鋼筋錨固長(zhǎng)度的中國(guó)與美國(guó)規(guī)范對(duì)比分析

史 杰

(四川東嘉建筑工程有限公司，四川成都610037)

中國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010－2010)[1］經(jīng)過(guò)幾十年不斷的調(diào)整和修訂已經(jīng)形成比較完善的體系。根據(jù)近年來(lái)系統(tǒng)試驗(yàn)研究及可靠度分析的結(jié)果并參考國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)的混凝土規(guī)范給出了確定鋼筋錨固長(zhǎng)度的方法。美國(guó)ACI318－08規(guī)范[2］是國(guó)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(zhǎng)度的因素和計(jì)算公式，對(duì)中美規(guī)范進(jìn)行了對(duì)比和分析。

1 受拉鋼筋錨固長(zhǎng)度的對(duì)比分析

1.1 中美兩國(guó)規(guī)范計(jì)算公式的不同

中國(guó)《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(zhǎng)度應(yīng)按式(1)、式(2)計(jì)算，且不應(yīng)小于200mm:

式中:lab、la分別為受拉鋼筋的基本錨固長(zhǎng)度和錨固長(zhǎng)度;ζa為錨固長(zhǎng)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(jí)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(guó)ACI318－08規(guī)范規(guī)定:對(duì)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):

式中:ld為變形鋼筋或變形鋼絲的錨固長(zhǎng)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) ，不應(yīng)超過(guò)100(Psi);db為鋼筋、鋼絲的標(biāo)稱(chēng)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(guó)規(guī)范還給出了簡(jiǎn)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(guò)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(hào)(19mm)及以下的鋼筋或鋼絲:

7號(hào)(22mm)及以上的鋼筋或鋼絲:

1.2 影響錨固長(zhǎng)度的計(jì)算公式修正系數(shù)的比較

1.2.1 鋼筋直徑對(duì)錨固長(zhǎng)度修正系數(shù)的影響

中國(guó)《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(chēng)直徑[4］大于25mm時(shí)，ζa取1.1;美國(guó)ACI318－08 規(guī)范規(guī)定:對(duì)于6號(hào)及以下的鋼筋和鋼絲，Ψs=0.8，對(duì)于7號(hào)及以上的，Ψs=1.0。

為了比較中國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和美國(guó)ACI318－08規(guī)范的差別，使用美國(guó)規(guī)范的簡(jiǎn)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(duì)錨固長(zhǎng)度的影響分別見(jiàn)圖1和圖2。

由圖1、圖2分析可知:

(1)中國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和美國(guó)ACI318－08規(guī)范相比，美國(guó)規(guī)范規(guī)定的錨固長(zhǎng)度最小值比中國(guó)規(guī)范的規(guī)定值大，而相同條件下受拉鋼筋的錨固長(zhǎng)度，總體上美國(guó)規(guī)范的計(jì)算值比中國(guó)規(guī)范的計(jì)算值大;而且隨著鋼筋直徑的增大，錨固長(zhǎng)度的差別也越來(lái)越大。

(2)中國(guó)《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(jí)高于C60時(shí)，錨固長(zhǎng)度不再減小;美國(guó)ACI318－08規(guī)范中，混凝土的超過(guò)100Psi(相當(dāng)于C80)時(shí)，錨固長(zhǎng)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。

圖1 受拉鋼筋的錨固長(zhǎng)度隨鋼筋直徑的變化

圖2 受拉鋼筋錨固長(zhǎng)度隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)的變化

1.2.2 環(huán)氧涂層對(duì)錨固長(zhǎng)度修正系數(shù)的影響

中國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:環(huán)氧樹(shù)脂涂層帶肋鋼筋ζa取1.25。美國(guó)ACI318－08規(guī)范規(guī)定:對(duì)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(duì)于其他環(huán)氧涂層的鋼筋和鋼絲Ψe=1.2，沒(méi)有環(huán)氧涂層的鋼筋和鋼絲，Ψe=1.0。且ΨtΨe≤1.7。

1.2.3 實(shí)際配筋對(duì)錨固長(zhǎng)度修正系數(shù)的影響

中國(guó)《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(duì)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，不應(yīng)考慮此項(xiàng)修正;美國(guó)ACI318－08規(guī)范規(guī)定:除了錨固或發(fā)揮屈服強(qiáng)度f(wàn)y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(guò)計(jì)算需要時(shí)，錨固長(zhǎng)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 中國(guó)規(guī)范獨(dú)有規(guī)定

中國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:施工過(guò)程中易受擾動(dòng)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(guó)規(guī)范中沒(méi)有類(lèi)似的規(guī)定。

1.2.5 美國(guó)規(guī)范獨(dú)有規(guī)定

美國(guó)ACI318－08規(guī)范規(guī)定:當(dāng)水平鋼筋使得錨固長(zhǎng)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[5］，λ 不能超過(guò)0.75，當(dāng)為普通混凝土?xí)r，λ=1.0。中國(guó)規(guī)范中沒(méi)有類(lèi)似的規(guī)定。

