浅谈混凝土结构中钢筋的锚固

 
时间日期:2008-7-4        已被阅读次:[3626]
 
佛山市城市规划勘测设计研究院 卢安邦

  [摘 要] 通过对混凝土结构中受力钢筋的锚固机理、影响因素的分析,对新修订国家
       标准《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)中锚固长度及修正方法作了
       详细说明,并先容了新增的钢筋机械锚固的有关内容。
  [关键词] 混凝土结构 钢筋锚固长度
  
  一、受力钢筋的锚固机理
  近年来,钢筋强度不断提高,外形也在改变,因此,《混凝土结构设计规范》修订对钢
筋锚固有关内容作了较大调整。在国外规范中,钢筋粘结锚固设计往往独成一章,因为钢筋
锚固失效将引起承载力丧失并引发塌垮等灾难性后果,其重要性非常明显。
  钢筋与混凝土之间的粘结锚固由胶结力、摩阻力、咬合力构成。而后者表现为钢筋横肋
与混凝土咬合齿的挤压,是锚固作用的主要成分。由于挤压力是斜向的,故在屋裹层混凝土
中将引起环向拉应力бθ,这可能导致纵向劈裂而使锚固失效。钢筋横助的分布导致劈裂的
方向性,且其强度还受到锚固条件(围箍约束)的影响。锚固性能表现为锚固强度(抗拔力
)、锚固刚度(滑移控制)及锚固延性(大滑移时的承载力)。影响锚固性能的主要因素有
:受力钢筋的强度和外形、握裹层混凝土的强度及厚度、锚固区域的配箍及其它约束条件,
这些因素都影响锚固设计。其它一些因素(如侧向压力、混凝土的浇筑状态等)目前暂不考
虑,以免使锚固设计复杂化。
  二、钢筋的锚固长度
  1.锚固长度的控制
  在通常情况下,纵向钢筋的承载受力是通过一定长度上钢筋表面与握裹层混凝土的粘结
锚固作用实现的。因此,锚固设计的关键是确定锚固长度。取设计规范中混凝土保护层厚度
的最小值以及构造配箍的最低要求。
  试验及分析表明,随着锚固长度La的增加,锚固抗力Fa加大。当锚固抗力等于钢筋的屈
服力Fy时,相应的锚固长度为临界锚固长度Lcra,这是保证受力钢筋不发生锚固破坏的最小
长度。随着钢筋屈服后的强化,锚固抗力还会增加。当锚固抗力等于钢筋的极限拉力时Fu时
,相应的锚固长度为极限锚固长度La,显然,超过此值的锚固长度部分将不起作用。
  2.锚固长度的表达
  我国传统的锚固设计是用查表的方式并以5d(d为钢筋直径)为进位确定锚固长度。随
着钢筋强度的提高和外形的多样化,并考虑到锚固条件的影响,表格法的局限性日渐突出。
目前国外规范都以计算方式确定锚固长度,并根据锚固条件的不同而加以修正。因此,此次
规范修订也遵从国际惯例作了相应的修改。
  3.基本锚固长度
  新规范第9.3.1条给出了计算纵向受拉钢筋基本锚固长度的La公式。
  式中参数取值详见规范。三、锚固长度的修正
  随着锚固条件的变化,钢筋的锚固性能变化很大。因此,锚固长度应以基本锚固长度为
基础作相应调整。
  1.粗直径钢筋的修正
  我国钢筋钢筋中规定了热轧变形钢筋的外形。当其直径加大时,横肋相对高度降低,虽
然加密助距可弥补咬合力的不足,但锚固强度仍然降低。因此,对直径大于25mm的粗直径月
牙肋钢筋,锚固长度应乘以修正系数1.1。
  2.涂层钢筋的锚固长度
  为解决恶劣环境中钢筋的耐久性问题,我国已开始生产并使用环氧树脂涂层钢筋。试验
研究表明,涂层削弱了钢筋与混凝土的粘结锚固作用,锚固强度降低20%左右,故锚固长度
应乘以修正系数1.25。
  3.施工扰动的影响
  对于滑模施工等施工扰动影响混凝土终凝前结锚固作用的情况,锚固长度应增加以弥补
锚固作用的削弱,规范规定应乘以修正系数1.1。
  4.厚保护层的作用
  握裹钢筋的混凝土保护层厚度较大时有利于锚固约束作用,较合力增强,锚固强度提高
。规范规定当保护层厚度大于3d且配有箍筋时,锚固长度可乘以修正系数0.8。
