鋼筋混凝土粘結滑移研究現狀★

李國一 李 敏* 牛海英 張壯壯

(大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116000)

鋼筋混凝土粘結滑移研究現狀★

李國一 李 敏* 牛海英 張壯壯

(大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116000)

鋼筋混凝土之間的粘結性能是兩種材料組合在一起共同工作的基礎,總結了國內外大量有關鋼筋混凝土粘結滑移性能研究的文獻，介紹了鋼筋與混凝土粘結滑移性能研究中影響因素和滑移本構等問題，同時對粘結滑移性能的研究成果進行了分析。

鋼筋混凝土,本構關系,粘結性能,粘結單元

0 引言

鋼筋與混凝土是性質不同的兩種材料，但兩者能組合在一起工作，除了線膨脹系數相同以外，共同工作的基礎是鋼筋與混凝土之間的粘結性能。化學膠著力、摩擦力和機械咬合力是粘結應力的三大組成部分。有關粘結滑移性能的試驗探究很多，但是由于不同學者采用的試驗儀器、試驗方法、試件制備以及試驗人員等因素的不同，導致試驗結果存在不一致，甚至會出現相反的結論。本文主要從影響因素和本構關系等方面對鋼筋混凝土粘結滑移性能進行了探討。

1 粘結滑移的主要影響因素

1.1 混凝土強度及組成[1]

鋼筋與混凝土之間的機械咬合力和化學膠著力會隨著混凝土強度的提高而增大，即粘結強度增大。有些試驗還表明，粘結強度還會受到混凝土中水灰比、水泥用量等因素的影響。

1.2 鋼筋位置、受力方向和混凝土澆筑方向[2]

對于平位澆筑，鋼筋下方混凝土有下沉和泌水現象，與鋼筋接觸不緊密，故粘結強度降低。對變形鋼筋，當混凝土硬結方向與鋼筋受力方向相同，則相對滑動增大，粘結應力降低。

1.3 鋼筋周圍約束條件

混凝土保護層厚度、縱筋間距、橫向配筋以及配筋率等都屬于鋼筋周圍約束條件。鋼筋周圍約束條件直接影響鋼筋混凝土之間的粘結強度，例如保護層厚度主要是通過相對保護層c/d來起作用的，隨著c/d的增大，可以提高混凝土抗劈裂的能力，從而提高粘結強度；研究表明，配筋率較小的構件，粘結作用可忽略，配筋率較大的構件，應考慮粘結作用對構件受力性能的影響。

1.4 應變率的影響

1962年美國學者Robert J Hansen[3]對鋼筋混凝土粘結性能進行了動載下拉拔試驗研究。實驗得到了混凝土和變形鋼筋之間粘結強度隨應變率提高而增大的結論，因為沒有定量的分析，在實際分析和應用中難以實現。

2001年洪小健[4]試驗研究了加載率對鋼筋混凝土粘結強度的影響。試驗結果顯示，粘結強度隨應變率的提高而增大，洪小健給出了兩點原因：1)應變滯后效應；2)混凝土材料的動力特性。

河海大學鄭曉燕等[5,6]試驗研究了應變率、鋼筋錨固程度及銹蝕程度對粘結滑移性能的影響，得到粘結力隨應變速率提高而增大的結論。

2016年李敏等[7]基于ABAQUS非線性有限元軟件，采用非線性彈簧單元Spring2，對比分析了應變速率對鋼筋混凝土粘結滑移性能的影響。通過數值計算結論如下：隨應變率提高最大粘結力增大，鋼筋末端滑移量增大。

2 粘結滑移本構關系

鋼筋混凝土之間的粘結滑移本構關系是鋼筋混凝土非線性數值分析的核心問題，因此國內外很多學者采用多種試驗方法和量測手段進行了大量的試驗研究，得到了很多的成果，但由于影響鋼筋混凝土粘結作用的因素諸多，同時由于試驗手段、儀器和試件等存在不同，試驗結果差異也較大。目前鋼筋混凝土粘結滑移本構關系常用的主要有以下幾種：

1)Nilson[8]加入了混凝土、鋼筋以及鋼筋與混凝土粘結滑移等非線性本構關系對鋼筋混凝土梁試件進行數值分析，還對裂縫進行了模擬。

Nilson擬合公式如下：

τ=9.8×102s-5.74×104s2+0.836×106s3。

其中，τ為粘結應力，MPa;s為滑移量，mm。

2)Houde和Mirza[9]考慮粘結應力與混凝土強度的關系，根據試驗結果擬合得到公式：

其中，τ為粘結應力,MPa；s為滑移量,mm。

3)東南大學狄生林[10]根據梁式試件剪跨內測點的試驗數據擬合公式為：

τ=6.59×102s-2.13×104s2+0.22×106s3。

其中，τ為粘結應力,MPa；s為滑移量,mm。

4)徐有鄰[11]考慮了保護層厚度、混凝土強度、鋼筋直徑、配筋率以及錨固長度等諸多因素對粘結性能的影響，采用五段式來描述粘結滑移曲線，同時考慮用一個位置函數表示不同錨固深度處的變化，建立相應的粘結滑移曲線：

