中美混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋基本錨固比較分析

程 英，彭春波

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650000)

0 引 言

鋼筋混凝土是混凝土和鋼筋2種性能不同的材料通過材料間的粘結(jié)共同發(fā)揮作用的1種建筑材料。因此，在一定的區(qū)域，特別是鋼筋混凝土構(gòu)件發(fā)生較大變形的地方，要求鋼筋與混凝土之間有可靠的粘結(jié)。這樣，在不發(fā)生規(guī)范限定內(nèi)的滑移距離和被拉出的情況下，鋼筋的屈服強(qiáng)度得到充分發(fā)揮。

鋼筋的錨固要求是結(jié)構(gòu)承受荷載后，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)力傳遞，保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件正常工作的基本要求。對比各國規(guī)范，對鋼筋錨固構(gòu)造所做的規(guī)定不同，按不同規(guī)范的計(jì)算式得出的錨固長度結(jié)果差別較大，為了解這些差別，筆者選取中國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)(后文簡稱GB50010)，美國混凝土規(guī)范ACI318—11(《Building Code Requirements for Structural Concrete》(后文簡稱ACI318)，對鋼筋的基本錨固構(gòu)造要求進(jìn)行比較分析。

1 受拉鋼筋的錨固長度

根據(jù)國內(nèi)外研究結(jié)果，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)錨固作用由3部分組成：①混凝土與鋼筋凸凹表面與相互咬合產(chǎn)生的擠壓力，稱為機(jī)械咬合力；②混凝土收縮握裹鋼筋產(chǎn)生的接觸面之間的摩檫力；③混凝土中水泥膠體與鋼筋表面的化學(xué)吸附作用，稱為膠結(jié)力。

多數(shù)研究認(rèn)為，機(jī)械咬合力提供主要的粘結(jié)錨固作用。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果還認(rèn)為，粘結(jié)錨固作用主要與鋼筋強(qiáng)度等級及外形、混凝土強(qiáng)度及種類、鋼筋的保護(hù)層厚度及鋼筋間距、橫向鋼筋等因素有關(guān)。為實(shí)現(xiàn)鋼筋強(qiáng)度有效發(fā)揮，除考慮各種影響因素作用外，還須保證鋼筋在混凝土中的有效錨固，即一定的鋼筋錨固長度。

鋼筋錨固長度一般指混凝土構(gòu)件的受力筋深入支座的總長度，包括直線和彎鉤(或機(jī)械錨件)部分。一定的鋼筋錨固長度是實(shí)現(xiàn)鋼筋和混凝土協(xié)調(diào)受力的基本條件。

1.1 ACI318規(guī)定

ACI318規(guī)定：在混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件每一截面處，鋼筋在截面兩側(cè)均應(yīng)有一定埋入長度、彎鉤或機(jī)械錨固或它們的共同措施，以使該截面上鋼筋所受內(nèi)力得以發(fā)揮。

對于受拉變形鋼筋和鋼絲，基本錨固長度ld可按基本方法(1)式或簡化方法表1計(jì)算，并不小于300 mm；

(1)

為避免鋼筋的拔出破壞，式中(cb+Ktr)/db)不大于2.5，且Ktr=(Atrfyt/10sn，其中：cb是鋼筋中心間距的一半或鋼筋中心到最近混凝土表面的距離，取兩者中較小值；s是錨固長度范圍內(nèi)橫向鋼筋的最大中心間距；Atr是間距s內(nèi)與穿過錨固鋼筋潛在劈裂面相交的橫向鋼筋的總截面面積；fyt是規(guī)定的橫向鋼筋屈服強(qiáng)度；n是沿著破裂面錨固的連接鋼筋或鋼絲的數(shù)量；當(dāng)橫向鋼筋存在時(shí)，可取Ktr=0簡化計(jì)算。

表1 受拉變形鋼筋或鋼絲ld計(jì)算公式

在拉力作用下，(1)式和表(1)中的計(jì)算式系數(shù)及各種影響因素作用的長度調(diào)整系數(shù)按下列規(guī)定取值：

1)ψt為鋼筋定位系數(shù)，當(dāng)橫向鋼筋布置的位置使得延伸長度下新澆筑的混凝土厚度大于300 mm時(shí)取1.3，其他情況下取1.0；

2)ψe為涂層系數(shù)，對于保護(hù)層厚度小于3db或凈距小于6db的環(huán)氧涂層的鋼筋或鋼絲取1.5，所有其它件下的環(huán)氧涂層鋼筋或鋼絲取1.2，無涂層鋼筋取1.0，但乘積ψeψt的值不大于1.7；

3)ψs為鋼筋品種系數(shù)，19號及小于19號的變形鋼筋和鋼絲取0.8；22號及大于22號的鋼筋取1.0；

5)當(dāng)受彎構(gòu)件中實(shí)配鋼筋超過計(jì)算需要時(shí)，錨固長度可減小，修正系數(shù)為(計(jì)算AS/實(shí)配AS)；

