钢筋混凝土粘结滑移研究现状★

李国一 李 敏* 牛海英 张壮壮

(大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116000)

钢筋混凝土粘结滑移研究现状★

李国一 李 敏* 牛海英 张壮壮

(大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116000)

钢筋混凝土之间的粘结性能是两种材料组合在一起共同工作的基础,总结了国内外大量有关钢筋混凝土粘结滑移性能研究的文献，介绍了钢筋与混凝土粘结滑移性能研究中影响因素和滑移本构等问题，同时对粘结滑移性能的研究成果进行了分析。

钢筋混凝土,本构关系,粘结性能,粘结单元

0 引言

钢筋与混凝土是性质不同的两种材料，但两者能组合在一起工作，除了线膨胀系数相同以外，共同工作的基础是钢筋与混凝土之间的粘结性能。化学胶着力、摩擦力和机械咬合力是粘结应力的三大组成部分。有关粘结滑移性能的试验探究很多，但是由于不同学者采用的试验仪器、试验方法、试件制备以及试验人员等因素的不同，导致试验结果存在不一致，甚至会出现相反的结论。本文主要从影响因素和本构关系等方面对钢筋混凝土粘结滑移性能进行了探讨。

1 粘结滑移的主要影响因素

1.1 混凝土强度及组成[1]

钢筋与混凝土之间的机械咬合力和化学胶着力会随着混凝土强度的提高而增大，即粘结强度增大。有些试验还表明，粘结强度还会受到混凝土中水灰比、水泥用量等因素的影响。

1.2 钢筋位置、受力方向和混凝土浇筑方向[2]

对于平位浇筑，钢筋下方混凝土有下沉和泌水现象，与钢筋接触不紧密，故粘结强度降低。对变形钢筋，当混凝土硬结方向与钢筋受力方向相同，则相对滑动增大，粘结应力降低。

1.3 钢筋周围约束条件

混凝土保护层厚度、纵筋间距、横向配筋以及配筋率等都属于钢筋周围约束条件。钢筋周围约束条件直接影响钢筋混凝土之间的粘结强度，例如保护层厚度主要是通过相对保护层c/d来起作用的，随着c/d的增大，可以提高混凝土抗劈裂的能力，从而提高粘结强度；研究表明，配筋率较小的构件，粘结作用可忽略，配筋率较大的构件，应考虑粘结作用对构件受力性能的影响。

1.4 应变率的影响

1962年美国学者Robert J Hansen[3]对钢筋混凝土粘结性能进行了动载下拉拔试验研究。实验得到了混凝土和变形钢筋之间粘结强度随应变率提高而增大的结论，因为没有定量的分析，在实际分析和应用中难以实现。

2001年洪小健[4]试验研究了加载率对钢筋混凝土粘结强度的影响。试验结果显示，粘结强度随应变率的提高而增大，洪小健给出了两点原因：1)应变滞后效应；2)混凝土材料的动力特性。

河海大学郑晓燕等[5,6]试验研究了应变率、钢筋锚固程度及锈蚀程度对粘结滑移性能的影响，得到粘结力随应变速率提高而增大的结论。

2016年李敏等[7]基于ABAQUS非线性有限元软件，采用非线性弹簧单元Spring2，对比分析了应变速率对钢筋混凝土粘结滑移性能的影响。通过数值计算结论如下：随应变率提高最大粘结力增大，钢筋末端滑移量增大。

2 粘结滑移本构关系

钢筋混凝土之间的粘结滑移本构关系是钢筋混凝土非线性数值分析的核心问题，因此国内外很多学者采用多种试验方法和量测手段进行了大量的试验研究，得到了很多的成果，但由于影响钢筋混凝土粘结作用的因素诸多，同时由于试验手段、仪器和试件等存在不同，试验结果差异也较大。目前钢筋混凝土粘结滑移本构关系常用的主要有以下几种：

