鋼筋混凝土粘結性能的研究現狀

(青島理工大學土木工程學院 山東 青島 266033)

鋼筋混凝土結構在現代建筑中應用廣泛，在20世紀中后期，一直被認為是非常耐久的混凝土結構在使用中受到各種環境因素影響出現過早損壞，于是學者們對混凝土結構的耐久性進行了大量的研究。干濕循環、凍融循環、鋼筋銹蝕、溫度變化等都可直接引起鋼筋混凝土結構性能的降低，進而影響鋼筋和混凝土之間的粘結性能，因此，對鋼筋混凝土粘結性能的研究對混凝土結構耐久性的研究有重大意義。

一、影響粘結性能的因素

鋼筋和混凝土兩種材料的性質不同，卻能協同工作，原因是鋼筋和混凝土之間有一定的粘結力。粘結應力是鋼筋和混凝土之間的粘結段剪應力的平均值，主要由機械咬合力、化學膠結力和摩擦組成。不但鋼筋的種類、混凝土的強度、粘結段的長度等一些自身因素能影響鋼筋和混凝土之間粘結性能，而且許多外界因素，如溫度、銹蝕、凍融、持續荷載和氯離子侵蝕等粘結性能也有影響。

(1)溫度：隨著溫度的升高，鋼筋與混凝土的粘結性下降。王朝陽[1]等通過試驗得出鋼筋與混凝土之間的粘結性能隨溫度的升高呈下降趨勢的結論，他還給出了高溫下鋼筋與混凝土粘結性能的本構模型，并驗證了模型的適用性。

(2)鋼筋的銹蝕：鋼筋輕微的銹蝕可以增大鋼筋和混凝土的粘結強度，但嚴重的銹蝕會降低粘結強度。張白[2]等通過電化學銹蝕的方法，獲得了不同銹蝕率下(0～4.84%)高強鋼筋與混凝土的粘結-滑移曲線，通過研究發現，鋼筋銹蝕率較低時(≤2.22%)，粘結強度、粘結剛度均隨銹蝕率的增長而增強；當鋼筋銹蝕率超過3.46%時，試件出現銹脹裂紋，粘結強度、粘結剛度出現明顯衰退。

(3)凍融循環：凍融循環會降低鋼筋混凝土的粘結性。李新明[3]通過對試件進行0、25、50和75次凍融循環，通過中心拔出試驗發現隨著凍融次數的增加，試件表面的混凝土剝落越來越嚴重，粗骨料暴露的越來越多，鋼筋混凝土之間的粘結性能越來越低。

(4)持續荷載：王志恒[4]研究了干濕循環條件下持載的耦合效應，他發現，滑移增量并不隨著持載等級增加而增加，滑移增量的最大值出現在持載等級為50%極限荷載時。

二、粘結性能的試驗研究方法

鋼筋在混凝土內粘結段受力狀態復雜、不均勻，很難用一種試驗準確模擬應力狀態，目前世界各國對于粘結性的研究主要通過靜力試驗法中的梁式試驗和中心拔出試驗進行。

(一)梁式試驗。梁式試驗的試件是分為兩段制作，加載端和自由端都有一定長度的無粘結段，中間鋼筋的粘結段長度為10d(d為鋼筋直徑)，梁跨中受拉區的鋼筋為試驗用鋼筋，受壓區用鉸相連，可以由加載的荷載計算出鋼筋上的拉力，可以很好地模擬鋼筋在梁端的粘結錨固情況。

(二)中心拔出試驗。中心拔出試驗試件制作相對簡單，鋼筋放置在中心穿過試件，水平澆筑立方體試件；試驗時，試件放置在帶孔的鋼墊板上，使用試驗機夾緊鋼筋外露的加載端，然后增加荷載，直至試件被破壞。

三、粘結滑移本構關系

世界各國的學者在不同條件下做了大量粘結試驗，提出了許多鋼筋和混凝土之間粘結滑移本構關系的表達式，但影響鋼筋和混凝土之間粘結性能的因素有很多，不可能用一個表達式表達出所有情況下的本構關系，特別是對多種因素耦合作用下的本構關系，需要做特定的試驗才能得出最符合試驗規律的表達式。

徐有鄰[5]通過拉拔變形鋼筋，提出了基于鋼筋錨固位置函數ψ(x)的粘結-滑移本構關系表達式τ=ψ(x)·φ(s)，經過分析精簡，又提出了三段式的簡化模型：

(式1)

(式2)

限于篇幅，各個參數的具體含義見文獻[5]。這種分段式的表達式雖然能精確的描述試件變形各階段的粘結滑移關系，但表達式冗長，使用不便。

滕智明[6]采用四階多項式，提出了粘結強度隨裂縫間距、保護層厚度和鋼筋直徑的變化規律：

(式3)

式中，τ為粘結強度(N/mm2),x為到最近裂縫的橫向距離(mm)，l為裂縫間距(mm)，c為保護層厚度(mm)，d為鋼筋直徑(mm)。

宋啟根[7]用三階多項式提出了以下表達式：

τ=6.58×102s-2.12×104s2+2.15×105s3

(式4)

式中，τ為粘結強度(N/mm2)，s為滑移量(mm)。

Nilson[8]通過拉拔試驗，得出以下表達式：

τ=10×103s-58.5×106s2+8.53×109s3

(式5)

式中，τ為粘結強度(N/mm2)，s為滑移量(mm)。

可以看出，用多項式擬合鋼筋和混凝土之間的粘結滑移本構關系形式非常簡單。總之，目前很難用一種統一的公式來表達出所有因素影響下鋼筋混凝土粘結滑移本構關系式，因此在進行有限元分析時，應盡量選擇符合影響因素的粘結滑移本構關系表達式。

四、結語

能夠影響鋼筋與混凝土之間粘結性的因素有許多，目前學者們通過試驗研究了溫度變化、凍融循環、鋼筋銹蝕、持續荷載以及兩種或多種環境因素耦合作用下粘結性能的退化規律，并提出了不同條件下的粘結滑移本構關系表達式，，但仍沒有公式能夠既完整又簡潔地表達出各種環境因素對鋼筋混凝土粘結滑移的影響。在進行有限元數值模擬時，應根據不同條件選擇不同的本構關系表達式，或者進行特定的試驗，擬合出特定的表達式。