淺析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋保護層的作用

王偉福

摘要：鋼筋保護層除對鋼筋防護作用外，其力學(xué)作用也是不容忽視的，鋼筋保護層過厚或過薄都對結(jié)構(gòu)的表面裂縫寬度、承載力的大小以及鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強度都有直接影響，日常施工中，部分施工管理人員和操作人員對鋼筋的保護層設(shè)置不重視，很容易導(dǎo)致鋼筋保護層過厚或過薄，從而造成結(jié)構(gòu)隱患，降低鋼筋保護層的功能。

關(guān)鍵詞：保護層；厚度；粘結(jié)力；作用

1、概述

在日常施工中，我們經(jīng)常碰到部分施工管理人員和操作人員對鋼筋的保護層設(shè)置極不重視的做法，如在澆筑樓板混凝土?xí)r，采用隨打隨提鋼筋網(wǎng)片或用石子墊置保護層厚度的方法，此類操作很容易導(dǎo)致鋼筋保護層過厚或過薄，從而造成結(jié)構(gòu)隱患，究其原因主要是由于施工人員對保護層的作用理解不深，沒有重視鋼筋保護層厚度所其的功能。

2、鋼筋保護層的作用

從字面上理解，鋼筋保護層的作用主要是對鋼筋起防護作用，避免鋼筋因暴露在自然條件下而產(chǎn)生銹蝕，降低其承載能力和耐久性。鋼筋保護層除以上作用外，其力學(xué)作用也是不容忽視的，鋼筋保護層過厚或過薄都對結(jié)構(gòu)的表面裂縫寬度、承載力的大小以及鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強度都有直接影響，下面針對保護層厚度過厚和過薄兩種情況進行力學(xué)作用分析。

3、鋼筋保護層力學(xué)作用分析

3.1鋼筋保護層過厚

當(dāng)保護層過厚時，將明顯減少構(gòu)件截面的有效高度h0，根據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理可知，截面的有效高度與截面的承載力的關(guān)系為平方關(guān)系（如下式）：

從上式可以看出，h₀的減少會大大降低截面的承截力MP，下面舉例進行定量分析：

例如：單向受力板，板厚h=100mm，C20混凝土（混凝土彎曲抗壓設(shè)計強度值fcm=11N/mm²），板設(shè)計配筋為φ10底板筋。

計算：當(dāng)保護層厚度為15mm時

其截面有效高度110=h-c-d÷2

=100-15-10÷2=80mm

1米寬板帶的最大承載力M_Pmax為：

M_Pmax==0.4bh₀²fcm

=0.4×1000×80²×11

=28.16×10⁶（N·mm）

當(dāng)保護層厚度為25mm時：

其截面有效高度：ho=h-c-d÷2

=100-25-10÷2=70mm

1米寬板帶的最大承載力M_Pmax為：

M_Pmax=0.4bh₀²fcm

=0.4×1000×70²×11

=21.56×106（N·ram）

保護層厚度為25mm與保護層厚度為15mm時1米寬板帶的最大承載力之比應(yīng)為：

（21.56+28.16）×100%=76.6%

也就是說，其承截力損失了23.4%。

由上可知，保護層厚度過厚會大大降低結(jié)構(gòu)的承截力。

3.2鋼筋保護層過薄

當(dāng)保護層過薄是否就有利呢？如果按上述結(jié)果看，保護層減小'hO加大，能提高承截力，但從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)成和受力特點來分析，保護層過薄也是不可取的。

大家知道，鋼筋混凝土是由抗壓不抗拉的非勻質(zhì)材料一混凝土和勻質(zhì)抗拉材料一鋼筋組成的，鋼筋與混凝土之所以能夠共同工作，其基本前提是使鋼筋與混凝土之間具有足夠的粘結(jié)強度，從而承受由于二者的相對變形（滑移）。這種在界面上產(chǎn)生的相對作用力被稱為粘結(jié)力。

鋼筋與混凝土之問的粘結(jié)力主要由以下三個組成部分：

（1）因混凝土收縮，將鋼筋緊緊握裹與混凝土而產(chǎn)生的摩擦力

（2）混凝土中水泥膠體與鋼筋表面的化學(xué)膠著力

（3）鋼筋表面粗糙產(chǎn)生的機械咬合作用。

鋼筋與混凝土的膠著力很小，發(fā)生相對滑移后，粘結(jié)力主要由摩擦力和咬合力所提供。當(dāng)采用光圓鋼筋時，鋼筋表面粗糙產(chǎn)生的機械咬合作用較差，粘結(jié)力的大小主要取決于因混凝土收縮，將鋼筋緊緊握裹與混凝土而產(chǎn)生的摩擦力。

當(dāng)結(jié)構(gòu)荷載逐漸增加時，在結(jié)構(gòu)的彎矩較大處，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度時，在薄弱處產(chǎn)生裂縫，裂縫兩側(cè)的鋼筋和混凝土之間就產(chǎn)生相對滑移，而粘結(jié)力產(chǎn)生的摩擦力會阻止這種滑移，從而控制裂縫的開展，確保其寬度不超過設(shè)計允許值，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）規(guī)定受拉區(qū)混凝土的最大裂縫寬度允許值不超過0.4mm。

當(dāng)保護層厚度不夠或鋼筋緊貼模板時，由于鋼筋與混凝土之間的握裹力不對稱（如圖1所示），使因混凝土收縮，將鋼筋緊緊握裹與混凝土而產(chǎn)生的摩擦力減少近半數(shù)，從而造成粘結(jié)力不足，這對結(jié)構(gòu)受力有很大的影響。

如果粘結(jié)力不足，隨著結(jié)構(gòu)荷載的逐漸增加，滑移范圍不斷擴大，而粘結(jié)力產(chǎn)生的摩擦力因其值過小而無法阻止這種滑移，裂縫就可能出現(xiàn)在一個較小的范圍內(nèi)，從而造成裂縫寬度超過設(shè)計允許值，降低了結(jié)構(gòu)的耐久性和防水性能，加快鋼筋的銹蝕，從而影響了構(gòu)件的結(jié)構(gòu)安全性。由此可見，保護層過薄也不可取的。

4、施工中應(yīng)采取的措施

既然保護層過厚或過薄對結(jié)構(gòu)有這么大的影響，在施工中我們應(yīng)采取相應(yīng)的措施加以控制，根據(jù)GB50204-2015規(guī)范要求，保護層的允許誤差為±3mm。

施工中主要采取以下方法：方法一、現(xiàn)澆板鋼筋綁扎時下面加墊高強度等級的砂漿墊塊，厚度同設(shè)計值，墊塊間距為1.5米，呈梅花狀布置；梁、柱保護層墊塊制作材料同現(xiàn)澆板，僅制作砂漿墊塊時，在其內(nèi)部預(yù)埋22#鉛絲，便于與鋼筋綁扎，墊塊綁扎間距一般以1.5米為宜。

方法二、柱子鋼筋保護層可采用自制鋼筋限位器進行控制，即在模板上口用3mm定型卡具，其構(gòu)造形式如下圖所示：

從施工的情況來看，以上兩種方法能有效地控制鋼筋保護層的厚度，從而確保鋼筋混凝土構(gòu)件的施工質(zhì)量和安全度。