第33卷第5期建 筑 结 构2003年5月
混凝土结构中钢筋的锚固
徐有邻 王晓锋
(中国建筑科学研究院 北京100013)
[提要] 通过对混凝土结构中受力钢筋的锚固机理、影响因素的分析,对新修订国家标准《混凝土结构设计规(GB50010—范》2002)中锚固长度及修正方法作了详细说明,并介绍了新增的钢筋机械锚固的有关内容。[关键词] 混凝土结构 钢筋 锚固长度
Theanchoringlengthofreinforcementsinconcretestructuresanditsadjustment,whichwerestipulatedinthenewversionofnationalstandardCodeforDesignofConcreteStructures(GB50010—2002),areexplainedthroughtheanalysisofanchoragemechanismanditsinfluencefactors.Relevantcontentsaboutmechanicalanchorageofreinforce2ments,whichisnewlyaddedinthenewversion,arealsointroduced.Keywords:concretestructures;reinforcements;anchoringlength;designcode
一、受力钢筋的锚固机理
近年来,钢筋强度不断提高,外形也在改变,,《混凝土结构设计规范》较大调整。成一章,塌垮等灾难性后果钢筋与混凝土之间的粘结锚固由胶结力、摩阻力、咬合力构成。而后者表现为钢筋横肋与混凝土咬合齿的挤压,是锚固作用的主要成分。由于挤压力是斜向
的,故在握裹层混凝土中将引起环向拉应力σθ,这可能导致纵向劈裂而使锚固失效。钢筋横肋的分布导致劈裂的方向性,且其强度还受到锚固条件(围箍约束)的影响(图1)。锚固性能表现为锚固强度(抗拔力)、锚固刚度(滑移控制)及锚固延性(大滑移时的承载力)。影响锚固性能的主要因素有:受力钢筋的强度和外形、握裹层混凝土的强度及厚度、锚固区域的配箍及其它约束条件,这些因素都影响锚固设计。其它一些因素
(如侧向压力、混凝土的浇筑状态等)目前暂不考虑,以
作用实现。因此,锚固设计的关键是确定锚固长度。取设计规范中混凝土保护层厚度的最小值以及构造配箍的最低要求,在此最不利锚固条件下,图2 锚固抗力与受力钢筋锚固抗力与锚固长锚固长度的关系度之间的关系如图2所示。
试验及分析表明,随着锚固长度la的增加,锚固抗力Fa加大。当锚固抗力等于钢筋的屈服力Fy时,相应的锚固长度为临界锚固长度lcra,这是保证受力钢筋不发生锚固破坏的最小长度。随着钢筋屈服后的强化,锚固抗力还会增加。当锚固抗力等于钢筋的极限
u
拉力Fu时,相应的锚固长度为极限锚固长度la,显然,超过此值的锚固长度部分将不起作用。
u
规范修订时,用试验和分析的方法确定lcra和la,然后经可靠度分析,并与传统的锚固长度相校准以确定锚固长度的设计值。确定该值时,还参考了国外规范中对类似钢筋的相应规定。
21锚固长度的表达
免使锚固设计复杂化。
二、钢筋的锚固长度
11锚固长度的控制
我国传统的锚固设计是用查表的方式并以5d(d为钢筋直径)为进位确定锚固长度。随着钢筋强度的提高和外形的多样化,并考虑到锚固条件的影响,表格法的局限性日渐突出。目前国外规范都以计算方式确定锚固长度,并根据锚固条件的不同而加以修正。因此,此次规范修订也遵从国际惯例作了相应的修改。
图1 钢筋锚固机理
31基本锚固长度
新规范第91311条给出了计算纵向受拉钢筋基本锚固长度la的公式:
la=α
fdft
(1)
式中参数取值详见规范。
