银魂莲蓬篇伊丽莎白:钢筋的锚固、连接与节点构造 - 结构综合资料

钢筋的锚固、连接与节点构造

2011-01-24 17:38:05来源：土木工程网收集整理

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1、       钢筋保护层厚度

1.1、混凝土保护层的作用：

1）保证钢筋的锚固：

2.2、 钢筋的机械锚固：  (详《混规》第9.3.2条)

当受拉钢筋的直线锚固长度所需的位置不够时，可以采用机械锚固形式，规范推荐了三种机械锚固措施。图a所示加135°弯钩，靠弯钩内侧对混凝土的局部压力和弯钩尾部斜直段外侧混凝土对弯钩的“板直”趋势的约束效应来提高锚固能力。此种机械锚固端周围应有相应的箍筋或有足够厚度的混凝土，否则，混凝土会因弯弧对混凝土所引起的劈裂力过大而大面积剥落。图b、c所示的锚固措施则是靠钢板或短钢筋内端对混凝土的局部压力来提高锚固能力。

混凝土结构中钢筋能够受力是由于其与周围混凝土之间的粘结锚固作用，混凝土保护层越厚，则粘结锚固作用越大。规范中受力钢筋的锚固长度是以混凝土保护层度不小于钢筋的直径为条件确定的。

l        结构设计说明中虽然特别注明了“受力钢筋保护层厚度不小于钢筋直径”，但在实际施工中往往没有做到，应注意。

2）耐久性：

混凝土的碱性环境使包裹在其中的钢筋表面形成钝化膜而不易锈蚀。但是碳化和脱钝会使钢筋遭受锈蚀，碳化的时间与混凝土的保厚层厚度有关，一定的钢筋保护层厚度是结构耐久性所必需的条件。

3）受力构件截面的有效高度：

      从锚固和耐久性的角度，钢筋在混凝土中的保护层应该越大越好，然而从受力的角度而言，则正好相反。

l       因此，确定混凝土保护层厚度应综合考虑锚固、耐久性、截面有效高度三个因素。在能保证锚固和耐久性的条件下尽可能取较小的保护层厚度。

1.2、混凝土保护层最小厚度的规定及影响因素：

l       混凝土保护层最小厚度根据不同情况分别对待，详《混规》第9.2节。

1）环境类别的影响

2）构件类型的影响：

①              板墙壳类——与大气只有一个接触面；

②              梁、柱类——棱角部位受力钢筋与大气有两个接触面，碳化和有害介质的入侵更容易，因此最小保厚层厚度适当增加；对结构安全影响更大的柱类构件，保厚层厚度较梁类加大。

③              基础—考虑处于地下水影响的潮湿环境；

④              预制类构件—由于工厂化生产，预制构件的混凝土质量容易得到保证，因此保护层厚度适当减低。

⑤              附助钢筋的保护层—箍筋、构造钢筋、分布筋。

1.3、保护层的其他构造要求

1）露天悬臂构件：

处于二、三类环境中的悬臂板，其上表面应另作水泥砂浆保护层或采取其他保护措施。

2）厚保护层的表面要求：

      当保护层厚度大于40mm时，应对保护层采取有效的防裂构造措施，常用办法是在构件的表面配置焊接或绑扎的细钢筋网片。

3）混凝土结构的防火要求；

4）100年使用年限时的耐久性要求。

2、钢筋的锚固——详《混规》第9.3节；《高规》第6.5节

2.1、钢筋锚固机理：

l       混凝土结构中钢筋能够受力是由于它与混凝土之间的粘结锚固作用，因此锚固是混凝土结构受力的基础，保证钢筋的锚固是混凝土结构设计中的重要内容。

1）粘结锚固力的构成：

钢筋与混凝土之间的粘结锚固作用由胶结力、摩擦力、咬合力及机械锚固构成。咬合力表现为钢筋对混凝土咬合齿的挤压力，是锚固作用的主要成分。

2）锚固强度、锚固刚度：

l       钢筋的锚固强度和刚度由拉拔试验测定。

      钢筋拉拔时，在钢筋与混凝土界面上存在沿钢筋长度方向的抗拔能力。“粘结应力”——即单位钢筋面积上的作用剪力；“粘结强度”——即为剪应力上限，或者说沿钢筋长度方向的界面抗剪强度。粘结应力沿钢筋表面传给混凝土，并在锚固段周围的混凝土中形成主应力场，此主应力场不是平面的，而是三维的。若钢筋锚固长度过短，除去钢筋可能因粘结破坏而拔出外，还可能将其周围的混凝土沿主压应力迹线拉裂，甚至拉出，形成“局部拉脱”破坏。（如图示）

