固的連接鋼筋或鋼絲的數量；當橫向鋼筋存在時，可取Ktr=0簡化計算。

表1 受拉變形鋼筋或鋼絲ld計算公式

在拉力作用下，(1)式和表(1)中的計算式系數及各種影響因素作用的長度調整系數按下列規定取值：

1)ψt為鋼筋定位系數，當橫向鋼筋布置的位置使得延伸長度下新澆筑的混凝土厚度大于300 mm時取1.3，其他情況下取1.0；

2)ψe為涂層系數，對于保護層厚度小于3db或凈距小于6db的環氧涂層的鋼筋或鋼絲取1.5，所有其它件下的環氧涂層鋼筋或鋼絲取1.2，無涂層鋼筋取1.0，但乘積ψeψt的值不大于1.7；

3)ψs為鋼筋品種系數，19號及小于19號的變形鋼筋和鋼絲取0.8；22號及大于22號的鋼筋取1.0；

5)當受彎構件中實配鋼筋超過計算需要時，錨固長度可減小，修正系數為(計算AS/實配AS)；

6)在拉力作用下的鋼筋束按面積相等換算成單根鋼筋的直徑，其錨固長度比換算后單根鋼筋的錨固長度增加相應比例：3根一束的比單根的增加20 %，四根一束的增加33 %。

1.2 GB50010規定

GB50010規定，當計算中充分利用鋼筋的抗拉強度時，受拉鋼筋的基本錨固長度按(2)式計算：

(2)

式中：ld為受拉鋼筋的錨固長度，fy為普通鋼筋的抗拉強度設計值；ft為混凝土軸心抗拉強度設計值；當混凝土強度等級高于C60時，按C60取值；d為鋼筋的公稱直徑；α為鋼筋的外形系數，按表2取用。

表2 錨固鋼筋的外形系數α

當滿足以下條件時，計算的基本錨固長度應乘以相應修正系數ξa：

1)當帶肋鋼筋的公稱直徑>25 mm時，取1.1；

2)環氧樹脂涂層帶肋鋼筋，取1.25；

3)施工過程中易受擾動的鋼筋，取1.1；

4)當縱向受力鋼筋的實配面積大于其設計面積時，修正系數取計算AS/實配AS，但對有抗震設防要求及直接承受動力荷載的結構構件，不考慮此項修正；

5)錨固鋼筋的保護層厚度為3d時取0.8，保護層厚度不小于5d時可取0.7，中間按內插取值。

以上修正系數可同時考慮多項修正連乘計算，但修正后的錨固長度不應小于公式(2)計算值的0.6倍，且不小于200 mm。

ACI318和GB50010受拉筋最小基本錨固長度見圖1。

圖1 受拉鋼筋最小基本錨固長度

2 彎鉤及機械錨固的要求

2.1 ACI318規定

ACI318規定機械錨固可由設計者自行設計并提供實驗報告作為設計依據。

ACI318對標準彎鉤及最小彎鉤直徑的規定見表3，4：

基本錨固長度ldh應對下列各情況乘以相應修正系數：但ldh不應小于8db，也不應小于150 mm：

1)環氧涂層鋼筋，ψe=1.2；輕骨料混凝土λ=1.3；其他情況下ψe和λ取1.0；

2)側邊混凝土保護層厚度(垂直于彎鉤平面)不小于63.5 mm的36號(35.8 mm)及以下鋼筋，及90度彎鉤延伸方向的保護層不小于50 mm的鋼筋取0.7；

3)對于36號及更小號的垂直于延伸方向受間距不大于3db箍筋約束的90度彎鉤鋼筋，或包圍在平行于延伸方向、沿彎鉤方向、受彎鉤和彎曲范圍內間距不大于3db箍筋約束的鋼筋取0.8；

4)對于36號及更小號具有180度彎鉤，受垂直于延伸方向、間距不大于3db箍筋約束的鋼筋取0.8；

5)實配面積超過計算要求值時，系數取計算AS/實配AS。

在構件的簡支端，對于用標準彎鉤錨固的鋼筋，當彎鉤處的混凝土保護層厚度小于65 mm時，沿錨固長度ldh范圍內，應布置間距不大于3db的箍筋。此種情況不考慮2)款修正系數。

表3 ACI318標準彎鉤的技術新要求

表4 ACI318彎鉤最小彎曲直徑

2.2 GB50010規定

當縱向受拉普通鋼筋末端采用彎鉤或機械錨固措施時，包括彎鉤或錨固端頭在內的錨固長度(投影長度)可取為0.6lab。彎鉤和機械錨固的形式和技術要求應符合表5的規定。

ACI318和GB50010彎鉤和機械錨固基本錨固長度見圖2。

表5 鋼筋彎鉤和機械錨固的形式和技術要求

圖2 彎鉤和機械錨固基本錨固長度

3 受壓變形鋼筋錨固

3.1 ACI318規定

對下列情況，基本錨固長度lde乘以相應修正系數：

1)實配面積超過計算要求值時，取系數為計算AS/實配AS；

2)基本錨固長度范圍內布置有直徑不小于6 mm、間距不大于100 mm的螺旋筋和箍筋時，取系數0.75.

