钢筋混凝土界面的传力机理及模型化

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1、钢筋混凝土的界面问题钢筋与混凝土的界面传力机理混凝土与混凝土接触面的传力机理粘结应力钢筋的梢栓作用开裂前：水泥胶泥和骨料的共同作用开裂后：摩擦骨料咬合作用水泥胶体与骨料的抗拉作用锚固粘结应力缝间粘结应力(钢筋端部的粘结应力)(两条裂缝间的粘结应力)钢筋锚固长度及钢筋与混凝土的锚固粘结滑移关系钢筋与混凝土的缝间粘结滑移关系为了确定粘结应力及相对滑移量，目前有类实验方法： 拔出实验、梁式实验、轴拉实验无横向配筋的拔出实验有横向配筋的拔出实验主要用于测量锚固粘结应力及相对滑移量常为劈裂破坏，不能充分反映钢筋砼间粘结性能的全过程配有双支箍筋的基准拔出实验有预制劈裂缝的双根钢筋拔出实验：模拟裂缝形成后，

2、横向钢筋对纵向钢筋与砼间的粘结滑移特性的影响模拟梁柱节点处钢筋的局部粘结强度。2. 梁式实验由于拔出实验与真实的粘结特性差别较大，产生了梁式试件的粘结实验。3. 轴拉实验主要用于测量缝间粘结应力及相对滑移量。水泥凝胶体与钢筋表面的化学胶着力钢筋与砼接触面的摩擦力，混凝土因收缩使钢筋握紧而产生的摩擦力钢筋表面不平整与砼间的机械咬合力 钢筋表面形状不同，其粘结应力差别很大。工程实践中常遇到的是光面钢筋和变形钢筋。初始：近似直线荷载增大：相对滑移逐渐向自由端发展，随着长度减小，粘结应力图形的峰值点及长度逐渐增大加载端出现滑动：胶着力破坏，曲线非线性自由端出现滑动：钢筋埋长上的胶着全部失效，粘结应力峰

3、值移至自由端。滑移迅速增大，荷载减小，曲线下降钢筋拔出，砼未发生裂缝或破碎剪切破坏形态中国建研院通过拔出实验得出的峰值粘结应力u及残余强度r与混凝土抗拉强度ft的关系为1.360.57utrtff122sin12sin222scrxscrcrcrEcrxAldxAllxAlxbaxl大连理工给出的适用于光圆钢筋缝间粘结应力x 与滑移量dx 的关系式为水泥凝胶体与钢筋表面的化学胶着力钢筋与砼接触面的摩擦力钢筋表面突出的横肋与砼的机械咬合力变形钢筋与砼的粘结力：图中线 为加载端与自由端平均粘结应力和平均滑移量的关系曲线，线 分别为加载端和自由端的粘结应力和局部滑移间的关系曲线上升段的放大图。d,l

4、fd d 拔出实验：受力过程，分五个阶段：加载初，粘结应力较小，化学粘着力起作用，加载端滑移很小，自由端无滑移。钢筋肋对混凝土的斜向挤压力将产生内部斜裂缝及径向裂缝。由加载端开始滑移到内部裂缝形成前，加载端滑移量与粘结应力间近似为线性关系，相对滑移量很小微滑移阶段。S点的粘结应力s为相应于内裂缝形成时的最小值，称为抗内裂缝粘结强度，一般为粘结极限强度的30%左右。当粘结应力超过 （抗内裂缝粘结强度）后，内裂缝出现并发展，形成沿钢筋肋的新滑移面。钢筋肋对周围混凝土的楔作用增大，滑移加快，并向自由端发展，曲线斜率减小，并呈明显非线性。直到径向裂缝达到试件表面，加载端出现纵向劈裂裂滑移阶段sc为劈裂

5、粘结强度，一般为极限粘结强度的95%左右。荷载继续增加，粘结应力超过 c 后，相对滑移显著增加，自由端和加载端滑移量接近，曲线斜率迅速减小。劈裂裂缝很快向自由端发展，达到一定长度后发生突然脆性破坏，粘结应力达到极限值u劈裂段到达极限荷载后，肋间混凝土的剪切强度已耗尽，曲线缓慢下降 ，进入下降段。当钢筋的滑动达到一定数值后，荷载不再下降，而是由摩阻力维持，并稳定在30%40%极限荷载的水平，直至钢筋被拔出残余段 r是残余粘结强度 243443/461.56933.14 100.478 10/4 1/1.00.19tstscmddddfcxxx lx lff清华大学考虑砼强度、相对保护层厚度及离开