钢筋拉拔时，埋入混凝土的一段长度钢筋表面的粘结能力把拉力有效地传入混凝土，抗拔出能力和抗拔出刚度（指滑出量不能过大）称为“锚固强度”、“锚固刚度”。

3）影响粘结锚固的因素：

① 混凝土强度的影响——混凝土强度越高，咬合齿越强，握裹层混凝土的劈裂就越不容易发生，故粘结锚固作用越强。

② 保护层厚度——混凝土保护层越厚，对锚固钢筋的约束越大；咬合力对握裹层混凝土的劈裂越难发生，粘结锚固作用越强。当保护层厚度大到一定程度，混凝土不会发生劈裂破坏，而会发生咬合齿挤压破碎引起的刮犁拔出破坏。

③   钢筋的外形——钢筋的外形决定了混凝土咬合齿的形状，因而对锚固强度影响很大。

④  锚固区域的配箍——锚固区箍筋可加大混凝土的约束。

ü       第一种是由梁、柱纵筋的钢筋拉（压）力传入节点的部分所引起的在核心区混凝土形成剪力流承担剪力。此剪力流将引起核心区混凝土双向受力（一拉一压），随着地震反复作用，核心区将交叉开裂，原由混凝土承担的主拉应力，将改由平行受力方向的节点水平箍肢和节点正面及背面竖向柱筋承担，而主压应力仍由核心区混凝土承担。此受力机构称为“桁架机构”。随着受力的正、反交替，梁、柱筋的粘结逐步退化，“桁架机构”所承担的节点剪力比重也逐步下降。（如图示）

ü       另一种是由梁、柱端的混凝土压力在核心区混凝土的相应对角线方向（在一定宽度）形成“斜压杆区”，起承担相应部分节点剪力的作用，构成——“斜压杆机构”。随着桁架机构的退化，斜压机构的受力上升，是节点区的主要抗剪机构。（如图示）

l       试验表明，节点水平箍筋对节点核心区的约束作用，提高了核心区斜压混凝土的抗剪能力——称为“约束机构”。这种“约束机构”对节点抗震能力发挥着非常重要的作用。另在“桁架机构”中，节点区箍筋的水平箍肢能承担由剪力流所引起核心区混凝土的主拉应力。可见节点区的水平箍筋对节点的抗震性能是非常关键的。

6.2、框架中间层端节点的受力特性

l       保证梁筋水平锚固段长度不论对于非抗震还是抗震中间层端节点都是非常关键的。

框架中间层端节点因为只有一侧有梁，所以在地震作用占主导地位时，一个方向的地震作用会引起较大的梁端负弯矩（地震负弯矩和重力负弯矩叠加），而另一个方向的地震作用，此时由于地震作用产生梁端正弯矩，与重力作用的梁端负弯矩叠加，则会引起很小的梁端负弯矩或绝对值较小的梁端正弯矩。与中节点一样，其节点受力机构为：

“桁架机构”——由梁筋水平锚固段和柱筋贯穿段经粘结传入节点核心区的剪力仍将在核心区形成剪力场，受力机理同中节点。

②“斜压杆机构”——原理同中间层中节点。不同之处在于，中节点处仅由梁、柱端的混凝土压力形成“斜压杆”，端节点核心区的“斜压杆”构成如下：当柱截面足够大梁纵筋采用直锚时，节点核心区的“斜压杆”仅由梁、柱端的混凝土压力形成；当梁纵筋采用90°弯锚并按规范要求构造时，梁纵筋90°弯弧和竖直尾段传入核心区的“弯弧力”（对混凝土的压应力），将参与构成节点核心区的“斜压杆”。

③同样，核心区水平箍筋也将形成“约束机构”。

l       综合以上三点可以看出，中间层端节点的受力在处理好梁上下纵筋的锚固前提下，与中间层中节点的受力规律和抗剪机构是相同的，只不过端节点只有一侧有梁，所以作用剪力相对偏小，这对节点的抗震性能是有利的。

l       从以上分析可知，当梁上下纵筋的锚固需采用弯锚时，应向节点内弯折，这可使节点的抗剪机构较为合理、顺畅。若将梁上部纵筋向上弯入上柱、下部纵筋向下弯入下柱，这种作法不仅对节点受力无益，而且弯入上、下柱的梁筋弯弧会对上、下柱端的混凝土形成附加水平压力，会在上、下柱端形成附加裂缝，增大该区域内柱箍筋的拉力，不宜采用。若确有必要采用时，应充分考虑此不利影响。