规范修订前后热轧钢筋的锚固长度如图3所示。图中虚线为原规范的锚固长度。预应力钢丝、钢绞线因强度fpy不一,
不再图示表达。
作为修正系数,减小锚固长度。但此修正不适用于有抗震设防要求及直接承受动力荷载的结构构件。
61骤然放张预应力筋的影响
先张法预应力构件采用骤然放张预应力筋的施工工艺时,考虑到冲击造成的微裂等损伤对端部锚固的不利影响,锚固长度起点应从距构件末端0125倍预应力传递长度处计算。
71锚固长度的限值
上述锚固长度的修正系数可以连乘。但由于构造的需要,受力钢筋的锚固长度不应小于某一限值。规范规定,经修正后在实际工程中采用的锚固长度不应小于按式(1)计算的锚固长度的017倍,且不应小于250mm。
四、钢筋的机械锚固
11机械锚固的形式
图3 热轧钢筋的锚固长度
)的形式,利用各国规范均有对HPB235级光面钢筋加。
通过系统的试验研究,规范91312条选择了三种合适的机械锚固形式,现在分述如下:1)弯钩:对于
HRB335级、HRB400级和RRB400级纵向受拉钢筋,
三、锚固长度的修正
随着锚固条件的变化,因此,11。当其直径加大时,横肋相对高度降低,虽然加密肋距可弥补咬合力的不足,但锚固强度仍然降低。因此,对直径大于25mm的粗直径月牙肋钢筋,锚固长度应乘以修正系数111。
21涂层钢筋的锚固长度
均取135°弯钩,以避免局部挤压引起混凝土破碎,弯弧内径为4d,弯后平直部分长度为5d;2)焊锚板:锚板边长尺寸不小于5d,锚筋应采用穿孔塞焊方式与其连接;3)贴焊锚筋:锚固端贴焊的锚筋长度不小于5d且应双面焊接。
21机械锚固长度
为解决恶劣环境中钢筋的耐久性问题,我国已开始生产并使用环氧树脂涂层钢筋。试验研究表明,涂层削弱了钢筋与混凝土的粘结锚固作用,锚固强度降
低20%左右,故锚固长度应乘以修正系数1125。
31施工扰动的影响
机械锚固靠锚头与混凝土的挤压作用实现传力,但锚固刚度较小,即受力伴随着较大的滑移。因此,采用机械锚固以后仍应具有一定的锚固长度,即除锚头外仍需有相当的长度与之共同受力。新规范规定,采用机械锚固措施以后,其总锚固长度(包括锚头在内的总水平投影长度)可取按式(1)计算锚固长度的017倍。国外规范的规定与此相似。
31机械锚固的构造要求
对于滑模施工等施工扰动影响混凝土终凝前粘结锚固作用的情况,锚固长度应增加以弥补锚固作用的削弱,规范规定应乘以修正系数111。
41厚保护层的作用
握裹钢筋的混凝土保护层厚度较大时有利于锚固约束作用,咬合力增强,锚固强度提高。规范规定当保护层厚度大于3d且配有箍筋时,锚固长度可乘以修正系数018。
51配筋余量的影响
机械锚固的锚固挤压较多地集中在锚头附近,锚固区的混凝土容易破碎,故应加以围箍约束。新规范规定,在机械锚固的锚固长度范围内应配置箍筋,其直径不应小于0125d(d为纵向受力钢筋的直径),间距不应大于5d,数量不应少于3个。但当保护层厚度不小于5d时,由于握裹层已能提供足够的约束,可以不考虑上述配箍的要求。
(下转第7页)
基本锚固长度以受力钢筋达到强度设计值为条件。各国规范都规定了当应力丰度(实际应力与屈服强度fy之比)小于1时,按比例减小锚固长度的方法。修订规范简化计算,以设计计算与实际配筋面积之比
二级抗震等级,如果目前规范预测的罕遇地震水准不变,则上部各柱加强措施以取∑Mc≥∑Mbua为好。若为了简化设计,亦可取∑Mc≥(114～115)∑Mb。这表明修订后规范对8度二级所取柱增强措施还宜再进一步加强。底层柱下端截面的增强系数则以从规范所取的1125(修订前后未变)提高到115左右为好。当然,如考虑到我国目前对7,8度区预测的罕遇地震水准可能偏高[4],并将8度二级上部各层柱的增强措施由∑Mc≥112∑Mb提高到∑Mc≥(1135～114)∑Mb左右(相当于取与8度一级相同的增强措施),将底层柱的增强系数由1125提高到114左右,应该说也是一种可以接受的做法。当然,可能还需要对不同类型、不同规模的结构进行更广泛的非线性动力反应分析,来最后敲定增强措施的合理取值。
