裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中大直徑鋼筋錨固長度應(yīng)用研究*

郭 敬，陳文強(qiáng)，叢 峻,，鄭山鎖，張 磊

(1.中建工程產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，北京 101300； 2.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055)

0 引言

我國裝配式混凝土結(jié)構(gòu)基于GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015年版)，采用“等同現(xiàn)澆”的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，梁柱縱向鋼筋后澆節(jié)點(diǎn)區(qū)內(nèi)錨固長度執(zhí)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)梁柱構(gòu)件預(yù)制、節(jié)點(diǎn)處施工現(xiàn)場現(xiàn)澆受制于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016年版)、JGJ 1—2014 《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》等，框架結(jié)構(gòu)鋼筋最大間距較小，導(dǎo)致裝配式框架結(jié)構(gòu)中鋼筋布局“細(xì)而密”，預(yù)制構(gòu)件現(xiàn)場安裝時(shí)節(jié)點(diǎn)位置鋼筋定位難、連接難，施工質(zhì)量不易保證。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中引入大直徑鋼筋，可減少鋼筋接頭數(shù)量，便于節(jié)點(diǎn)處理。然而，大直徑鋼筋的應(yīng)用使錨固長度變長，導(dǎo)致截面尺寸大不經(jīng)濟(jì)、構(gòu)件重，大直徑鋼筋是否需如此長的錨固要求？因此，本文研究了國內(nèi)外混凝土有關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)，對比分析大直徑鋼筋基本錨固長度要求，總結(jié)現(xiàn)有研究中錨固長度的研究成果，為以大直徑鋼筋為主筋的梁柱構(gòu)件構(gòu)造措施、節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)提供參考。

1 國內(nèi)外規(guī)范關(guān)于錨固長度的研究

1.1 國內(nèi)規(guī)范

梁與柱在節(jié)點(diǎn)后澆區(qū)段連接如圖1所示，裝配式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中，梁柱構(gòu)件端部、中部及節(jié)點(diǎn)位置均存在錨固、搭接構(gòu)造問題。現(xiàn)有學(xué)者普遍認(rèn)為鋼筋直徑增大時(shí)，鋼筋相對肋高減小，對錨固不利，大直徑鋼筋錨固長度適當(dāng)加大，當(dāng)直徑>25mm時(shí)，錨固長度還應(yīng)增加10%。國內(nèi)規(guī)范關(guān)于錨固長度的研究較早，中國建筑科學(xué)研究院開展近千個錨固中心拉拔試驗(yàn)，回歸統(tǒng)計(jì)得到直錨、機(jī)械錨、彎折錨的錨固長度，研究成果為《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的制定提供了理論依據(jù)。但拉拔試驗(yàn)所用鋼筋直徑小，錨固板薄，計(jì)算得到錨固長度較長，一定程度上限制了大直徑鋼筋的應(yīng)用。按現(xiàn)行規(guī)范反算得到的不同混凝土強(qiáng)度等級梁柱構(gòu)件最小截面尺寸如圖2所示，由于基本錨固長度長，導(dǎo)致截面增加過大，截面不經(jīng)濟(jì)，大直徑鋼筋在預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)中優(yōu)勢減弱，不利于施工現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)處理，施工性價(jià)比低。

圖1 梁與柱在節(jié)點(diǎn)后澆區(qū)段連接

圖2 不同混凝土強(qiáng)度等級下梁柱構(gòu)件最小截面尺寸

之后，牟曉光[1]、黃余沖[2]、李曉清[3]、陳勇等[4]也對不同鋼筋等級、直徑的錨固長度進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明，錨固長度設(shè)計(jì)建議值與《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中錨固長度設(shè)計(jì)值相比降低10%～40%。經(jīng)不同學(xué)者不同試驗(yàn)驗(yàn)證，鋼筋錨固長度降低科學(xué)合理。

1.2 國外規(guī)范

為對標(biāo)國外規(guī)范，對美國規(guī)范(ACI 318-11)[5]、澳大利亞規(guī)范(AS 3600—2001)[6]、加拿大規(guī)范(CSA A23.3-04)[7]、新西蘭規(guī)范(NZS 3101)[8]、歐洲規(guī)范(Eurocode 2)[9]等關(guān)于錨固長度的規(guī)定進(jìn)行研究，各國規(guī)范對鋼筋錨固長度的規(guī)定如圖3所示。經(jīng)研究可知，錨固長度與鋼筋直徑、鋼筋強(qiáng)度等級、混凝土強(qiáng)度等級、保護(hù)層厚度及鋼筋使用工況有關(guān)，各國規(guī)范對錨固長度的規(guī)定變化規(guī)律一致，均為混凝土強(qiáng)度等級提高錨固長度降低，中國、美國和加拿大的規(guī)范分別將直徑25，19，20mm作為大直徑鋼筋分界線，且相應(yīng)增加錨固長度，歐洲、新西蘭、澳大利亞及日本的規(guī)范對大直徑鋼筋在混凝土中的錨固長度沒有做出特殊規(guī)定?；惧^固長度db≥28mm時(shí)，我國規(guī)范規(guī)定的錨固長度處于所有國家錨固長度的中等水平，大直徑鋼筋在裝配式框架結(jié)構(gòu)中錨固長度存在修正空間。

