装配式钢筋混凝土结构中大直径钢筋锚固长度应用研究*

郭 敬，陈文强，丛 峻,，郑山锁，张 磊

(1.中建工程产业技术研究院有限公司，北京 101300； 2.西安建筑科技大学，陕西 西安 710055)

0 引言

我国装配式混凝土结构基于GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015年版)，采用“等同现浇”的设计理念进行设计，梁柱纵向钢筋后浇节点区内锚固长度执行《混凝土结构设计规范》有关规定。装配式混凝土结构梁柱构件预制、节点处施工现场现浇受制于《混凝土结构设计规范》、GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》(2016年版)、JGJ 1—2014 《装配式混凝土结构技术规程》、JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》等，框架结构钢筋最大间距较小，导致装配式框架结构中钢筋布局“细而密”，预制构件现场安装时节点位置钢筋定位难、连接难，施工质量不易保证。装配式混凝土结构中引入大直径钢筋，可减少钢筋接头数量，便于节点处理。然而，大直径钢筋的应用使锚固长度变长，导致截面尺寸大不经济、构件重，大直径钢筋是否需如此长的锚固要求？因此，本文研究了国内外混凝土有关规范及文献，对比分析大直径钢筋基本锚固长度要求，总结现有研究中锚固长度的研究成果，为以大直径钢筋为主筋的梁柱构件构造措施、节点连接设计提供参考。

1 国内外规范关于锚固长度的研究

1.1 国内规范

梁与柱在节点后浇区段连接如图1所示，装配式钢筋混凝土框架结构中，梁柱构件端部、中部及节点位置均存在锚固、搭接构造问题。现有学者普遍认为钢筋直径增大时，钢筋相对肋高减小，对锚固不利，大直径钢筋锚固长度适当加大，当直径>25mm时，锚固长度还应增加10%。国内规范关于锚固长度的研究较早，中国建筑科学研究院开展近千个锚固中心拉拔试验，回归统计得到直锚、机械锚、弯折锚的锚固长度，研究成果为《混凝土结构设计规范》的制定提供了理论依据。但拉拔试验所用钢筋直径小，锚固板薄，计算得到锚固长度较长，一定程度上限制了大直径钢筋的应用。按现行规范反算得到的不同混凝土强度等级梁柱构件最小截面尺寸如图2所示，由于基本锚固长度长，导致截面增加过大，截面不经济，大直径钢筋在预制装配式结构中优势减弱，不利于施工现场节点处理，施工性价比低。

图1 梁与柱在节点后浇区段连接

图2 不同混凝土强度等级下梁柱构件最小截面尺寸

之后，牟晓光[1]、黄余冲[2]、李晓清[3]、陈勇等[4]也对不同钢筋等级、直径的锚固长度进行研究，研究结果表明，锚固长度设计建议值与《混凝土结构设计规范》中锚固长度设计值相比降低10%～40%。经不同学者不同试验验证，钢筋锚固长度降低科学合理。

1.2 国外规范

为对标国外规范，对美国规范(ACI 318-11)[5]、澳大利亚规范(AS 3600—2001)[6]、加拿大规范(CSA A23.3-04)[7]、新西兰规范(NZS 3101)[8]、欧洲规范(Eurocode 2)[9]等关于锚固长度的规定进行研究，各国规范对钢筋锚固长度的规定如图3所示。经研究可知，锚固长度与钢筋直径、钢筋强度等级、混凝土强度等级、保护层厚度及钢筋使用工况有关，各国规范对锚固长度的规定变化规律一致，均为混凝土强度等级提高锚固长度降低，中国、美国和加拿大的规范分别将直径25，19，20mm作为大直径钢筋分界线，且相应增加锚固长度，欧洲、新西兰、澳大利亚及日本的规范对大直径钢筋在混凝土中的锚固长度没有做出特殊规定。基本锚固长度db≥28mm时，我国规范规定的锚固长度处于所有国家锚固长度的中等水平，大直径钢筋在装配式框架结构中锚固长度存在修正空间。