6.3、 框架顶层中节点的受力特性

     顶层中节点根据地震作用的大小形成两种典型受力状态：

1）一种是当地震作用相对较小时，左、右梁端均为负弯矩，一侧弯矩大（地

震弯矩与竖向荷载弯矩同号叠加），另一侧弯矩小（地震弯矩与竖向荷载弯矩异号叠加后仍为负弯矩），这时柱上端截面抵抗的是左、右梁端的弯矩差，故弯矩值一般不太大，柱剪力与两侧梁中的轴拉力和轴压力平衡，柱轴压力与左、右梁端剪力平衡，节点核心区受力一般不太大。此时节点核心区的受力机构为，由梁筋、柱筋锚固段的粘结效应在核心区形成剪力场及节点的水平箍肢、正背面柱筋构成“桁架机构”。

2）一种是当地震作用较大时，一侧梁端由地震弯矩与同号竖向荷载弯矩叠加形成负弯矩，另一侧由地震弯矩（正弯矩）与竖向荷载负弯矩叠加形成比另一侧梁端弯矩绝对值小的正弯矩，这时柱上端截面要平衡左、右梁端的弯矩之和，故弯矩值较大。此时节点核心区的受力机构有“桁架机构”、 “斜压杆机构”。

l       由于上端无柱上部梁筋贯穿节点段的上面只有一层混凝土保护层，随着梁筋应力增大，柱顶混凝土保护层会剥落。

l       柱筋的锚固，柱纵筋无论是否弯折必须伸至柱顶。当采用带90°弯折的锚固方式时，为避免水平尾段在柱顶的拥挤，可将四角柱筋斜向向内弯，而把柱宽内部柱筋弯向四边的梁内。

6.3、 框架顶层端节点的受力特性

1）顶层端节点根据地震作用的大小及平衡原理，会分别受梁端、柱端组合负弯矩和正弯矩的作用。梁、柱端负弯矩作用下的受力状态是顶层端节点的主要受力状态。

2）顶层端节点在负弯矩作用下的传力机构有“桁架机构”、“斜压杆机构”。

注意：桁架机构形成的主拉应力和斜压杆机构的压应力总是垂直的，斜压杆从左上至右下。

2）             顶层端节点在正弯矩作用下，梁上部和柱外侧钢筋受压，梁下部和柱内侧钢筋受拉。由钢筋的粘结效应形成剪力场—构成“桁架机构”，梁、柱端截面混凝土受压区压应力，在与柱内侧和梁下部钢筋锚固端的拉力（包括弯折尾段对混凝土的压力）合成后，将形成从左下至右上的斜压区—构成“斜压杆机构”。

7、板钢筋的锚固

板是结构的水平构件，承受并传递竖向荷载，无论是单向板还是双向板、单跨板还是连续板，其受力特性为：跨中承受正弯矩；当为约束支座时，支座承受负弯矩（包括连续板中间支座）。

故从受力角度考虑，板筋在支座处的锚固：板面筋按受拉锚固；板底筋锚固同简支支座的梁底筋。由于现浇板相对于梁而言在其截面内作用的剪力较小，多数情况下都能满足V<0.7ftbho的要求，因此板各跨下部筋伸入支座长度不小于5d，且要求伸至支座中线。

Ø       应注意：当板内会受到较高的温度应力时，板上下钢筋在各个截面处均有可能受较大拉力作用，此时，板的下部筋应按受拉锚固。

Ø       连续板中支座板面筋一般均贯通设置，当支座两侧上部板筋拉力不等时，将在贯穿段的板筋内形成明显的粘结应力；当此拉力差较大时，仅靠贯穿段的粘结应力尚不满足，需延伸到相邻板内，这就是当连续板中支座两侧配筋不一致时，较小板一侧按较大一侧配置的原因。