这里需要说明的是,之所以建议进一步提高8度二级框架底层柱下端和上部各层柱的弯矩增强系数,是因为8度区的罕遇地震水准与设防地震水准的比值要比9度区明显偏大(8,9度区各自的罕遇地震水准210和1155),[3,9,一步加强,,9度区框架的现行措施是可以接受的,不需做进一步调整;7度区的罕遇地震水准与设防地震水准的比值虽也为210左右,但因其柱截面配筋大部分由最小配筋率控制,这相当于在
(上接第9页)
不同程度上进一步增强了各层柱截面的抗弯能力,因此,修订后的规范规定的7度区抗震措施也可以保持不变。
(3)近年来国外强震震害和我国台湾1999年9月集集地震的震害均表明,底层柱是从防倒塌角度需要给予认真关注的关键抗震部位。绝不能因为在框架形成的梁铰机构或梁柱铰机构中底层柱底肯定要形成塑性铰,就错误理解为对该部位的塑性转动幅度可以不作严格限制。因为试验表明,在此处的高轴压比条件下,即使对柱端受压区混凝土采取了有力的约束措施,其塑性转动能力依然是有限的。一旦该部位塑性转动超限,就极可能发生柱截面压溃,从而导致建筑物的局部垮塌或倒塌。因此,虽然抗剪约束措施以及抗弯能力增强措施会加大该部位的设计和施工难度,也必须面对困难,严格保证这一关键部位的抗震措施,而不宜轻易放松。
11B50011—2001).中国建筑工业出版社,
21杨 红.基于细化杆模型的钢筋混凝土抗震框架非线性动力反应
规律研究.博士学位论文,重庆建筑大学,2000.
31韦 锋,杨 红,白绍良.对我国不同烈度区钢筋混凝土框架现行
抗震规定的初步验证.重庆建筑大学学报,2001,23(6).
41周雍年.关于设防地震动水准的考虑.建筑结构学报,2000,21
(1).
五、受压钢筋的锚固
混凝土结构构件中的受压钢筋(如受弯构件的压区配筋、柱或桁架上弦杆中的纵向受力钢筋等)同样存在着锚固问题。受压钢筋的锚固机理与受拉钢筋相同,锚固作用同样来源于胶结、摩阻、咬合和机械锚固。钢筋受压锚固比受拉状态更有利,这是因为纵向受压钢筋的端面对混凝土的挤压力起到了机械锚固的作用,加强了锚固抗力。此外,钢筋受压时的镦粗效应加大了界面的摩阻及咬合作用,也对锚固有利。由于锚固机理相同但受力更为有利,新规范规定,受压钢筋的锚固长度不应小于按式(1)计算锚固长度的017倍。原规范及国外规范有相同的规定。
钢筋在压力作用下容易发生屈曲而丧失承载能力,应保证其有足够的侧向围箍约束。因此,在受压钢筋的锚固长度范围内,应具有规定的保护层厚度以及基本的配箍构造要求。
弯钩及贴焊锚筋等机械锚固形式在承受压力作用时往往会引起偏心作用,容易发生压曲而影响构件的
受力性能,因此不宜采用弯钩、贴焊锚筋等形式的机械锚固。
六、结语
新规范对于钢筋锚固设计的内容作了较大修订,归纳如下:1)基本锚固长度不再查表而改用计算方法确定;2)根据锚固条件的不同对基本锚固长度进行修正;3)增加了钢筋机械锚固形式及其配箍的构造要求。
参
考
文
献
11徐有邻.钢筋混凝土粘结锚固性能的试验研究.建筑结构学报,
1994,(3).
21徐有邻,宇秉训,朱 龙等.钢绞线基本性能与锚固长度的试验研
究.建筑结构,1996,(3).
31徐有邻,宇秉训,姜 红.三股钢绞线锚固性能的试验研究.哈尔
滨建筑大学学报,1996,(6).
41徐有邻,刘立新,管品武.螺旋肋钢丝粘结锚固性能的试验研究.
混凝土与水泥制品,1998,(4).
51汪 洪,徐有邻,史志华.钢筋机械锚固性能的试验研究.工业建
筑,1991,(11).