图3 各国规范对钢筋锚固长度的规定

2 锚固长度影响因素研究

钢筋混凝土的结构形式存在已久，国内外关于钢筋混凝土间黏结锚固性能和锚固长度的研究较充分，本文将钢筋锚固长度影响因素归结为以下3类。

2.1 混凝土参数

混凝土对锚固的影响体现在强度指标上，各国学者关于黏结强度和混凝土强度代表性进行了研究，Delso等[10]认为黏结强度与混凝土强度(fc)3/4成正比，徐有邻[11]认为黏结强度与混凝土劈裂强度成正比，Atorod等[12]认为黏结强度与(f′c)1/2成正比，Darwin等[13]认为黏结强度与(f′c)1/4成正比，刘玲利[14]认为黏结强度随混凝土抗拉强度的提高而增大。研究发现，黏结强度与混凝土强度成正比，混凝土强度提高，增加了自身密实度，从而增加胶结力和机械咬合力；同时，混凝土强度提高，开裂应力增加，可延缓内部微裂缝和纵向劈裂裂缝的产生，最终提高黏结强度。

2.2 钢筋参数

我国钢筋对锚固的影响体现在钢筋直径、表面形状、强度指标和保护层厚度上。众多试验研究成果表明[15]，带肋钢筋由于表面有横肋，混凝土楔入其间形成咬合齿，提高其锚固强度[16]。国外规范中钢筋肋形为竹节形，仅对相对肋面积进行要求，钢筋直径增大，相对肋面积增大。我国规范对钢筋肋高、肋间距做出具体规定，各参数随直径变化曲线如图4～6所示。由图4～6可知，直径变大时，相对肋高增大，相对肋间距减小，相对肋面积基本保持不变。黏结性能与相对肋面积成比例关系，钢筋直径变大时，黏结力并不一定降低，锚固长度是否放大值得研究。

图4 钢筋直径-相对肋高变化曲线

图5 钢筋直径-相对肋间距变化曲线

图6 钢筋直径-相对肋面积变化曲线

大量试验研究和仿真分析结果表明[2,17]，钢筋等级增加时锚固长度增大，在装配式混凝土框架结构中，建议钢筋等级≥HRB400。钢筋与混凝土间的黏结强度随混凝土抗压强度及保护层厚度的增大而增大，且与相对保护层厚度(c/d)呈线性关系。当保护层厚度达到5d(极限保护层)时，因发生无劈裂的拔出破坏，黏结锚固强度不再提高。对于大直径钢筋，在相同配筋率下，钢筋间距必然增大，此时可通过增加构造钢筋或箍筋满足构造要求，Harajli等[18]、Hamad等[19]研究成果表明，箍筋可大大提高黏结强度，减缓裂缝开展，防止混凝土的突然劈裂。因此，大直径钢筋梁、柱合理的配筋形式需综合考虑箍筋、构造钢筋的影响。

2.3 其他影响因素

混凝土的振捣方式、浇筑时钢筋位置、浇筑方向、密实度等均会引起黏结强度的变化，该类因素影响复杂，难以量化。

3 结语

装配式框架结构中钢筋布局“细而密”，大幅度增加了预制构件的安装难度，引入大直径钢筋，对解决装配式结构节点连接效率具有重要意义。本文通过分析各国规范关于钢筋锚固长度的规定，充分调研国内外论文，得到以下结论。

1)对于大直径钢筋(d>25mm)，随着钢筋直径增大，月牙纹钢筋的外形参数并不随直径成比例变化，随着直径增大，相对肋高增大，相对肋间距减小，相对肋面积基本保持不变。钢筋直径增大时，黏结强度如何变化需进一步研究。

2)对比国内外规范，我国规范计算所得锚固长度处于中等水平，大直径钢筋在装配式框架结构中锚固长度存在修正空间。

3)装配式框架结构钢筋“细而密”问题凸显，装配式结构中推广应用大直径钢筋，对解决装配式结构节点连接效率、增加施工安全具有重要意义。在推广应用过程中，开展大直径钢筋的锚固长度、大直径钢筋梁柱构件配筋方法等配套研究极其重要。