鋼筋錨固長度的影響因素分析

鋼筋錨固長度的影響因素分析

經(jīng)過幾十年的不斷調(diào)整和修訂，中國的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（gb50010-2010）形成了較為完善的體系。根據(jù)近年來系統(tǒng)試驗(yàn)研究及可靠度分析的結(jié)果并參考國外標(biāo)準(zhǔn),中國的混凝土規(guī)范給出了確定鋼筋錨固長度的方法。美國ACI318-08規(guī)范是國際上比較先進(jìn)的規(guī)范,為世界上很多規(guī)范的編制和修訂所參考。本文從影響鋼筋錨固長度的因素和計(jì)算公式,對中美規(guī)范進(jìn)行了對比和分析。1比較鋼筋錨固長度的比較1.1混凝土強(qiáng)度及直徑中國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:當(dāng)計(jì)算中充分利用鋼筋的抗拉強(qiáng)度時(shí),受拉鋼筋的錨固長度應(yīng)按式(1)、式(2)計(jì)算,且不應(yīng)小于200mm:lab=αfyftd(1)la=ζalab(2)lab=αfyftd(1)la=ζalab(2)式中:lab、la分別為受拉鋼筋的基本錨固長度和錨固長度;ζa為錨固長度修正系數(shù),當(dāng)多于1項(xiàng)時(shí),可按連乘計(jì)算,但不應(yīng)小于0.6;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為錨固鋼筋的直徑;α為錨固鋼筋的外形系數(shù)。美國ACI318-08規(guī)范規(guī)定:對于變形鋼筋或鋼絲,ld應(yīng)按式(3)、式(4)計(jì)算,且不小于12in(305mm):ld=kfyf′c√db(3)k=(340)ψtψeψsλ(cb+Ktr)/db(4)ld=kfyf′cdb(3)k=(340)ψtψeψsλ(cb+Κtr)/db(4)式中:ld為變形鋼筋或變形鋼絲的錨固長度;fy為鋼筋屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(Psi,1Psi≈6.9kPa);f′c為混凝土的抗壓強(qiáng)度(Psi)?fc′??√(Ρsi)?fc′不應(yīng)超過100(Psi);db為鋼筋、鋼絲的標(biāo)稱直徑(in,1in=25.4mm);cb為最薄處混凝土保護(hù)層的影響系數(shù);Ktr為水平鋼筋系數(shù);ψt、ψe、ψs分別為鋼筋位置、涂層和尺寸系數(shù);λ為輕骨料混凝土系數(shù)。同時(shí),美國規(guī)范還給出了簡化公式:當(dāng)錨固或連接鋼筋或鋼絲的凈間距不小于db,混凝土保護(hù)層厚度不小于db,穿過ld的箍筋不小于規(guī)范最小值或者錨固或連接鋼筋或鋼絲的凈間距不小于2db,當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度不小于db時(shí):6號(19mm)及以下的鋼筋或鋼絲:ld=(fyψtψe25λf′c√)db(5)ld=(fyψtψe25λf′c)db(5)7號(22mm)及以上的鋼筋或鋼絲:ld=(fyψtψe20λf′c√)db(6)ld=(fyψtψe20λf′c)db(6)1.2影響節(jié)點(diǎn)長度的計(jì)算公式的修正系數(shù)的比較1.2.1錨固長度的確定中國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:當(dāng)帶肋鋼筋的公稱直徑大于25mm時(shí),ζa取1.1;美國ACI318-08規(guī)范規(guī)定:對于6號及以下的鋼筋和鋼絲,Ψs=0.8,對于7號及以上的,Ψs=1.0。為了比較中國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和美國ACI318-08規(guī)范的差別,使用美國規(guī)范的簡化公式,在式(1)、式(2)、式(5)和式(6)中,取ψt、ψe、λ均為1.0,混凝土采用C45(ft=1.8MPa,f′c=fck=29.6MPa),鋼筋采用HRB400(fy=360MPa,fyk=400MPa),其中1MPa=144.928Psi,1in=25.4mm,相同條件下的鋼筋直徑和混凝土強(qiáng)度對錨固長度的影響分別見圖1和圖2。由圖1、圖2分析可知:(1)中國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和美國ACI318-08規(guī)范相比,美國規(guī)范規(guī)定的錨固長度最小值比中國規(guī)范的規(guī)定值大,而相同條件下受拉鋼筋的錨固長度,總體上美國規(guī)范的計(jì)算值比中國規(guī)范的計(jì)算值大;而且隨著鋼筋直徑的增大,錨固長度的差別也越來越大。(2)中國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中,當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級高于C60時(shí),錨固長度不再減小;美國ACI318-08規(guī)范中,混凝土的fc′??√fc′超過100Psi(相當(dāng)于C80)時(shí),錨固長度不再減小。且混凝土強(qiáng)度越高,中美規(guī)范的計(jì)算結(jié)果越接近。1.2.2保護(hù)厚度大小對的鋼筋和鋼絲中國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:環(huán)氧樹脂涂層帶肋鋼筋ζa取1.25。美國ACI318-08規(guī)范規(guī)定:對于保護(hù)層厚度小于3d的具有環(huán)氧涂層的鋼筋和鋼絲,或者凈間距少于6db,取Ψe=1.5;對于其他環(huán)氧涂層的鋼筋和鋼絲Ψe=1.2,沒有環(huán)氧涂層的鋼筋和鋼絲,Ψe=1.0。且ΨtΨe≤1.7。