第33卷第5期建 筑 结 构2003年5月
混凝土结构中钢筋的锚固
徐有邻 王晓锋
(中国建筑科学研究院 北京100013)
[提要] 通过对混凝土结构中受力钢筋的锚固机理、影响因素的分析,对新修订国家标准《混凝土结构设计规(GB50010—范》2002)中锚固长度及修正方法作了详细说明,并介绍了新增的钢筋机械锚固的有关内容。[关键词] 混凝土结构 钢筋 锚固长度
Theanchoringlengthofreinforcementsinconcretestructuresanditsadjustment,whichwerestipulatedinthenewversionofnationalstandardCodeforDesignofConcreteStructures(GB50010—2002),areexplainedthroughtheanalysisofanchoragemechanismanditsinfluencefactors.Relevantcontentsaboutmechanicalanchorageofreinforce2ments,whichisnewlyaddedinthenewversion,arealsointroduced.Keywords:concretestructures;reinforcements;anchoringlength;designcode
一、受力钢筋的锚固机理
近年来,钢筋强度不断提高,外形也在改变,,《混凝土结构设计规范》较大调整。成一章,塌垮等灾难性后果钢筋与混凝土之间的粘结锚固由胶结力、摩阻力、咬合力构成。而后者表现为钢筋横肋与混凝土咬合齿的挤压,是锚固作用的主要成分。由于挤压力是斜向
的,故在握裹层混凝土中将引起环向拉应力σθ,这可能导致纵向劈裂而使锚固失效。钢筋横肋的分布导致劈裂的方向性,且其强度还受到锚固条件(围箍约束)的影响(图1)。锚固性能表现为锚固强度(抗拔力)、锚固刚度(滑移控制)及锚固延性(大滑移时的承载力)。影响锚固性能的主要因素有:受力钢筋的强度和外形、握裹层混凝土的强度及厚度、锚固区域的配箍及其它约束条件,这些因素都影响锚固设计。其它一些因素
(如侧向压力、混凝土的浇筑状态等)目前暂不考虑,以
作用实现。因此,锚固设计的关键是确定锚固长度。取设计规范中混凝土保护层厚度的最小值以及构造配箍的最低要求,在此最不利锚固条件下,图2 锚固抗力与受力钢筋锚固抗力与锚固长锚固长度的关系度之间的关系如图2所示。
试验及分析表明,随着锚固长度la的增加,锚固抗力Fa加大。当锚固抗力等于钢筋的屈服力Fy时,相应的锚固长度为临界锚固长度lcra,这是保证受力钢筋不发生锚固破坏的最小长度。随着钢筋屈服后的强化,锚固抗力还会增加。当锚固抗力等于钢筋的极限
u
拉力Fu时,相应的锚固长度为极限锚固长度la,显然,超过此值的锚固长度部分将不起作用。
u
规范修订时,用试验和分析的方法确定lcra和la,然后经可靠度分析,并与传统的锚固长度相校准以确定锚固长度的设计值。确定该值时,还参考了国外规范中对类似钢筋的相应规定。
21锚固长度的表达
免使锚固设计复杂化。
二、钢筋的锚固长度
11锚固长度的控制
我国传统的锚固设计是用查表的方式并以5d(d为钢筋直径)为进位确定锚固长度。随着钢筋强度的提高和外形的多样化,并考虑到锚固条件的影响,表格法的局限性日渐突出。目前国外规范都以计算方式确定锚固长度,并根据锚固条件的不同而加以修正。因此,此次规范修订也遵从国际惯例作了相应的修改。
图1 钢筋锚固机理
31基本锚固长度
新规范第91311条给出了计算纵向受拉钢筋基本锚固长度la的公式:
la=α
fdft
(1)
式中参数取值详见规范。
规范修订前后热轧钢筋的锚固长度如图3所示。图中虚线为原规范的锚固长度。预应力钢丝、钢绞线因强度fpy不一,
