钢筋与混凝土的粘结

的挤压力传递。肋前压应力的增大，使混凝土局部挤压，形成肋前破 碎区④。钢筋肋部对周围混凝土的挤压力，其横向分力在混凝土中产
生环向应力（图6-9（b））。当此拉应力超过混凝土的极限强度时，
试件内形成径向-纵向裂缝⑤。这种裂缝由钢筋表面沿径向往试件外 表发展，同时由加载端往自由端延伸。此后，裂缝沿纵向往自由端延
伸，并发出劈裂声响，钢筋的滑移急剧增长，荷载增加不多即达峰点
，很快转入下降段，不久试件被劈成2块或3块（图6-9（c））。混凝 土劈裂面上留有钢筋的肋印，而钢筋的表面在肋前区附着混凝土的破 碎粉末。
试件配设了横向螺旋筋或者钢筋的保护层很厚(c/d>5)时，粘结
力-滑移曲线如图6-10。当荷载较小时，横向筋的作用很小，τ-S曲线
严重，粘结应力已很小，钢筋的应力接近均匀。
当自由端的滑移为0.1~0.2mm时，试件的荷载达最大值，即得钢 筋的极限粘结强度(τu)。此后，钢筋的滑移急速增大，拉拔力由钢筋
表面的摩阻力和残存咬合力承担，周围混凝土受碾磨而破碎，阻抗力
减小，形成曲线的下降段。最终，钢筋从混凝土中被徐徐拔出，表面 上带有少量磨碎的混凝土粉碴。
移的分布等随荷载（拉力）增长的变化如图6-7（b）。
当试件开始受力后，加载端（L）的粘着力很快被破坏，即可测得 加载端钢筋和混凝土的相对滑移（Sl）。此时钢筋只有靠近加载端的
一部分受力（ σs>0），粘结应力分布也限于这一区段。从粘结应力
（τ）的峰点至加载端之间的钢筋段都发生相对滑移，其余部分仍为 无滑移的粘结区。随着荷载的增大，钢筋的受力段逐渐加长，粘结应
力（τ）分布的峰点向自由端（F）漂移，滑移段随之扩大，加载端的
滑移(Sf)加快发展。
当荷载增大后，钢筋的受力段和滑移段继续扩展，加载端滑移明 显增长，但自由端仍无滑移。当加载到极限强度的大约80%时，钢筋 的自由端开始滑移，加载段的滑移发展更为迅速。此时滑移段已遍及 钢筋全埋长，粘结应力的峰点很靠近自由端。加载端附近的粘结破坏
6.2 试验方法和粘结机理
• 6.2.1 试验方法
结构中钢筋粘结部位的受力状态复杂多变，很难准确模拟，现有 两类钢筋拔出试验方法，采用不同形状和受力状态的试件。
1.拉式试验
试件一般为棱柱形，钢筋埋设在其中心，水平方向浇筑混凝土。 试验时，试件的一端支承在带孔的垫板上，试验机夹持外露钢筋端 施加拉力(图6-4)，直至钢筋被拔出或者屈服。 上述试件的加载端混凝土受到局部挤压，与结构中钢筋端部附近 的应力状态差别大，影响试验结果的真实性。后来改为试件加载端 的局部钢筋与周围混凝土脱空的试件。但是对螺纹钢筋采用这种方 法时，试件常因纵向劈裂而破坏。在试件内设置螺旋状箍筋，才可 能得到变形钢筋被拔出的结果。至今各国对这类试验的标准试件的 规定尚不统一。
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的螺丝钉的差别来理解。
6.3 影响因素
钢筋和混凝土的粘结性能及其各项特征值，受到许多因素的影响而
变化。
1.混凝土强度( fcu 或ft )
当提高混凝土的强度时, 它和钢筋的化学粘着力τ粘和机械咬合力随
之增加, 但对摩阻抗滑力的影响不大。同时, 混凝土抗拉(裂)强度ft的 增大, 延迟了拔出试件的内裂和劈裂应力, 提高了极限粘结强度和粘结
钢筋与混凝土的粘结
主讲人：李俊南 河南大学土木建筑学院
主讲内容
• 6.1 粘结力的作用和组成
• 6.2 试验方法和粘结机理
• 6.3 影响因素
• 6.4 粘结应力-滑移本构模型
定义
钢筋与混凝土的粘结是指钢筋与其周围混凝土之间的相互作用，主 要包括沿钢筋长度的粘结和钢筋端部的锚（máo）固两种情况。钢筋与 混凝土的粘结是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的基础。
斜肋。变形钢筋受拉时，肋的凸缘挤压周围混凝土（图6-9（a）），
大大地提高了机械咬合力，改变了粘结受力机理，有利于钢筋在混凝 土中的粘结锚固性能。
一个不配置横向钢筋的拔出试件，开始受力后钢筋的加载端局部就
因为应力集中而破坏了与混凝土的粘着力，发生滑移（Sl）。当荷载增大
到极限粘结力的大约30%时，钢筋自由端的粘着力也被破坏，开始出现滑 移（Sf），加载端的滑移加快增长。和光圆钢筋相比，变形钢筋自由端滑
图6-1 钢筋的粘结和锚固状态
(a)无粘结,无锚具 (b)无粘结,端部设锚具 (c)沿全长和端部粘结可靠 (d)平衡条件
分析梁内钢筋的平衡条件，任何一段钢筋两端的应力差，都由
其表面的纵向剪应力所平衡（图6-1d）。此剪应力即为周围混凝土 所提供的粘结应力：
钢筋对周围混凝土的纵向剪应力（即反向粘结应力），必与相 应的混凝土段上的纵向应力相平衡。
刚度(图6-11)。
试验结果表明, 钢筋的极限粘结强度τu约与混凝土的抗拉强度ft 成 正比(图6-11(b))。其它的粘结应力特征值(τA ,τcr,τr )也与混凝土