6、试件端部距离影响的关系式：轴拉实验：一些经验公式：24253645.30 102.52 105.87 105.47 10dddd24253645.30 102.52 105.87 105.47 1040.7cfdddd242639.81 105.74 100.837 10dddHoude&Mirza：Nilson：0.56715.1950.00470.1245ccxdfdxf123322sin25.36 105.04 100.29 1012sin222scxxxcrxscrcrcrEcrxA EdddlAllxSlxbal大连理工：考虑混凝土强度、裂缝间距、混凝土保护层厚度、钢筋表面形

7、状等因素，进行梁试验，得出我国广泛适用的月牙纹d关系式：Nilson考虑离开裂缝面距离对d关系的影响：l三、钢筋的梢栓作用机理及实验研究钢筋的梢栓作用是指钢筋砼构件中的主钢筋与裂缝相交时所起的联系裂缝两侧构件的作用。主钢筋所承受的其方向与钢筋轴向垂直的剪力称为梢栓力。梢栓作用破坏主要分两类：对于通常配箍率低的浅梁，砼沿纵向主筋撕裂，发生撕裂破坏（如下图），钢筋的梢栓作用较小。对于配箍率较高的浅梁或保护层较厚的大体积砼结构，箍筋和较厚的保护层能有效的阻止混凝土沿主筋的撕裂，提高了主筋的梢栓作用。梢栓作用的失效表现为在靠近裂缝面，钢筋下面的混凝土局部被压碎或钢筋屈服而破坏。 梢栓作用实验：u剪切实

8、验：模拟深梁或大体积砼结构中，梢栓破坏形态为钢筋屈服或者钢筋下面的砼被压碎的情况。梢栓的极限承载力计算式：2210.2sin10.03sincuduyyfVff636.1421tan10ddcuduVVdfV为最大梢栓力(N); 为钢筋直径(mm)；f为钢筋屈服强度；为箍筋与水平面的夹角；fcu为立方体抗压强度。根据实验资料的回归分析，得出梢栓力-位移的关系式： d为 梢栓位移，Vd 为梢栓力。分段梁或梁端试件实验模拟具有相对较大直径主筋的浅梁发生砼沿主筋周围撕裂的梢栓破坏情况。Taylor：29068.40.1dfntVb f0.251.55ddfVV d根据是否要考虑钢筋与砼之间的粘结滑移

9、及梢栓作用和模拟的方式的不同有两种基本不同的联结模型：钢筋和砼之间位移完全协调的联结模型两者之间位移不协调的联结模型，即采用粘结单元的联结模型。l位移完全协调的联结模型： 认为钢筋和混凝土粘结的很好，不存在相对位移，间接的通过受拉刚化效应来考虑粘结力对单元刚度的影响，不具体考虑钢筋与砼间的相对位移。该模型根据钢筋和砼之间的具体单元划分方式可分为分离式、埋置式和组合式。（后面会讲）不需要粘结滑移和梢栓作用的模拟。l位移不协调的联结模型： 如果结构的承载能力主要取决于钢筋和砼之间的粘结力及钢筋的梢栓作用，或者对粘结力及梢栓作用本身要进行详细的研究，则必须采用位移不协调的联结模型，即在钢筋单元和混凝

10、土单元之间使用特殊的粘结单元相连。用粘结单元的应力位移关系来模拟粘结特性和梢栓作用。有限元分析砼结构时，分析结果是否能够反映结构真实受力状态的关键在于能否正确的模拟钢筋与砼界面间的粘结特性和梢栓作用。 钢筋与砼界面之间的联结模型。p钢筋砼结构的一个最重要的特点 带裂缝工作砼与砼界面的传力机理问题u一、混凝土与混凝土界面的传力机理平行裂缝面的骨料咬合作用垂直裂缝面的应变软化效应传递剪力传递拉力混凝土与混凝土界面的直接传力方式骨料咬合作用：由于裂缝两边砼高低起伏，凹凸不平，在剪力V作用引起位移时产生的摩擦力和相互咬合挤压力引起 。当有钢筋穿过裂缝时，钢筋中的拉力仅由裂缝两侧混凝土的相互挤压力平衡。

11、混凝土所受的压力大大增加了开裂面的摩擦阻力，提高了开裂面的抗剪能力。所以在钢筋混凝土构件中，不仅要考虑梢栓作用的抗剪能力，还要考虑跨裂缝钢筋受拉而提高开裂面抗剪能力的作用。应变软化效应：混凝土开裂后，开裂面上的水泥基质和集料间的粘结和垂直于裂缝面方向上的摩擦作用没有完全消失，从而导致砼开裂后，开裂面上的正应力没有立刻减为零，而是随着裂缝宽度的增加而降低。即砼开裂后仍能承担垂直于裂缝面的拉力。对结构延性和开裂控制有利。u二、骨料咬合机理实验及咬合力位移关系按其是否有垂直于裂缝面的约束作用，骨料咬合机理实验分三类：直接剪切实验外部约束实验内部约束实验直接剪切实验：不考虑垂直于裂缝面的约束作用力，仅