6)在拉力作用下的鋼筋束按面積相等換算成單根鋼筋的直徑，其錨固長度比換算后單根鋼筋的錨固長度增加相應(yīng)比例：3根一束的比單根的增加20 %，四根一束的增加33 %。

1.2 GB50010規(guī)定

GB50010規(guī)定，當(dāng)計(jì)算中充分利用鋼筋的抗拉強(qiáng)度時(shí)，受拉鋼筋的基本錨固長度按(2)式計(jì)算：

(2)

式中：ld為受拉鋼筋的錨固長度，fy為普通鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級高于C60時(shí)，按C60取值；d為鋼筋的公稱直徑；α為鋼筋的外形系數(shù)，按表2取用。

表2 錨固鋼筋的外形系數(shù)α

當(dāng)滿足以下條件時(shí)，計(jì)算的基本錨固長度應(yīng)乘以相應(yīng)修正系數(shù)ξa：

1)當(dāng)帶肋鋼筋的公稱直徑>25 mm時(shí)，取1.1；

2)環(huán)氧樹脂涂層帶肋鋼筋，取1.25；

3)施工過程中易受擾動(dòng)的鋼筋，取1.1；

4)當(dāng)縱向受力鋼筋的實(shí)配面積大于其設(shè)計(jì)面積時(shí)，修正系數(shù)取計(jì)算AS/實(shí)配AS，但對有抗震設(shè)防要求及直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不考慮此項(xiàng)修正；

5)錨固鋼筋的保護(hù)層厚度為3d時(shí)取0.8，保護(hù)層厚度不小于5d時(shí)可取0.7，中間按內(nèi)插取值。

以上修正系數(shù)可同時(shí)考慮多項(xiàng)修正連乘計(jì)算，但修正后的錨固長度不應(yīng)小于公式(2)計(jì)算值的0.6倍，且不小于200 mm。

ACI318和GB50010受拉筋最小基本錨固長度見圖1。

圖1 受拉鋼筋最小基本錨固長度

2 彎鉤及機(jī)械錨固的要求

2.1 ACI318規(guī)定

ACI318規(guī)定機(jī)械錨固可由設(shè)計(jì)者自行設(shè)計(jì)并提供實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

ACI318對標(biāo)準(zhǔn)彎鉤及最小彎鉤直徑的規(guī)定見表3，4：

基本錨固長度ldh應(yīng)對下列各情況乘以相應(yīng)修正系數(shù)：但ldh不應(yīng)小于8db，也不應(yīng)小于150 mm：

1)環(huán)氧涂層鋼筋，ψe=1.2；輕骨料混凝土λ=1.3；其他情況下ψe和λ取1.0；

2)側(cè)邊混凝土保護(hù)層厚度(垂直于彎鉤平面)不小于63.5 mm的36號(35.8 mm)及以下鋼筋，及90度彎鉤延伸方向的保護(hù)層不小于50 mm的鋼筋取0.7；

3)對于36號及更小號的垂直于延伸方向受間距不大于3db箍筋約束的90度彎鉤鋼筋，或包圍在平行于延伸方向、沿彎鉤方向、受彎鉤和彎曲范圍內(nèi)間距不大于3db箍筋約束的鋼筋取0.8；

4)對于36號及更小號具有180度彎鉤，受垂直于延伸方向、間距不大于3db箍筋約束的鋼筋取0.8；

5)實(shí)配面積超過計(jì)算要求值時(shí)，系數(shù)取計(jì)算AS/實(shí)配AS。

在構(gòu)件的簡支端，對于用標(biāo)準(zhǔn)彎鉤錨固的鋼筋，當(dāng)彎鉤處的混凝土保護(hù)層厚度小于65 mm時(shí)，沿錨固長度ldh范圍內(nèi)，應(yīng)布置間距不大于3db的箍筋。此種情況不考慮2)款修正系數(shù)。

表3 ACI318標(biāo)準(zhǔn)彎鉤的技術(shù)新要求

表4 ACI318彎鉤最小彎曲直徑

2.2 GB50010規(guī)定

當(dāng)縱向受拉普通鋼筋末端采用彎鉤或機(jī)械錨固措施時(shí)，包括彎鉤或錨固端頭在內(nèi)的錨固長度(投影長度)可取為0.6lab。彎鉤和機(jī)械錨固的形式和技術(shù)要求應(yīng)符合表5的規(guī)定。

ACI318和GB50010彎鉤和機(jī)械錨固基本錨固長度見圖2。

表5 鋼筋彎鉤和機(jī)械錨固的形式和技術(shù)要求

圖2 彎鉤和機(jī)械錨固基本錨固長度

3 受壓變形鋼筋錨固

3.1 ACI318規(guī)定

對下列情況，基本錨固長度lde乘以相應(yīng)修正系數(shù)：

1)實(shí)配面積超過計(jì)算要求值時(shí)，取系數(shù)為計(jì)算AS/實(shí)配AS；

2)基本錨固長度范圍內(nèi)布置有直徑不小于6 mm、間距不大于100 mm的螺旋筋和箍筋時(shí)，取系數(shù)0.75.