的抗拉强度成正比( 图6-12)。
2.保护层厚度（c）
钢筋的混凝土保护层厚度指钢筋外皮至构件表面的最小距
离(c,mm)。增大保护层厚度,加强了外围混凝土的抗劈裂能力,显 然能提高试件的劈裂应力(τcr)和极限粘结强度(τu)(图6-13)。
的应力偏小。钢筋应力沿纵向发生变化，其表面必有相应的粘结应力
分布（下图示）。
这种情况下，虽然裂缝段钢筋的应力差小，但平均应力（变）值高
。粘结应力的存在，使混凝土内钢筋的平均应变或总变形小于钢筋单
独受力时的相应变形，有利于减小裂缝宽度和增大构件的刚度，称为 受拉刚化效应。
6.1.2
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：
3.钢筋埋长(l )
试件中钢筋埋得越深,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τu 与实际 最大粘结应力τmax 的比值越小， 故试验粘结强度随埋长(l/d) 的增 加而降低(图6-15)。当钢筋的埋
但是,当混凝土保护层的厚度c>(5～6)d 后,试件不再发生劈裂破
坏,而是钢筋沿横肋外围切断混凝土而拔出,故粘结强度τu不再 增大。
构件截面上的钢筋多于一根时,钢筋的粘结破坏形态还与钢
筋间的净距s 有关[6-15,6-16],可能是保护层劈裂(当s>2c),或者沿 钢筋连线劈裂(当s<2c,见图6-14)。
• 上述钢筋拔出过程是指埋入长度较短的试件。如果钢筋的埋入长度大
，当施加的拉力使钢筋的加载端发生屈服（Nu =Asfy），而钢筋不被拔 出时，所需的最小埋长称为锚固长度la 。这是保证钢筋充分发挥强度 所必须的，根据平衡条件建立的计算式为：
• 6.2.3 变形钢筋
变形钢筋拔出试验中量测的粘结应力--滑移典型曲线如下图6-8（a） 示，钢筋应力（σs）、粘结应力τ和滑移S沿钢筋埋长的分布随荷载 的变化过程如图6-8（b）,试件内部裂缝的发展过程示意如图6-9。 变形钢筋和光圆钢筋的主要区别是钢筋表面具有不同形状的横肋或
光圆钢筋和变形钢筋与混凝土的极限粘结强度相差悬殊， 而且粘结机理、钢筋滑移和试件破坏形态也多有不同，分述 如下：
6.2.2 光圆钢筋
在光圆钢筋的拔出试验中，量测到的拉力（N）或平均粘结应力（
τ）与钢筋两端的滑移曲线（Sl和Sf）如图6-7（a）所示，钢筋应力 （σs）沿其埋长分布和据以计算的粘结应力（τ）分布，以及钢筋滑
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（τ粘）取决于水泥的性质和钢筋表面的粗糙程度。当 钢筋受力后有较大变形，发生局部滑移后，粘着力随之丧失。 ② 周围混凝土对钢筋的摩阻力，在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应力， 以及二者之间的摩擦系数等。 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（应力）的加卸等各部分粘结作用也 有变化。
移时的应力值接近，但比值大大减小，钢筋的受力段和滑移段的长度也
较早地遍及钢筋的全埋长。 当平均粘结应力达极限粘结应力的0.4~0.5时，即曲线上的A点，钢筋
靠近加载端横肋的背面发生粘结力破坏，出现拉脱裂缝（图6-9（a））
。随即，此裂缝向后（拉力的反方向）延伸，形成表面纵向滑移裂缝。 荷载稍有增大，肋顶混凝土受钢筋肋部的挤压，使裂缝向前延伸，并转
与前述试件无区别。在试件混凝土出现裂缝后，横向筋约束了裂缝的 开展，提高了抗阻力，τ-S曲线斜率稍高。当荷载接近极限值时，钢 筋肋对周围混凝土挤压力的径向分力也将产生径向-纵向裂缝⑤，但开 裂时的应力和相应的滑移量都有很大提高。 径向-纵向裂缝⑤出现后，横向筋的应力剧增，限制此裂缝的扩展 ，试件不会被劈开，抗拔力可继续增大。钢筋滑移的大量增加，使肋 前的混凝土破碎区不断扩大，而且沿钢筋埋长的各肋前区依次破碎和 扩展，肋前挤压力的减小形成了τ-S曲线的下降段。最终，钢筋横肋 间的混凝土咬合齿被剪断，钢筋连带肋间充满着的混凝土碎末一起缓 缓地被拔出（R点）。此时，沿钢筋肋外皮的圆柱面上有摩擦力，试件 仍保有一定的残余抗拔力。这类试件的极限粘结强度远大于光圆钢筋 的相应值。
6.1
6.1.1
粘结力的作用和组成
作用和分类
钢筋和混凝土构成一种组合结构材料的基本条件是：两者之
间有可靠的粘结和锚固。
三种钢筋的粘结和锚固状态：
无粘结，无锚具：梁在很小的荷载作用下就会发生脆性折断，钢
筋并不受力，与素混凝土无异（图6-1a）；
无粘结，端部设锚具：梁在荷载作用下钢筋应力沿全长相等，承 载力有很大提高，但是受力如二铰拱，非“梁”的应力状态（图6-1b ）； 沿全长和端部粘结可靠：梁在荷载作用下钢筋应力随截面弯矩而 变化，符合“梁”的基本受力特点（图6-1c）。