圖3 各國規(guī)范對鋼筋錨固長度的規(guī)定

2 錨固長度影響因素研究

鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)形式存在已久，國內(nèi)外關(guān)于鋼筋混凝土間黏結(jié)錨固性能和錨固長度的研究較充分，本文將鋼筋錨固長度影響因素歸結(jié)為以下3類。

2.1 混凝土參數(shù)

混凝土對錨固的影響體現(xiàn)在強(qiáng)度指標(biāo)上，各國學(xué)者關(guān)于黏結(jié)強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度代表性進(jìn)行了研究，Delso等[10]認(rèn)為黏結(jié)強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度(fc)3/4成正比，徐有鄰[11]認(rèn)為黏結(jié)強(qiáng)度與混凝土劈裂強(qiáng)度成正比，Atorod等[12]認(rèn)為黏結(jié)強(qiáng)度與(f′c)1/2成正比，Darwin等[13]認(rèn)為黏結(jié)強(qiáng)度與(f′c)1/4成正比，劉玲利[14]認(rèn)為黏結(jié)強(qiáng)度隨混凝土抗拉強(qiáng)度的提高而增大。研究發(fā)現(xiàn)，黏結(jié)強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度成正比，混凝土強(qiáng)度提高，增加了自身密實(shí)度，從而增加膠結(jié)力和機(jī)械咬合力；同時(shí)，混凝土強(qiáng)度提高，開裂應(yīng)力增加，可延緩內(nèi)部微裂縫和縱向劈裂裂縫的產(chǎn)生，最終提高黏結(jié)強(qiáng)度。

2.2 鋼筋參數(shù)

我國鋼筋對錨固的影響體現(xiàn)在鋼筋直徑、表面形狀、強(qiáng)度指標(biāo)和保護(hù)層厚度上。眾多試驗(yàn)研究成果表明[15]，帶肋鋼筋由于表面有橫肋，混凝土楔入其間形成咬合齒，提高其錨固強(qiáng)度[16]。國外規(guī)范中鋼筋肋形為竹節(jié)形，僅對相對肋面積進(jìn)行要求，鋼筋直徑增大，相對肋面積增大。我國規(guī)范對鋼筋肋高、肋間距做出具體規(guī)定，各參數(shù)隨直徑變化曲線如圖4～6所示。由圖4～6可知，直徑變大時(shí)，相對肋高增大，相對肋間距減小，相對肋面積基本保持不變。黏結(jié)性能與相對肋面積成比例關(guān)系，鋼筋直徑變大時(shí)，黏結(jié)力并不一定降低，錨固長度是否放大值得研究。

圖4 鋼筋直徑-相對肋高變化曲線

圖5 鋼筋直徑-相對肋間距變化曲線

圖6 鋼筋直徑-相對肋面積變化曲線

大量試驗(yàn)研究和仿真分析結(jié)果表明[2,17]，鋼筋等級增加時(shí)錨固長度增大，在裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)中，建議鋼筋等級≥HRB400。鋼筋與混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度隨混凝土抗壓強(qiáng)度及保護(hù)層厚度的增大而增大，且與相對保護(hù)層厚度(c/d)呈線性關(guān)系。當(dāng)保護(hù)層厚度達(dá)到5d(極限保護(hù)層)時(shí)，因發(fā)生無劈裂的拔出破壞，黏結(jié)錨固強(qiáng)度不再提高。對于大直徑鋼筋，在相同配筋率下，鋼筋間距必然增大，此時(shí)可通過增加構(gòu)造鋼筋或箍筋滿足構(gòu)造要求，Harajli等[18]、Hamad等[19]研究成果表明，箍筋可大大提高黏結(jié)強(qiáng)度，減緩裂縫開展，防止混凝土的突然劈裂。因此，大直徑鋼筋梁、柱合理的配筋形式需綜合考慮箍筋、構(gòu)造鋼筋的影響。

2.3 其他影響因素

混凝土的振搗方式、澆筑時(shí)鋼筋位置、澆筑方向、密實(shí)度等均會引起黏結(jié)強(qiáng)度的變化，該類因素影響復(fù)雜，難以量化。

3 結(jié)語

裝配式框架結(jié)構(gòu)中鋼筋布局“細(xì)而密”，大幅度增加了預(yù)制構(gòu)件的安裝難度，引入大直徑鋼筋，對解決裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接效率具有重要意義。本文通過分析各國規(guī)范關(guān)于鋼筋錨固長度的規(guī)定，充分調(diào)研國內(nèi)外論文，得到以下結(jié)論。

1)對于大直徑鋼筋(d>25mm)，隨著鋼筋直徑增大，月牙紋鋼筋的外形參數(shù)并不隨直徑成比例變化，隨著直徑增大，相對肋高增大，相對肋間距減小，相對肋面積基本保持不變。鋼筋直徑增大時(shí)，黏結(jié)強(qiáng)度如何變化需進(jìn)一步研究。

2)對比國內(nèi)外規(guī)范，我國規(guī)范計(jì)算所得錨固長度處于中等水平，大直徑鋼筋在裝配式框架結(jié)構(gòu)中錨固長度存在修正空間。

3)裝配式框架結(jié)構(gòu)鋼筋“細(xì)而密”問題凸顯，裝配式結(jié)構(gòu)中推廣應(yīng)用大直徑鋼筋，對解決裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接效率、增加施工安全具有重要意義。在推廣應(yīng)用過程中，開展大直徑鋼筋的錨固長度、大直徑鋼筋梁柱構(gòu)件配筋方法等配套研究極其重要。