钢筋混凝土原理和分析读书报告
——钢筋与混凝土的粘结
经过一个学期对《钢筋混凝土原理与分析》的学习，再加上平时阅读的一些关于混凝土的书籍和期刊，我对钢筋混凝土理论有了初步的认识。我选取了自己比较感兴趣的一个章节（钢筋与混凝土的粘结）细细研究了一番，因此我的读书报告将主要围绕这一章进行。
一、内容摘要及自我理解
混凝土是以水泥为主要胶结材料，拌合一定比例的砂、石和水，有时还加入少量的各种添加剂，经过搅拌、注模、养护等工序后，逐渐凝固硬化而成的人工混合材料。混凝土的抗压强度很高，抗拉强度相对很弱，把钢材放置在混凝土结构中的主要作用是承受拉力，以弥补混凝土抗拉强度的低下和延性的不足。因此，钢筋混凝土就是以混凝土为主体，配置不同形式的高抗拉强度的钢筋所构成的组合材料，两者的性能互补，成为迄今结构工程中应用最为成功、最广泛的组合材料。
1.粘结力的组成
首先，钢筋和混凝土是两种不同性质的材料，它们为什么能共同工作呢？原因有两点：其一，混凝土在硬化过程中体积收缩，对钢筋产生粘结力(亦叫握裹力)；其二，两者的膨胀系数基本一致 (钢筋为1．2×10；混凝土为1．0×l0— 1．4×10 )，受温度影响时，其变动基本相同，不致破坏钢筋混凝土结构的整体性，而导致两者脱离。实践证明，钢筋和混凝土之所以能共同使用，主要条件就是钢筋和混凝土的粘结作用。
一个钢筋混凝土梁只有当钢筋沿全长与混凝土可靠地粘结，在荷载作用下次梁的钢筋应力随截面弯矩而变化，才符合梁的基本受力特点。根据混凝土构件中钢筋受力状态的不同，粘结应力状态可分作两类问题：（1）钢筋端部的锚固粘结。在简支梁支座处的钢筋端部、梁跨间的主筋搭接或切断的外伸段等，钢筋的端头应力为零，在经过锚固后，钢筋的应力应能达到其设计强度。(2)裂缝间粘结。受拉构件或梁受拉区的混凝土开裂后，裂缝截面上混凝土退出工作，使钢筋拉应力增大，但裂缝间截面上混凝土仍承受一定的拉力，钢筋的应力偏小，钢筋应力沿纵向发生变化，其表面必有相应的粘结应力分布，粘结应力的存在，是混凝土能钢筋的平均应变和总变形小于钢筋单独受力是的相应变形。
钢筋和混凝土之间的粘结力或者抗滑移力由三部分组成：
（1）混凝土中的水泥凝胶体在钢筋表面产生的化学粘着力或吸附力，其抗剪极限值取决于水泥的性质和钢筋表面的粗糙程度。
（2）周围混凝土随钢筋的摩阻力，当混凝土的粘着力破坏后发挥作用，它取决于混凝
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-5土发生收缩或者荷载和反力等对钢筋的径向压应力，以及两者间的摩擦系数等。
（3）钢筋表面粗糙不平，或变形钢筋凸肋和混凝土之间的机械咬合作用，即混凝土对钢筋表面斜向压力的纵向分力。
其实粘结力的三部分都与钢筋表面的粗糙程度和锈蚀程度密切相关，在试验中很难单独量测或严格区分，而且在钢筋的不同受力阶段，随着钢筋滑移的发展，荷载的加卸等各部分的作用也有变化。
2.粘结应力试验方法
结构中钢筋粘结部位的受力状态复杂，很难准确模拟，现有两类钢筋拔出试验方法： （1）拉式试验
这是最早的试验方法，试件一般为菱柱形，钢筋埋设在其中心，水平方向浇注混凝土。试验时，试件的一端支承在带孔的垫板上，试验机夹持外露钢筋端施加拉力，直至钢筋屈服。上述试件的加载端混凝土受到局部挤压，与结构中钢筋端部的应力状态差别大，影响试验结果的真实性。后来就有人将其改为试件加载端的局部钢筋与周围混凝土脱空的试件，这种方法解决了局部挤压的问题，但是对于配置螺纹钢筋的试件常会因纵向劈裂破坏。至今各国对这类试验的标准试件的规定尚不统一。
