鋼筋混凝土原理和分析讀書報告
——鋼筋與混凝土的粘結
經過一個學期對《鋼筋混凝土原理與分析》的學習，再加上平時閱讀的一些關于混凝土的書籍和期刊，我對鋼筋混凝土理論有了初步的認識。我選取了自己比較感興趣的一個章節（鋼筋與混凝土的粘結）細細研究了一番，因此我的讀書報告將主要圍繞這一章進行。
一、 內容摘要及自我理解
混凝土是以水泥為主要膠結材料，拌合一定比例的砂、石和水，有時還加入少量的各種添加劑，經過攪拌、注模、養護等工序后，逐漸凝固硬化而成的人工混合材料?；炷恋目箟簭姸群芨?，抗拉強度相對很弱，把鋼材放置在混凝土結構中的主要作用是承受拉力，以彌補混凝土抗拉強度的低下和延性的不足。因此，鋼筋混凝土就是以混凝土為主體，配置不同形式的高抗拉強度的鋼筋所構成的組合材料，兩者的性能互補，成為迄今結構工程中應用最為成功、最廣泛的組合材料。
1.粘結力的組成
首先，鋼筋和混凝土是兩種不同性質的材料，它們為什么能共同工作呢？原因有兩點：其一，混凝土在硬化過程中體積收縮，對鋼筋產生粘結力(亦叫握裹力)；其二，兩者的膨脹系數基本一致 (鋼筋為1．2×10-5；混凝土為1．0×l0-5— 1．4×10-5 )，受溫度影響時，其變動基本相同，不致破壞鋼筋混凝土結構的整體性，而導致兩者脫離。實踐證明，鋼筋和混凝土之所以能共同使用，主要條件就是鋼筋和混凝土的粘結作用。
一個鋼筋混凝土梁只有當鋼筋沿全長與混凝土可靠地粘結，在荷載作用下次梁的鋼筋應力隨截面彎矩而變化，才符合梁的基本受力特點。根據混凝土構件中鋼筋受力狀態的不同，粘結應力狀態可分作兩類問題：（1）鋼筋端部的錨固粘結。在簡支梁支座處的鋼筋端部、梁跨間的主筋搭接或切斷的外伸段等，鋼筋的端頭應力為零，在經過錨固后，鋼筋的應力應能達到其設計強度。(2)裂縫間粘結。受拉構件或梁受拉區的混凝土開裂后，裂縫截面上混凝土退出工作，使鋼筋拉應力增大，但裂縫間截面上混凝土仍承受一定的拉力，鋼筋的應力偏小，鋼筋應力沿縱向發生變化，其表面必有相應的粘結應力分布，粘結應力的存在，是混凝土能鋼筋的平均應變和總變形小于鋼筋單獨受力是的相應變形。
鋼筋和混凝土之間的粘結力或者抗滑移力由三部分組成：
（1）混凝土中的水泥凝膠體在鋼筋表面產生的化學粘著力或吸附力，其抗剪極限值取決于水泥的性質和鋼筋表面的粗糙程度。
（2）周圍混凝土隨鋼筋的摩阻力，當混凝土的粘著力破壞后發揮作用，它取決于混凝土發生收縮或者荷載和反力等對鋼筋的徑向壓應力，以及兩者間的摩擦系數等。
（3）鋼筋表面粗糙不平，或變形鋼筋凸肋和混凝土之間的機械咬合作用，即混凝土對鋼筋表面斜向壓力的縱向分力。
其實粘結力的三部分都與鋼筋表面的粗糙程度和銹蝕程度密切相關，在試驗中很難單獨量測或嚴格區分，而且在鋼筋的不同受力階段，隨著鋼筋滑移的發展，荷載的加卸等各部分的作用也有變化。
2.粘結應力試驗方法
結構中鋼筋粘結部位的受力狀態復雜，很難準確模擬，現有兩類鋼筋拔出試驗方法：
（1）拉式試驗
這是最早的試驗方法，試件一般為菱柱形，鋼筋埋設在其中心，水平方向澆注混凝土。試驗時，試件的一端支承在帶孔的墊板上，試驗機夾持外露鋼筋端施加拉力，直至鋼筋屈服。上述試件的加載端混凝土受到局部擠壓，與結構中鋼筋端部的應力狀態差別大，影響試驗結果的真實性。后來就有人將其改為試件加載端的局部鋼筋與周圍混凝土脫空的試件，這種方法解決了局部擠壓的問題，但是對于配置螺紋鋼筋的試件常會因縱向劈裂破壞。至今各國對這類試驗的標準試件的規定尚不統一。
（2）梁式試驗
梁式試件能更好地模擬鋼筋在兩端的粘結錨固狀況，它分兩半制作，鋼筋在加載端和支座端各有一段無粘結區，中間的粘結長度為10d。梁跨中的拉區為試驗鋼筋，壓區用鉸相連，力臂明確，以便根據試驗荷載準確地計算鋼筋拉力。這種試驗方法的思路是很巧妙，但是我感覺因為那個鉸的存在，會增大的試驗的難度，鋼筋的實際受力情況可能會很復雜。
這兩類試件的試驗結果對比表明，材料和粘結長度相同的試件，拉式試驗比梁式試驗測得的平均粘結強度高，主要是由于兩者的鋼筋周圍混凝土應力狀態不同和混凝土保護層厚度