彎鉤錨固措施不用于受壓鋼筋。

3.2 GB50010規定

混凝土結構中的縱向受壓鋼筋，當計算中充分利用其抗壓強度時，錨固長度不應小于相應受拉錨固長度計算值la的0.7倍。

受壓鋼筋不應采用彎鉤和一側貼焊錨筋的錨固措施。

ACI318和GB50010受壓鋼筋基本錨固長度見圖3。

圖3 受壓鋼筋基本錨固長度

4 結論及建議

1)由圖1，在鋼筋等級和混凝土標號相同的情況下，由兩國規范給出的受拉鋼筋基本錨固長度相差較大。對HPB300鋼筋，ACI318要求的基本錨固長度平均約為GB50010的1.15倍，對HPB400(HRB400)鋼筋，ACI318要求的基本錨固長度對19號及以下鋼筋約為GB50010長度的1.28倍，對22號及以上鋼筋，ACI318約為GB50010的1.5倍，由于ACI318規定22及以上為大直徑鋼筋，GB50010規定28及以上為大直徑鋼筋，因此在相同混凝土等級下，22及25號兩種鋼筋要求的基本錨固長度相差更大，ACI318約為GB50010的1.6倍。對最小錨固長度，ACI318為300 mm，GB50010為200 mm。由此可知，對于受拉筋的基本錨固長度，ACI318的要求大于GB50010，鋼筋等級越高，兩國規范的差別越大。對基本錨固長度的調整，除了相同的要求外，ACI318更區別考慮了混凝土和鋼筋在不同使用情況下的鋼筋錨固長度要求，規定了輕質混凝土和受力筋為鋼筋束時的調整要求。

2)對于受拉筋的彎鉤和機械錨固，ACI318沒有給出具體的機械錨固方式，規范給設計人員提供較大的設計自由度，只要能提高鋼筋強度且沒有破壞混凝土，任何機械裝置的設計方式都可用來錨固，但需給質檢人員提供機械錨固裝置試驗報告。對彎鉤和機械錨固的基本長度，由圖2可知，對HPB300鋼筋，兩國規范的要求差別在5 %以內，對HRB400鋼筋，ACI318要求的長度平均是GB50010的1.1倍。對彎鉤錨固的基本長度兩國規范差別不大。由表3、表4、表5對比，ACI318對彎鉤規定較詳細，對不同的受力筋類型和鋼筋直徑，其要求的彎鉤直段長度及彎鉤的最小內徑有不同的規定。GB50010規定90°和135°彎鉤內徑為4 d，配套的國標圖集16G101—1對彎鉤內徑規定的表述是不小于4 d，中國《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTC3362—2018)對彎鉤內徑的規定表述也是不小于。建議GB50010對彎鉤內徑的規定采用不小于限值的表述，以與相關圖集及規范相統一，同時對不同直徑鋼筋的內徑采用不同的限值要求，以合理實現施工。

3)對于受壓鋼筋的錨固，由圖3可知，GB50010要求的受壓鋼筋錨固長度大于ACI318，對HPB300鋼筋，GB50010要求的長度是ACI318的1.23倍左右，對HPB400(HRB400)鋼筋，25號及以下鋼筋，GB50010要求的長度與ACI318的相差不大，平均在1.05倍左右，但對大于25號的帶肋鋼筋，GB50010要求的基本受拉錨固長度要考慮1.1的調整系數，因此，受壓錨固長度平均是ACI318的1.2倍。

4)中國于1999年發布《輕骨料混凝土設計規程》(J12—99)，而GB50010并沒給出針對輕骨料混凝的鋼筋錨固要求，建議規范考慮輕骨料混凝土的應用情況，以與相關規范配合。中國《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTC3362—2018)中規定有當受力筋為鋼筋束時的各種構造做法，建議GB50010增加鋼筋束做法，以解決設計在鋼筋密集區域布置，及施工時鋼筋定位，間距太小而不便澆筑等問題。