（2）梁式试验
梁式试件能更好地模拟钢筋在两端的粘结锚固状况，它分两半制作，钢筋在加载端和支座端各有一段无粘结区，中间的粘结长度为10d。梁跨中的拉区为试验钢筋，压区用铰相连，力臂明确，以便根据试验荷载准确地计算钢筋拉力。这种试验方法的思路是很巧妙，但是我感觉因为那个铰的存在，会增大的试验的难度，钢筋的实际受力情况可能会很复杂。
这两类试件的试验结果对比表明，材料和粘结长度相同的试件，拉式试验比梁式试验测得的平均粘结强度高，主要是由于两者的钢筋周围混凝土应力状态不同和混凝土保护层厚度有差别。
试验方法虽多，但是试验测的都是极限拉力，不能直接得到钢筋拉拔过程中某个位置处的应变值，从而建立钢筋应变（力）沿长度的分布规律。为了量测粘结应力沿钢筋埋长的分布，又不破坏其粘结状态，必须在钢筋内部布置电阻片。因为如果直接在钢筋表面贴应变片，那么在钢筋拉拔过程中就会导致应变片本身损坏；如果用套管将应变片保护起来，又会造成钢筋与混凝土之间的粘结状况失真。在钢筋内股粘贴应变片这种方法虽然操作麻烦，但是能获得真实可靠的数据。
3.粘结机理研究 光圆钢筋和变形钢筋与混凝土的极限粘结强度相差悬殊，粘结机理和破坏形态多有不同，分述如下：
（1）光圆钢筋
光圆钢筋的粘结强度在钢筋滑动前取决于化学粘着力，滑动后则主要取决于摩阻力。光圆钢筋从混凝土中拔出的过程：当加载初期，钢筋与混凝土界面上开始受剪时，化学粘着力起主要作用，此时截面无滑移。随着拉力的增大，从加载端的粘着力很快被破坏，此时钢筋只有靠近加载端的一部分受力，粘结应力分布也限于这一段。随着荷载增大，钢筋的受力段逐渐加长，粘结应力分布的峰点向自由端移动，加载端滑移加快。当滑移段遍及钢筋全埋长，粘结应力的峰点很靠近自由端，此时加载端粘结破坏严重，粘结应力已很小，钢筋的应力接近均匀。当自由端达到钢筋的极限粘结强度时，钢筋的滑移急速增大拉拔力由钢筋表面的摩阻力和残存的咬合力承担，最终，钢筋从混凝土中被拔出。光圆钢筋与混凝土的粘结强度较低，滑移较大，粘结性能较差。
（2）变形钢筋
变形钢筋和光圆钢筋的主要区别是钢筋表面具有不同形状的横肋或斜肋。
一个不配横向筋的拔出时间，开始受力后钢筋的加载端局部就因为应力集中而破坏了与混凝土的粘着力，发生滑移。当荷载增大时，钢筋自由端的粘着力也被破坏，开始出现滑移，加载端的滑移加快增长。
光圆钢筋拉拔试验的破坏形态均为钢筋自混凝土中拔出的剪切破坏，变形钢筋一般形成劈裂式破坏。从机理上分析这是因为在拉拔过程中，变形钢筋表面突出的肋就像混凝土的楔子，对混凝土有挤压和剪切作用，使得肋前混凝土压碎，并在肋前形成斜面。作用在斜面上的力沿钢筋轴线方向的分力为粘结应力的主体，垂直钢筋轴线方向的分力为径向扩张力，它在周围混凝土中产生环形拉应力，导致出现劈裂裂缝。
图1 图2
比较光圆钢筋和变形钢筋的粘结应力-滑移曲线不难发现，和光圆钢筋相比，变形钢筋自由端滑移是的应力值接近，但是应力和极限应力的比值却大大减小，钢筋的受力段和滑移段的长度也较早的遍及钢筋的全埋长。
在光圆钢筋的粘结应力-滑移曲线中，我发现大概在滑移超过0.25mm的时候加载端的滑动值将小于自由端的滑动值。变形钢筋的曲线只画了一部分，再往后延伸，似乎也有自由端滑动值大于加载端滑动值的趋势。为什么加载端的滑动值会小于自由端地滑动值？其中的钢筋和混凝土的应力状态是什么？这个问题我还没有想到合理的解释。
4.粘结应力-滑移本构模型