1)Nilson[8]加入了混凝土、钢筋以及钢筋与混凝土粘结滑移等非线性本构关系对钢筋混凝土梁试件进行数值分析，还对裂缝进行了模拟。

Nilson拟合公式如下：

τ=9.8×102s-5.74×104s2+0.836×106s3。

其中，τ为粘结应力，MPa;s为滑移量，mm。

2)Houde和Mirza[9]考虑粘结应力与混凝土强度的关系，根据试验结果拟合得到公式：

其中，τ为粘结应力,MPa；s为滑移量,mm。

3)东南大学狄生林[10]根据梁式试件剪跨内测点的试验数据拟合公式为：

τ=6.59×102s-2.13×104s2+0.22×106s3。

其中，τ为粘结应力,MPa；s为滑移量,mm。

4)徐有邻[11]考虑了保护层厚度、混凝土强度、钢筋直径、配筋率以及锚固长度等诸多因素对粘结性能的影响，采用五段式来描述粘结滑移曲线，同时考虑用一个位置函数表示不同锚固深度处的变化，建立相应的粘结滑移曲线：

。

其中，φ(x)是用来描述不同锚固深度处的粘结滑移关系；φ(s)为粘结滑移表达式；la为粘结锚固长度。

5)GB 50010—2010混凝土结构设计规范给出了混凝土与热轧带肋钢筋之间的粘结滑移本构关系曲线：

线性段:τ=k1s,0≤s≤scr；

劈裂段:τ=τcr+k2(s-scr),scr

下降段:τ=τa+k3(s-su),sa

残余段:τ=ft,r,s>sr；

卸载段:τ=τan+k1(s-sun)。

其中，τ为粘结应力，MPa；s为滑移，mm；k1为线性段斜率，k1=τcr/scr；k2为劈裂段斜率，k2=(lu-τcr)/(su-scr)；k3为下降段斜率，k3=(τr-τu)/(sr-su)；τan为卸载点的粘结应力，MPa；sun为卸载点的相对滑移，mm。

比较上述粘结滑移经验公式，1)～3)中的公式形式非常简洁，应用也比较方便，缺点是不能反映诸多粘结滑移的影响因素，只能适应于特定结构在特定锚固下的情形。4),5)中的公式形式复杂，适用比较困难，但全面反映了各种因素对于粘结滑移性能的影响。

总之，粘结滑移性能受到诸多因素的影响，很难得到统一实用而又表达简洁的公式。因此，在进行有限元数值模拟时，应尽量选择符合模拟情况的本构关系，对于一些特殊的粘结问题，还应进行单独的试验研究，作为数值模拟的参考标准。

3 结语

1)关于钢筋混凝土粘结滑移性能的试验有很多，大多为静态或准静态条件下的试验研究，对于一些有抗震要求的结构还需要进行动态条件下的研究。但粘结滑移的影响因素众多，想要得到一个简单通用的公式十分困难，因此，对于一些特殊的粘结滑移问题需要进行单独的试验研究。

2)随着计算机技术的进步与发展，应用数值模拟的方法进行钢筋混凝土粘结滑移性能研究变得越来越重要。采用有限元数值模拟，主要存在两方面的问题，一是粘结滑移本构的选取。由于影响粘结滑移性能的因素比较多，至今未见通用的粘结滑移表达式，但对于特殊问题可以进行试验，拟合相关的本构关系式。二是粘结单元的选取，目前通用的几种粘结单元基本可以满足数值模拟要求。

[1] 陈玺文.钢筋混凝土粘结性能有限元分析[D].天津：天津大学，2010.

[2] 赵 明，苏三庆.钢筋混凝土粘结滑移相关问题[J].施工技术，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.不同加载速度下的锈蚀钢筋与混凝土粘结滑移试验研究[D].上海：同济大学，2001.

[5] 郑晓燕,吴胜兴,刘龙强.动荷载作用下钢筋与混凝土粘结锚固试验研究[J].混凝土与水泥制品,2002(6):27-30.

[6] 郑晓燕，吴兴盛.动荷载下锈蚀钢筋混凝土粘结滑移特性的试验研究[J].土木工程学报，2006,39(6)：42-46,65.

[7] 李 敏,蔡 杰,陈凤山.钢筋混凝土动态粘结性能数值模拟[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.钢筋混凝土梁的非线性有限元分析[J].南京工学院学报,1984(2):87-96.

[11] 徐有邻.变形钢筋粘结锚固性能的试验研究[D].北京：清华大学，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★:本文系国家自然科学基金(51308085)资助

李国一(1992- ),男，在读硕士； 牛海英(1979- )，女，副教授

李 敏(1981- ),女，博士，讲师