1.2.3計(jì)算面積與實(shí)際配筋面積的比值中國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:當(dāng)縱向受力鋼筋的實(shí)際配筋面積大于其設(shè)計(jì)計(jì)算面積時(shí),修正系數(shù)取設(shè)計(jì)計(jì)算面積與實(shí)際配筋面積的比值,但對有抗震設(shè)防要求及直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,不應(yīng)考慮此項(xiàng)修正;美國ACI318-08規(guī)范規(guī)定:除了錨固或發(fā)揮屈服強(qiáng)度fy的特別需要,或按規(guī)范21.1.1.6條規(guī)定外,當(dāng)受彎構(gòu)件中鋼筋超過計(jì)算需要時(shí),錨固長度的修正系數(shù)取設(shè)計(jì)計(jì)算面積與實(shí)際配筋面積的比值。1.2.4擾動鋼筋錨固區(qū)支護(hù)中國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:施工過程中易受擾動的鋼筋,ζa取1.10;錨固區(qū)保護(hù)層厚度為3d時(shí)修正系數(shù)可取0.80,保護(hù)層厚度為5d時(shí)修正系數(shù)可取0.70。美國規(guī)范中沒有類似的規(guī)定。1.2.5按厚度確定混凝土厚度美國ACI318-08規(guī)范規(guī)定:當(dāng)水平鋼筋使得錨固長度下新澆混凝土厚度大于12in時(shí)取Ψe=1.3,其他情況下取Ψe=1.0;當(dāng)應(yīng)用輕質(zhì)混凝土?xí)r,λ不能超過0.75,當(dāng)為普通混凝土?xí)r,λ=1.0。中國規(guī)范中沒有類似的規(guī)定。2中美兩國規(guī)范的錨固長度對比中國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:混凝土結(jié)構(gòu)中的縱向受壓鋼筋,當(dāng)計(jì)算中充分利用鋼筋的抗壓強(qiáng)度時(shí),錨固長度不應(yīng)小于相應(yīng)受拉錨固長度的70%;受壓鋼筋不應(yīng)采用末端彎鉤和一側(cè)貼焊錨筋的錨固措施。美國ACI318-08規(guī)范規(guī)定:受壓變形鋼筋和鋼絲的基本錨固長度ldc,可按式(7)、式(8)計(jì)算,且彎鉤不能用來錨固受壓鋼筋。ldc=(0.02fy/λf′c???√)db(7)ldc=(0.0003fy)db(8)ldc=(0.02fy/λf′c)db(7)ldc=(0.0003fy)db(8)計(jì)算結(jié)果取式(7)、式(8)的較大值(其中常量0.0003的單位是in2/lb),且ldc不應(yīng)小于8in(≈200mm)。與圖(1)采用相同的假設(shè)和條件,混凝土采用C45,鋼筋采用HRB400。美國規(guī)范式(7)、式(8)與式(5)、式(6)相比較,6號(19mm)及以下的鋼筋或鋼絲時(shí),受壓時(shí)基本錨固長度ldc是受拉時(shí)ld的0.5倍,7號(22mm)及以上的鋼筋時(shí)或鋼絲時(shí),錨固長度ldc是ld的0.4倍。相同條件下鋼筋直徑對受壓鋼筋的錨固長度的影響見圖3。由圖3可以看出:(1)中國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的計(jì)算公式是直接用受拉鋼筋的計(jì)算公式乘以相應(yīng)的系數(shù),曲線斜率的突變是鋼筋直徑修正系數(shù)ζa的影響;而美國ACI318-08規(guī)范的計(jì)算公式?jīng)]有考慮鋼筋直徑修正系數(shù)Ψe的影響。(2)美國ACI318-08規(guī)范規(guī)定的最小值比中國規(guī)范的大,而相同條件下受壓鋼筋的錨固長度,總體上中國規(guī)范的計(jì)算值比美國規(guī)范的計(jì)算值大;而且隨著鋼筋直徑的增大,錨固長度的差別也越來越大。3錨固長度的確定中國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:包括彎鉤或錨固端頭在內(nèi)的錨固長度(投影長度)可取為基本錨固長度lab的60%。美國ACI318-08規(guī)范規(guī)定:帶有標(biāo)準(zhǔn)彎鉤的受拉變形鋼筋的錨固長度ldh,應(yīng)按式(9)計(jì)算基本錨固長度ldh,但ldh不應(yīng)小于8db,也不應(yīng)小于6in(≈150mm)。ldh=(0.02ψefy/λf′c???√)db(9)ldh=(0.02ψefy/λf′c)db(9)式中:具有環(huán)氧涂層時(shí),ψe取1.2;使用輕質(zhì)混凝土?xí)r,λ取0.75;其他情況下ψe和λ都取1.0。美國規(guī)范之式(9)與式(5)、式(6)相比較,取ψe=1.0,末端采用彎鉤時(shí)的錨固長度ldc與受壓時(shí)的ldc相同。與圖(1)采用相同的假設(shè)和條件,混凝土采用C45,鋼筋采用HRB400,相同條件下末端采用彎鉤時(shí),鋼筋直徑對錨固長度的影響見圖4。中美規(guī)范鋼筋彎鉤的形式和技術(shù)要求見表1。從表1中可以看出:中國規(guī)范采用的是彎鉤內(nèi)直徑,且內(nèi)直徑是定值;美國規(guī)范采用彎鉤外半徑,且隨著鋼筋直徑的變化,彎鉤外半徑也發(fā)生改變。同時(shí),端部90°彎鉤時(shí),美國規(guī)范規(guī)定的彎鉤外半徑比中國規(guī)范的規(guī)定值大,彎后直段長度相等。由圖4可以看出:美國ACI318-08規(guī)范規(guī)定的最小值比中國規(guī)范的大,中國規(guī)范的計(jì)算值與美國的計(jì)算值差別比較小。4鋼筋錨固長度的計(jì)算(1)中國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》考慮了施工擾動和錨固區(qū)保護(hù)層厚度的影響,