不再图示表达。
作为修正系数,减小锚固长度。但此修正不适用于有抗震设防要求及直接承受动力荷载的结构构件。
61骤然放张预应力筋的影响
先张法预应力构件采用骤然放张预应力筋的施工工艺时,考虑到冲击造成的微裂等损伤对端部锚固的不利影响,锚固长度起点应从距构件末端0125倍预应力传递长度处计算。
71锚固长度的限值
上述锚固长度的修正系数可以连乘。但由于构造的需要,受力钢筋的锚固长度不应小于某一限值。规范规定,经修正后在实际工程中采用的锚固长度不应小于按式(1)计算的锚固长度的017倍,且不应小于250mm。
四、钢筋的机械锚固
11机械锚固的形式
图3 热轧钢筋的锚固长度
)的形式,利用各国规范均有对HPB235级光面钢筋加。
通过系统的试验研究,规范91312条选择了三种合适的机械锚固形式,现在分述如下:1)弯钩:对于
HRB335级、HRB400级和RRB400级纵向受拉钢筋,
三、锚固长度的修正
随着锚固条件的变化,因此,11。当其直径加大时,横肋相对高度降低,虽然加密肋距可弥补咬合力的不足,但锚固强度仍然降低。因此,对直径大于25mm的粗直径月牙肋钢筋,锚固长度应乘以修正系数111。
21涂层钢筋的锚固长度
均取135°弯钩,以避免局部挤压引起混凝土破碎,弯弧内径为4d,弯后平直部分长度为5d;2)焊锚板:锚板边长尺寸不小于5d,锚筋应采用穿孔塞焊方式与其连接;3)贴焊锚筋:锚固端贴焊的锚筋长度不小于5d且应双面焊接。
21机械锚固长度
为解决恶劣环境中钢筋的耐久性问题,我国已开始生产并使用环氧树脂涂层钢筋。试验研究表明,涂层削弱了钢筋与混凝土的粘结锚固作用,锚固强度降
低20%左右,故锚固长度应乘以修正系数1125。
31施工扰动的影响
机械锚固靠锚头与混凝土的挤压作用实现传力,但锚固刚度较小,即受力伴随着较大的滑移。因此,采用机械锚固以后仍应具有一定的锚固长度,即除锚头外仍需有相当的长度与之共同受力。新规范规定,采用机械锚固措施以后,其总锚固长度(包括锚头在内的总水平投影长度)可取按式(1)计算锚固长度的017倍。国外规范的规定与此相似。
31机械锚固的构造要求
对于滑模施工等施工扰动影响混凝土终凝前粘结锚固作用的情况,锚固长度应增加以弥补锚固作用的削弱,规范规定应乘以修正系数111。
41厚保护层的作用
握裹钢筋的混凝土保护层厚度较大时有利于锚固约束作用,咬合力增强,锚固强度提高。规范规定当保护层厚度大于3d且配有箍筋时,锚固长度可乘以修正系数018。
51配筋余量的影响
机械锚固的锚固挤压较多地集中在锚头附近,锚固区的混凝土容易破碎,故应加以围箍约束。新规范规定,在机械锚固的锚固长度范围内应配置箍筋,其直径不应小于0125d(d为纵向受力钢筋的直径),间距不应大于5d,数量不应少于3个。但当保护层厚度不小于5d时,由于握裹层已能提供足够的约束,可以不考虑上述配箍的要求。
(下转第7页)
基本锚固长度以受力钢筋达到强度设计值为条件。各国规范都规定了当应力丰度(实际应力与屈服强度fy之比)小于1时,按比例减小锚固长度的方法。修订规范简化计算,以设计计算与实际配筋面积之比
二级抗震等级,如果目前规范预测的罕遇地震水准不变,则上部各柱加强措施以取∑Mc≥∑Mbua为好。若为了简化设计,亦可取∑Mc≥(114～115)∑Mb。这表明修订后规范对8度二级所取柱增强措施还宜再进一步加强。底层柱下端截面的增强系数则以从规范所取的1125(修订前后未变)提高到115左右为好。当然,如考虑到我国目前对7,8度区预测的罕遇地震水准可能偏高[4],并将8度二级上部各层柱的增强措施由∑Mc≥112∑Mb提高到∑Mc≥(1135～114)∑Mb左右(相当于取与8度一级相同的增强措施),将底层柱的增强系数由1125提高到114左右,应该说也是一种可以接受的做法。当然,可能还需要对不同类型、不同规模的结构进行更广泛的非线性动力反应分析,来最后敲定增强措施的合理取值。