8、箍筋的锚固

l       对结构说明中梁箍筋“为提高箍筋的受力性能，箍钩宜放在梁的受压区”解疑。

Ø       箍筋的作用除去形成钢筋骨架外，从受力方面看主要有三点：

1）作抗剪钢筋使用，承担剪力和斜裂缝截面中的弯矩引起的拉力。

2）与抗扭纵筋一起作抗扭钢筋使用，承担扭矩引起的拉力。

3）用来约束受压的混凝土，以提高其极限压应变和抗压强度，承担由混凝土受压后侧向膨胀引起的拉力。

²      当梁箍筋用于抗剪时，与剪力作用方向平行的箍肢将在不同高度与斜裂缝相交并承受拉力，因此箍筋的构造必须保证受力箍肢有良好的锚固。当受力箍肢的锚固端未遇到搭钩时，绕过纵筋的90°弯折和水平箍肢将为受力的竖向箍肢提供足够的锚固能力；若受力箍肢的锚固端有搭钩时，搭钩就必须满足受力的竖向箍肢的锚固要求，这也是规范对箍筋弯钩的构造要求的原因。

²      当梁箍筋用于抗扭时，受扭斜裂缝呈螺旋式裂缝，受扭箍筋各肢都可能同时在不同部位（与斜裂缝相交处）进入屈服，因此对箍筋搭钩必须提出更高要求。

²      其约束作用的柱（受压竖向构件）箍筋，混凝土侧向膨胀对箍筋形成挤压力而使受拉，特别是外箍，沿箍筋全长均受拉，箍筋弯钩必须按规范严格执行，此时外箍应为完整封闭箍。

（抱歉：图形无法粘贴）

3、钢筋的连接——详《混规》第9.4节；《高规》第6.5节

Ø       钢筋连接的要求

   由于钢筋供货长度的限制，也必然存在将钢筋接长使用的问题。为保证结构受力的整体效果，这些钢筋必须连接起来实现内力的过渡。钢筋连接的基本问题是保证连接区域的承载力、刚度、延性、恢复能力以及抗疲劳能力。

Ø       钢筋连接的原则

   连接钢筋通过接头实现的是间接传力，性能与整筋的直接传力相比总有所削弱，因此完全不存在可以不受限制到处应用的“优质”接头。因此应遵循以下原则：

①  接头应尽量设置在受力较小处。

②  在同一受力钢筋上宜少设接头。以避免有多个连接接头的钢筋传力性能削弱过多。

③  接头位置应相互错开。以避免变形、裂缝集中接头区域，影响传力质量。

④  在钢筋连接区域应采取必要的构造措施。如适当增加混凝土保护层厚度或钢筋间距，保证连接区域的配箍，以确保对被连接钢筋的约束。

Ø       钢筋连接的类型：

     搭接、焊接、机械连接。

3.1、 钢筋的绑扎搭接连接 

1）绑扎搭接连接的机理

      搭接接头是钢筋的一种最古老的接头方式，它是通过两根钢筋的一个“相并长度”，使一根钢筋的拉力或压力通过粘结传给相并钢筋间的混凝土，再经混凝土传给另一根钢筋，即，绑扎搭接钢筋之间能够传力是由于钢筋与混凝土之间的粘结锚固作用，传力的基础是“锚固”。

2）搭接连接缺陷主要为以下两项

一是：因搭接接头靠粘结效应传力，因此必然要产生相对滑移，而一个搭接接头的相对滑移所引起的所连接钢筋的伸长要明显大于没有搭接接头钢筋的一般受拉伸长，也就是说，在同时受拉的多根钢筋中，有搭接接头钢筋的抗拉刚度明显低于没有接头的钢筋，显然，有搭接的钢筋占的比重越大，构件的刚度越偏弱。

二是：因搭接接头处原来的一根钢筋变成两根钢筋，由于搭接接头伸长（粘结滑移）较大，试验表明往往受拉裂缝都集中出现在搭接区的两端；另由于搭接接头的传力机理，搭接钢筋之间容易发生纵向裂缝——粘结劈裂裂缝。

3）受拉钢筋的搭接长度：

      钢筋搭接传力的本质是锚固，但较锚固相对削弱，因此搭接长度ll在锚固的基础上适当加长，且根据搭接接头的面积百分率取不同的搭接长度修正系数。同样钢筋搭接长度是通过试验测得的。

4）受压钢筋的搭接连接：

     受压搭接比受拉搭接受力有利，因此，受压搭接长度可在受拉搭接长度ll的基础上乘0.70的系数适当减短。

受压搭接接头的一个特殊问题是，搭接钢筋的两个末端端面都会对其前面的混凝土形成一个附加的局部“顶力”，试验表明，若无约束，受压搭接钢筋有可能会“弹出”，故《混规》第9.4.5条作出规定。