  5.配筋余量的影响
  基本锚固长度以受力钢筋达到强度设计值为条件。各国规范都规定了当应力丰度(实际
应力与屈服强度fy之比)小于1时,按比例减小锚固长度的方法。修订规范简化计算,以设
计计算与实际配筋面积之比作为修正系数,减小锚固长度。但此修正不适用于有抗震设防要
求及直接直接动力荷载的结构构件。
  6.骤然放张预应力筋的影响
  先张法预应力构件采用骤然放张预应力筋的施工工艺时,考虑到到冲击造成的微裂等损
伤对端部锚固的不利影响,锚固长度起点应从距构件末端0.25倍预应力传递长度处计算。
  7.锚固长度的限值
  上述锚固长度的修正系数可以连乘。但由于构造的需要,受力钢筋的锚固长度不应小于
某一限值。规范规定,经修正后的实际工程中采用的锚固长度不应小于按式(1)计算的锚
固长度的0.7倍,且不应小于250mm。
  四、钢筋的机械锚固
  1.机械锚固的形式
  当钢筋的锚固长度因截面尺寸限制而无法满足时,可以在锚筋末端采用锚头(机械锚固
)的形式利用局部混凝土的挤压力实现锚固受力。各国规范均有对机械锚固的规定。我国传
统对HPB235级光面钢筋加弯钩的要求实际上就是机械锚固的一种形式。
  通过系统的试验研究,规范9.3.2条选择了三种合适的机械锚固形式,现在分述如下:1
)弯钩:对于HRB330级、HRB400级和RRB400级纵向受拉钢筋,均取135。弯钩,以避免局部
挤压引起混凝土破碎,弯弧内径为4d,弯后平直部分长度为5d;2)焊锚板:锚板边长尺寸
不小于5d,锚筋应采用穿孔塞焊方式与其连接;3)贴焊锚筋;锚固端贴焊的锚筋长度不小
于5d且应双面焊接。
  2.机械锚固长度
  机械锚固靠锚头与混凝土的挤压作用实现传力,但锚固刚度较小,即受力伴随着较大的
滑移。因此采用机械锚固以后仍应具有一定的锚固长度,即除锚头外仍需有相当的长度与之
共同受力。新规范规定,采用机械锚固措施以后,其总锚固长度(包括锚头在内的总水平投
影长度)可取按式(1)计算锚固长度的0.7倍。国外规范的规定与此相似。3.机械锚固的
构造要求
  机械锚固的挤压较多地集中在锚头附近,锚固区的混凝土容易破碎,故应加以围箍约束
。新规范规定,在机械锚固长度范围内应配置箍筋,其直径不应小于0.25d(d为纵向受力钢
筋的直径)间距不应大于5d,数量不应少于3个。但当保护层厚度不小于5d时,由于握裹层
已能提供足够的约束,可以不考虑上述配箍的要求。
  五、受压钢筋的锚固
  混凝土结构构件中的受压钢筋(如受弯构件的压区配筋、柱或桁架上弦杆中的纵向受力
钢筋等)同样存在着锚固问题。受压钢筋的锚固机理与受拉钢筋相同,锚固作用同样来源于
胶结、摩阻、咬合和机械锚固。钢筋受压锚固比受拉状态更有利,这是因为纵向受压钢筋的
端面对混凝土的挤压力起到了机械锚固的作用,加强了锚固抗力。此外,钢筋受压时的镦粗
效应加大了界面的摩阻及咬合作用,也对锚固有利。由于锚固机理相同但受力更为有利,新
规范规定,受压钢筋的锚固长度不应小于按式(1)计算锚固长度的0.7倍。原规范及国外规
范有相同的规定。
  钢筋在压力作用下容易发生屈曲而丧失承载能力,应保证其有足够的侧向围箍约束。因
此,在受压钢筋的锚固长度范围内,应具有规定的保证层厚度以及基本的配箍构造要求。
  弯钩及贴焊锚筋等机械锚固形式在承受压力作用时往往会引起偏心作用,容易发生压曲
而影响构件的受力性能,因此不宜采用弯钩、贴焊锚筋等形式的机械锚固。
  六、结语
  新规范对于钢筋锚固设计的内容作了较大的修订,归纳如下:1)基本锚固长度不再查
表而改用计算方法确定;2)根据锚固条件的不同对基本锚固长度进行修正;3)增加了钢筋
机械锚固形成及其配箍的构造要求。
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