钢筋混凝土结构有些设计或分析过程中要求应用钢筋和混凝土间的粘结应力-滑移本构关系，那么首先就要确定其中的两个特征值，即劈裂应力和极限粘结强度，然后再通过假设做出粘结应力-滑移的本构模型。
（1）劈裂应力
图3 试件劈裂时的应力状态
图3（a）是将钢筋周围的混凝土简化为一厚壁管，劈裂面上得拉应力均匀分布，这是一种半理论半经验的方法。后来就有人对这种方法提出质疑，因为在径向裂缝处不可能有应力存在，并且劈裂面的拉应力是非均匀分布，于是就提出了图3（b）这种应力状态模型。但是他的这种假设过于繁琐，后人就又提出了图3（c）这种应力模型，这种模型既考虑了径向裂缝处无应力的情况，也对劈裂面的拉应力做了简化。这些都是在熊老师的提示下，我才在这貌似简单的图里看出前人如何发现问题解决问题以及再改进的一系列探索过程。
（2）极限粘结强度
钢筋与混凝土的平均极限粘结强度，一般用试验数据的回归分析式。粘结应力状态过于复杂，此时已经无法做出粘结应力的模型，只有靠做大量的试验后得到一个回归分析式。
5.粘结应力的影响因素
通过大量的试验我们发现钢筋和混凝土的粘结性能及各项特征值，受到许多不同因素的影响而变化。
（1）混凝土的强度。 提高混凝土的强度会延迟拔出试件的内裂和劈裂应力，提高极限粘结强度和粘结刚度。 （2）保护层厚度。 增大保护层厚度，加强了外围混凝土的抗劈裂能力，能提高试件的劈裂应力和极限粘结强度。
（3）钢筋埋长。 试件的粘结强度随埋长的增加而降低，埋长很大的试件，钢筋加载端达到屈服而不被拔出。
（4）钢筋的直径和外形。 直径越大的钢筋，相对粘结面积减小，不利于极限粘结强度；肋的外形变化对钢筋的极限粘结强度值差别不大，对滑移值影响稍大。
（5）横向箍筋。 拔出试件内配设横向箍筋，能延迟和约束径向-纵向劈裂裂缝的开展，阻止劈裂破坏，提高粘结强度。
（6）横向压应力。 横向压应力作用在钢筋锚固端，增大了钢筋和混凝土界面的摩阻力，有利于粘结锚固。
另外，浇注钢筋混凝土时钢筋所处的位置及混凝土的密实度、骨料的粒径、数量和表面形态等也是影响粘结强度的因素。概括的来说，就是所有与钢筋和混凝土有关的因素都会影响粘结强度。
二、心得体会
通过这一个学期对钢筋混凝土原理与分析的学习，我对这门课以及研究生阶段如何学习有了初步的认识。
1.本科阶段我学习的是《钢筋混凝土原理与设计》主要是学习“是什么”，比较简单概括的讲了一下原理，重点在于如何运用某种方法进行计算和设计。研究生阶段我学习的是《钢筋混凝土原理与分析》主要是学习“为什么”，比较详细的介绍各种原理，以及各种试验中试件的受力机理分析，重点在于分析前人研究总结这种原理的过程，即解决问题的思想和方法。
2.混凝土是一种非均质、不定向的，且随时间和环境条件而变化的多相混合材料，因此钢筋混凝土力学性能复杂多变。在做试验时，所有与钢筋和混凝土有关的因素都有可能会影响试验的结果，所以在进行试验前应考虑所有影响试验结果的因素，设置多种对比试件，这样才能排除次要因素的影响，得出科学真实的结论。
3.钢筋混凝土内部应力状态复杂，在对试验结果进行分析时，时常会做各种简化假设，巧妙并且贴合实际的假设能避免很多分析上的困难。因此，“如何简化假设以及为什么这样简化假设”将会是我学习和实践的重要环节之一。
三、结语
所有前人的研究成果，加深了我们对钢筋混凝土的材料和结构性能的规律性认识，提高了结构设计和施工的水平，促进了钢筋混凝土结构的发展。今后，随着建设事业的发展，钢筋混凝土结构必有更广阔的发展前景。
四、参考文献
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