5）搭接连接的应用及规范条文：

     正是由于搭接连接的前述不足，《混规》第9.4.2条、第9.4.3条、9.4.5条对钢筋搭接连接的应用范围、接头百分率、连接区段长度及搭接长度范围的配箍作出了要求。

d>28mm的受拉钢筋和d>32mm的受压钢筋不允许采用搭接连接，是因为缺乏工程经验和试验考察，也因为接头过长。

6）必须注意，对有抗震设防要求的地区，竖向构件钢筋的搭接位置不应设置在楼板上一定高度范围——此处是柱的预计塑性铰出现的位置，应避开此范围。详03G101图集。

l       钢筋“搭接”和“锚固”问题的识别：

“搭接”是钢筋的一种接头方式，即在钢筋重叠的搭接接头范围内，一根钢筋将其所受的拉力或压力通过粘结效应经混凝土较均匀地传给另一根钢筋，它实现的是钢筋与钢筋之间的传力。而“锚固”则是钢筋经锚固长度将其拉力或压力经粘结效应传给锚固区的混凝土。

在实际工程中有些情况可能需要对到底是属于“锚固”问题，还是属于“搭接”问题作出识别。

ü       梁、柱钢筋的接长是属于钢筋的连接；（详03G101竖向构件纵筋的连接）

ü       框架顶层端节点梁（面筋）、柱（外侧筋）负弯矩钢筋是搭接连接；

ü       竖向构件纵筋伸入基础属钢筋的锚固。

ü       框架中节点柱，若能确认节点上部柱下端截面作用弯矩总是与节点下部柱上端截面作用弯矩反号，也就是一侧柱筋在节点以上为受拉时，节点以下的该柱纵筋总为受压，或反之。则这时从概念上说是锚固问题，上、下柱筋可分别按锚固长度伸入节点。（如图示）（注：对有抗震设计要求情况，由于地震作用方向的不确定性，不宜考虑）

ü       框架中节点柱，若能确认节点上、下端截面作用弯矩可能同号，即同一侧柱筋在节点上、下同时受拉或受压，则钢筋就只能按搭接接头处理。（如图示）且按规范接头应设在节点以外并避开柱的预计塑性铰出现的位置——详03G101图集。

3.1、 钢筋的机械连接

1）机械连接的传力机理：

钢筋的机械连接是通过连贯于两根钢筋外的套筒来实现传力，套筒与钢筋之间的过度是通过机械咬合力。其形式可分为：钢筋横肋与套筒的咬合——在钢筋表面加工出螺纹与套筒的螺纹之间的传力；或者在钢筋与套筒之间灌注高强的胶凝材料，通过中间介质来实现应力传递。

机械连接的主要型式有：挤压套筒连接、锥螺纹套筒连接、镦粗直螺纹连接、滚轧直螺纹连接。

2）机械连接接头的等级：

根据钢筋机械连接接头的传力性能，按相关规程分级。分级的依据是：强度、刚度、延性、恢复性能、疲劳性能。

3）机械连接的应用

      钢筋的机械连接虽然相对比较简便，但与整体钢筋相比性能总有削弱。应遵守《混规》第9.4.6条、9.4.7条、9.4.8条的相关规定。

4）预应力钢筋的连接

      未来的预应力构件将淘汰冷加工钢筋，采用中、高强钢丝、钢铰线为受力钢筋，这些高强预应力钢筋必须用“预应力筋用连接器”实现受力钢筋之间的内力传递。

3.2、 钢筋的焊接

1）焊接传力的机理

钢筋的焊接接头是利用电阻、电弧或者燃烧的气体加热钢筋端头使之熔化并用加压或填加熔融的金属焊接材料，使之连成一体的连接方式。钢筋的焊接主要有：

ü       闪光对焊——将钢筋放置成对接形式，利用电流通过被焊钢筋端部，在接触

点处产生大量热能，局部熔化金属，同时对结合点施加轴向压力使钢筋连接的一种压焊方法。

ü       电弧焊——利用电弧产生的高温，熔化钢筋端部及焊条，填充在接头焊缝内

形成焊接接头而使钢筋连为一体的一种熔焊方法。

ü       电渣压力焊——将钢筋放置成竖向对接形式，利用电流通过渣池（焊剂）产

生的电阻热将钢筋端部熔化，再施加压力使钢筋焊为一体，是一种压焊方法。

ü       气压焊——利用氧气和乙炔燃烧的火焰为热源，使被连钢筋端头达到热塑状