彎鉤錨固措施不用于受壓鋼筋。

3.2 GB50010規(guī)定

混凝土結(jié)構(gòu)中的縱向受壓鋼筋，當(dāng)計(jì)算中充分利用其抗壓強(qiáng)度時(shí)，錨固長度不應(yīng)小于相應(yīng)受拉錨固長度計(jì)算值la的0.7倍。

受壓鋼筋不應(yīng)采用彎鉤和一側(cè)貼焊錨筋的錨固措施。

ACI318和GB50010受壓鋼筋基本錨固長度見圖3。

圖3 受壓鋼筋基本錨固長度

4 結(jié)論及建議

1)由圖1，在鋼筋等級和混凝土標(biāo)號相同的情況下，由兩國規(guī)范給出的受拉鋼筋基本錨固長度相差較大。對HPB300鋼筋，ACI318要求的基本錨固長度平均約為GB50010的1.15倍，對HPB400(HRB400)鋼筋，ACI318要求的基本錨固長度對19號及以下鋼筋約為GB50010長度的1.28倍，對22號及以上鋼筋，ACI318約為GB50010的1.5倍，由于ACI318規(guī)定22及以上為大直徑鋼筋，GB50010規(guī)定28及以上為大直徑鋼筋，因此在相同混凝土等級下，22及25號兩種鋼筋要求的基本錨固長度相差更大，ACI318約為GB50010的1.6倍。對最小錨固長度，ACI318為300 mm，GB50010為200 mm。由此可知，對于受拉筋的基本錨固長度，ACI318的要求大于GB50010，鋼筋等級越高，兩國規(guī)范的差別越大。對基本錨固長度的調(diào)整，除了相同的要求外，ACI318更區(qū)別考慮了混凝土和鋼筋在不同使用情況下的鋼筋錨固長度要求，規(guī)定了輕質(zhì)混凝土和受力筋為鋼筋束時(shí)的調(diào)整要求。

2)對于受拉筋的彎鉤和機(jī)械錨固，ACI318沒有給出具體的機(jī)械錨固方式，規(guī)范給設(shè)計(jì)人員提供較大的設(shè)計(jì)自由度，只要能提高鋼筋強(qiáng)度且沒有破壞混凝土，任何機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)方式都可用來錨固，但需給質(zhì)檢人員提供機(jī)械錨固裝置試驗(yàn)報(bào)告。對彎鉤和機(jī)械錨固的基本長度，由圖2可知，對HPB300鋼筋，兩國規(guī)范的要求差別在5 %以內(nèi)，對HRB400鋼筋，ACI318要求的長度平均是GB50010的1.1倍。對彎鉤錨固的基本長度兩國規(guī)范差別不大。由表3、表4、表5對比，ACI318對彎鉤規(guī)定較詳細(xì)，對不同的受力筋類型和鋼筋直徑，其要求的彎鉤直段長度及彎鉤的最小內(nèi)徑有不同的規(guī)定。GB50010規(guī)定90°和135°彎鉤內(nèi)徑為4 d，配套的國標(biāo)圖集16G101—1對彎鉤內(nèi)徑規(guī)定的表述是不小于4 d，中國《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTC3362—2018)對彎鉤內(nèi)徑的規(guī)定表述也是不小于。建議GB50010對彎鉤內(nèi)徑的規(guī)定采用不小于限值的表述，以與相關(guān)圖集及規(guī)范相統(tǒng)一，同時(shí)對不同直徑鋼筋的內(nèi)徑采用不同的限值要求，以合理實(shí)現(xiàn)施工。

3)對于受壓鋼筋的錨固，由圖3可知，GB50010要求的受壓鋼筋錨固長度大于ACI318，對HPB300鋼筋，GB50010要求的長度是ACI318的1.23倍左右，對HPB400(HRB400)鋼筋，25號及以下鋼筋，GB50010要求的長度與ACI318的相差不大，平均在1.05倍左右，但對大于25號的帶肋鋼筋，GB50010要求的基本受拉錨固長度要考慮1.1的調(diào)整系數(shù)，因此，受壓錨固長度平均是ACI318的1.2倍。

4)中國于1999年發(fā)布《輕骨料混凝土設(shè)計(jì)規(guī)程》(J12—99)，而GB50010并沒給出針對輕骨料混凝的鋼筋錨固要求，建議規(guī)范考慮輕骨料混凝土的應(yīng)用情況，以與相關(guān)規(guī)范配合。中國《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTC3362—2018)中規(guī)定有當(dāng)受力筋為鋼筋束時(shí)的各種構(gòu)造做法，建議GB50010增加鋼筋束做法，以解決設(shè)計(jì)在鋼筋密集區(qū)域布置，及施工時(shí)鋼筋定位，間距太小而不便澆筑等問題。