。

其中，φ(x)是用來描述不同錨固深度處的粘結滑移關系；φ(s)為粘結滑移表達式；la為粘結錨固長度。

5)GB 50010—2010混凝土結構設計規范給出了混凝土與熱軋帶肋鋼筋之間的粘結滑移本構關系曲線：

線性段:τ=k1s,0≤s≤scr；

劈裂段:τ=τcr+k2(s-scr),scr

下降段:τ=τa+k3(s-su),sa

殘余段:τ=ft,r,s>sr；

卸載段:τ=τan+k1(s-sun)。

其中，τ為粘結應力，MPa；s為滑移，mm；k1為線性段斜率，k1=τcr/scr；k2為劈裂段斜率，k2=(lu-τcr)/(su-scr)；k3為下降段斜率，k3=(τr-τu)/(sr-su)；τan為卸載點的粘結應力，MPa；sun為卸載點的相對滑移，mm。

比較上述粘結滑移經驗公式，1)～3)中的公式形式非常簡潔，應用也比較方便，缺點是不能反映諸多粘結滑移的影響因素，只能適應于特定結構在特定錨固下的情形。4),5)中的公式形式復雜，適用比較困難，但全面反映了各種因素對于粘結滑移性能的影響。

總之，粘結滑移性能受到諸多因素的影響，很難得到統一實用而又表達簡潔的公式。因此，在進行有限元數值模擬時，應盡量選擇符合模擬情況的本構關系，對于一些特殊的粘結問題，還應進行單獨的試驗研究，作為數值模擬的參考標準。

3 結語

1)關于鋼筋混凝土粘結滑移性能的試驗有很多，大多為靜態或準靜態條件下的試驗研究，對于一些有抗震要求的結構還需要進行動態條件下的研究。但粘結滑移的影響因素眾多，想要得到一個簡單通用的公式十分困難，因此，對于一些特殊的粘結滑移問題需要進行單獨的試驗研究。

2)隨著計算機技術的進步與發展，應用數值模擬的方法進行鋼筋混凝土粘結滑移性能研究變得越來越重要。采用有限元數值模擬，主要存在兩方面的問題，一是粘結滑移本構的選取。由于影響粘結滑移性能的因素比較多，至今未見通用的粘結滑移表達式，但對于特殊問題可以進行試驗，擬合相關的本構關系式。二是粘結單元的選取，目前通用的幾種粘結單元基本可以滿足數值模擬要求。

[1] 陳璽文.鋼筋混凝土粘結性能有限元分析[D].天津：天津大學，2010.

[2] 趙 明，蘇三慶.鋼筋混凝土粘結滑移相關問題[J].施工技術，2009(38)：52-54.

[3] Shah，indravadan K.Behavior of bond under dynamic loading[J].ACI Journal Proceedings,1962,19(4):563-584.

[4] 洪小健.不同加載速度下的銹蝕鋼筋與混凝土粘結滑移試驗研究[D].上海：同濟大學，2001.

[5] 鄭曉燕,吳勝興,劉龍強.動荷載作用下鋼筋與混凝土粘結錨固試驗研究[J].混凝土與水泥制品,2002(6):27-30.

[6] 鄭曉燕，吳興盛.動荷載下銹蝕鋼筋混凝土粘結滑移特性的試驗研究[J].土木工程學報，2006,39(6)：42-46,65.

[7] 李 敏,蔡 杰,陳鳳山.鋼筋混凝土動態粘結性能數值模擬[J].山西建筑,2016，42(7):20-22.

[8] Nilson AN.Internal measurement of bond-slip[J].ACI，1972,69(7)：439-441.

[9] Mirza S M,Honde J.Study of bond stress-slip relationships in reinforced concrete[J].ACI,1979,76(1):19-46.

[10] 狄生林.鋼筋混凝土梁的非線性有限元分析[J].南京工學院學報,1984(2):87-96.

[11] 徐有鄰.變形鋼筋粘結錨固性能的試驗研究[D].北京：清華大學，1990.

Abstract: The paper indicates the bond performance of reinforced concrete is the basement for the joint of the two kinds of materials, sums up the literature for the bond slip performance of the reinforced concrete at home and abroad, introduces the influential factors and slip in the research on the reinforced and concrete bond concrete, and analyzes the research result of the bond slip performance.

Keywords: reinforce concrete, constitutive relation, bond performance, bond unit

Researchonbondslipofreinforcedconcrete★

LiGuoyiLiMin*NiuHaiyingZhangZhuangzhuang

(CollegeofMarineandCivilEngineering,DalianOceanUniversity,Dalian116000,China)

1009-6825(2017)25-0034-03

TU502

A

2017-06-26★:本文系國家自然科學基金(51308085)資助

李國一(1992- ),男，在讀碩士； 牛海英(1979- )，女，副教授

李 敏(1981- ),女，博士，講師