2 受壓鋼筋錨固長(zhǎng)度的對(duì)比分析

中國(guó)《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(zhǎng)度不應(yīng)小于相應(yīng)受拉錨固長(zhǎng)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(guó)ACI318－08規(guī)范規(guī)定:受壓變形鋼筋和鋼絲的基本錨固長(zhǎng)度ldc，可按式(7)、式(8)計(jì)算，且彎鉤不能用來(lái)錨固受壓鋼筋。

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(guó)規(guī)范式(7)、式(8)與式(5)、式(6)相比較，6號(hào)(19mm)及以下的鋼筋或鋼絲時(shí)，受壓時(shí)基本錨固長(zhǎng)度ldc是受拉時(shí)ld的0.5倍，7號(hào)(22mm)及以上的鋼筋時(shí)或鋼絲時(shí)，錨固長(zhǎng)度ldc是ld的0.4倍。相同條件下鋼筋直徑對(duì)受壓鋼筋的錨固長(zhǎng)度的影響見(jiàn)圖3。

圖3 受壓鋼筋的錨固長(zhǎng)度隨鋼筋直徑的變化

圖4 受拉鋼筋端部采取彎鉤措施時(shí)錨固長(zhǎng)度隨鋼筋直徑的變化

由圖3可以看出:

(1)中國(guó)《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(xiàn)斜率的突變是鋼筋直徑修正系數(shù)ζa的影響;而美國(guó)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(guó)ACI318－08規(guī)范規(guī)定的最小值比中國(guó)規(guī)范的大，而相同條件下受壓鋼筋的錨固長(zhǎng)度，總體上中國(guó)規(guī)范的計(jì)算值比美國(guó)規(guī)范的計(jì)算值大;而且隨著鋼筋直徑的增大，錨固長(zhǎng)度的差別也越來(lái)越大。

3 受拉普通鋼筋末端采用彎鉤錨固措施時(shí)錨固長(zhǎng)度的對(duì)比分析

中國(guó)《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(zhǎng)度(投影長(zhǎng)度)可取為基本錨固長(zhǎng)度 lab的60%。

美國(guó)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(zhǎng)度ldh，應(yīng)按式(9)計(jì)算基本錨固長(zhǎng)度ldh，但ldh不應(yīng)小于8db，也不應(yīng)小于6in(≈150mm)。

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(guó)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(zhǎng)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(duì)錨固長(zhǎng)度的影響見(jiàn)圖4。中美規(guī)范鋼筋彎鉤的形式和技術(shù)要求見(jiàn)表1。

表1 鋼筋彎鉤的形式和技術(shù)要求

從表1中可以看出:中國(guó)規(guī)范采用的是彎鉤內(nèi)直徑，且內(nèi)直徑是定值;美國(guó)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(guó)規(guī)范規(guī)定的彎鉤外半徑比中國(guó)規(guī)范的規(guī)定值大，彎后直段長(zhǎng)度相等。

由圖4可以看出:美國(guó)ACI318－08規(guī)范規(guī)定的最小值比中國(guó)規(guī)范的大，中國(guó)規(guī)范的計(jì)算值與美國(guó)的計(jì)算值差別比較小。

4 結(jié)束語(yǔ)與建議

(1)中國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》考慮了施工擾動(dòng)和錨固區(qū)保護(hù)層厚度的影響，美國(guó)規(guī)范中沒(méi)有類(lèi)似的規(guī)定。

(2)美國(guó)ACI318－08規(guī)范考慮了水平鋼筋設(shè)置的位置和輕質(zhì)混凝土因素的影響，中國(guó)規(guī)范沒(méi)有類(lèi)似的規(guī)定。鑒于目前輕質(zhì)混凝土的大量使用，建議中國(guó)規(guī)范考慮輕質(zhì)混凝土因素的影響。

(3)受拉鋼筋的錨固長(zhǎng)度，美國(guó)規(guī)范的計(jì)算值大于中國(guó)規(guī)范的計(jì)算值;受壓鋼筋的錨固長(zhǎng)度，中國(guó)規(guī)范的計(jì)算值大于美國(guó)規(guī)范的計(jì)算值;而端部采取彎鉤錨固時(shí)，中美規(guī)范的計(jì)算結(jié)果差別比較小。

[1]GB50010－2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S］

[2]Building Code Requirements for Structural Concrete(ACI318－08)and Commentary[S］．2008

[3]徐有鄰，沈文都，汪洪．鋼筋混凝土粘結(jié)錨固性能的試驗(yàn)研究[J］．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1994，15(3):26－38

[4]趙峰，張國(guó)學(xué)．考慮相對(duì)肋面積影響的鋼筋錨固長(zhǎng)度計(jì)算分析[J］．鐵道建筑，2009(5):20－22

[5]麻建鎖，衛(wèi)紀(jì)德．鋼筋輕骨料混凝土的錨固可靠度分析[J］．工程力學(xué)，1997(增刊):345－348

[6]J·A·Osunade．The influence of coarse aggregate and reinforcement on the anchorage bond strength of laterized concrete[J］．Building and Enbironment，2002，37:727－732

[7]王藝霖．鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的若干問(wèn)題研究[M］．武漢:華中科技大學(xué)出版社，2005:58－64

[8]趙羽習(xí)，金偉良．鋼筋與混凝土粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系的試驗(yàn)研究[J］．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2002，23(1):32－37