这里需要说明的是,之所以建议进一步提高8度二级框架底层柱下端和上部各层柱的弯矩增强系数,是因为8度区的罕遇地震水准与设防地震水准的比值要比9度区明显偏大(8,9度区各自的罕遇地震水准210和1155),[3,9,一步加强,,9度区框架的现行措施是可以接受的,不需做进一步调整;7度区的罕遇地震水准与设防地震水准的比值虽也为210左右,但因其柱截面配筋大部分由最小配筋率控制,这相当于在
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不同程度上进一步增强了各层柱截面的抗弯能力,因此,修订后的规范规定的7度区抗震措施也可以保持不变。
(3)近年来国外强震震害和我国台湾1999年9月集集地震的震害均表明,底层柱是从防倒塌角度需要给予认真关注的关键抗震部位。绝不能因为在框架形成的梁铰机构或梁柱铰机构中底层柱底肯定要形成塑性铰,就错误理解为对该部位的塑性转动幅度可以不作严格限制。因为试验表明,在此处的高轴压比条件下,即使对柱端受压区混凝土采取了有力的约束措施,其塑性转动能力依然是有限的。一旦该部位塑性转动超限,就极可能发生柱截面压溃,从而导致建筑物的局部垮塌或倒塌。因此,虽然抗剪约束措施以及抗弯能力增强措施会加大该部位的设计和施工难度,也必须面对困难,严格保证这一关键部位的抗震措施,而不宜轻易放松。
11B50011—2001).中国建筑工业出版社,
21杨 红.基于细化杆模型的钢筋混凝土抗震框架非线性动力反应
规律研究.博士学位论文,重庆建筑大学,2000.
31韦 锋,杨 红,白绍良.对我国不同烈度区钢筋混凝土框架现行
抗震规定的初步验证.重庆建筑大学学报,2001,23(6).
41周雍年.关于设防地震动水准的考虑.建筑结构学报,2000,21
(1).
五、受压钢筋的锚固
混凝土结构构件中的受压钢筋(如受弯构件的压区配筋、柱或桁架上弦杆中的纵向受力钢筋等)同样存在着锚固问题。受压钢筋的锚固机理与受拉钢筋相同,锚固作用同样来源于胶结、摩阻、咬合和机械锚固。钢筋受压锚固比受拉状态更有利,这是因为纵向受压钢筋的端面对混凝土的挤压力起到了机械锚固的作用,加强了锚固抗力。此外,钢筋受压时的镦粗效应加大了界面的摩阻及咬合作用,也对锚固有利。由于锚固机理相同但受力更为有利,新规范规定,受压钢筋的锚固长度不应小于按式(1)计算锚固长度的017倍。原规范及国外规范有相同的规定。
钢筋在压力作用下容易发生屈曲而丧失承载能力,应保证其有足够的侧向围箍约束。因此,在受压钢筋的锚固长度范围内,应具有规定的保护层厚度以及基本的配箍构造要求。
弯钩及贴焊锚筋等机械锚固形式在承受压力作用时往往会引起偏心作用,容易发生压曲而影响构件的
受力性能,因此不宜采用弯钩、贴焊锚筋等形式的机械锚固。
六、结语
新规范对于钢筋锚固设计的内容作了较大修订,归纳如下:1)基本锚固长度不再查表而改用计算方法确定;2)根据锚固条件的不同对基本锚固长度进行修正;3)增加了钢筋机械锚固形式及其配箍的构造要求。
参
考
文
献
11徐有邻.钢筋混凝土粘结锚固性能的试验研究.建筑结构学报,
1994,(3).
21徐有邻,宇秉训,朱 龙等.钢绞线基本性能与锚固长度的试验研
究.建筑结构,1996,(3).
31徐有邻,宇秉训,姜 红.三股钢绞线锚固性能的试验研究.哈尔
滨建筑大学学报,1996,(6).
41徐有邻,刘立新,管品武.螺旋肋钢丝粘结锚固性能的试验研究.
混凝土与水泥制品,1998,(4).
51汪 洪,徐有邻,史志华.钢筋机械锚固性能的试验研究.工业建
筑,1991,(11).