有差別。
試驗方法雖多，但是試驗測的都是極限拉力，不能直接得到鋼筋拉拔過程中某個位置處的應變值，從而建立鋼筋應變（力）沿長度的分布規律。為了量測粘結應力沿鋼筋埋長的分布，又不破壞其粘結狀態，必須在鋼筋內部布置電阻片。因為如果直接在鋼筋表面貼應變片，那么在鋼筋拉拔過程中就會導致應變片本身損壞；如果用套管將應變片保護起來，又會造成鋼筋與混凝土之間的粘結狀況失真。在鋼筋內股粘貼應變片這種方法雖然操作麻煩，但是能獲得真實可靠的數據。
3.粘結機理研究
光圓鋼筋和變形鋼筋與混凝土的極限粘結強度相差懸殊，粘結機理和破壞形態多有不同，分述如下：
（1）光圓鋼筋
光圓鋼筋的粘結強度在鋼筋滑動前取決于化學粘著力，滑動后則主要取決于摩阻力。光圓鋼筋從混凝土中拔出的過程：當加載初期，鋼筋與混凝土界面上開始受剪時，化學粘著力
起主要作用，此時截面無滑移。隨著拉力的增大，從加載端的粘著力很快被破壞，此時鋼筋只有靠近加載端的一部分受力，粘結應力分布也限于這一段。隨著荷載增大，鋼筋的受力段逐漸加長，粘結應力分布的峰點向自由端移動，加載端滑移加快。當滑移段遍及鋼筋全埋長，粘結應力的峰點很靠近自由端，此時加載端粘結破壞嚴重，粘結應力已很小，鋼筋的應力接近均勻。當自由端達到鋼筋的極限粘結強度時，鋼筋的滑移急速增大拉拔力由鋼筋表面的摩阻力和殘存的咬合力承擔，最終，鋼筋從混凝土中被拔出。光圓鋼筋與混凝土的粘結強度較低，滑移較大，粘結性能較差。
（2）變形鋼筋
變形鋼筋和光圓鋼筋的主要區別是鋼筋表面具有不同形狀的橫肋或斜肋。
一個不配橫向筋的拔出時間，開始受力后鋼筋的加載端局部就因為應力集中而破壞了與混凝土的粘著力，發生滑移。當荷載增大時，鋼筋自由端的粘著力也被破壞，開始出現滑移，加載端的滑移加快增長。
光圓鋼筋拉拔試驗的破壞形態均為鋼筋自混凝土中拔出的剪切破壞，變形鋼筋一般形成劈
裂式破壞。從機理上分析這是因為在拉拔過程中，變形鋼筋表面突出的肋就像混凝土的楔子，對混凝土有擠壓和剪切作用，使得肋前混凝土壓碎，并在肋前形成斜面。作用在斜面上的力沿鋼筋軸線方向的分力為粘結應力的主體，垂直鋼筋軸線方向的分力為徑向擴張力，它在周圍混凝土中產生環形拉應力，導致出現劈裂裂縫。
圖2
圖1
比較光圓鋼筋和變形鋼筋的粘結應力-滑移曲線不難發現，和光圓鋼筋相比，變形鋼筋自由端滑移是的應力值接近，但是應力和極限應力的比值卻大大減小，鋼筋的受力段和滑移段的長度也較早的遍及鋼筋的全埋長。
在光圓鋼筋的粘結應力-滑移曲線中，我發現大概在滑移超過0.25mm的時候加載端的滑動值將小于自由端的滑動值。變形鋼筋的曲線只畫了一部分，再往后延伸，似乎也有自由端滑動值大于加載端滑動值的趨勢。為什么加載端的滑動值會小于自由端地滑動值？其中的鋼筋和混凝土的應力狀態是什么？這個問題我還沒有想到合理的解釋。
4.粘結應力-滑移本構模型
鋼筋混凝土結構有些設計或分析過程中要求應用鋼筋和混凝土間的粘結應力-滑移本構關系，那么首先就要確定其中的兩個特征值，即劈裂應力和極限粘結強度，然后再通過假設做出粘結應力-滑移的本構模型。
（1）劈裂應力
圖3 試件劈裂時的應力狀態
圖3（a）是將鋼筋周圍的混凝土簡化為一厚壁管，劈裂面上得拉應力均勻分布，這是一種半理論半經驗的方法。后來就有人對這種方法提出質疑，因為在徑向裂縫處不可能有應力存在，并且劈裂面的拉應力是非均勻分布，于是就提出了圖3（b）這種應力狀態模型。但是他的這種假設過于繁瑣，后人就又提出了圖3（c）這種應力模型，這種模型既考慮了徑向裂縫處無應力的情況，也對劈裂面的拉應力做了簡化。這些都是在熊老師的提示下，我才在這貌似簡單的圖里看出前人如何發現問題解決問題以及再改進的一系列探索過程。
（2）極限粘結強度
鋼筋與混凝土的平均極限粘結強度，一般用試驗數據的回歸分析式。粘結應力狀態過于復雜，此時已經無法做出粘結應力的模型，只有靠做大量的試驗后得到一個回歸分析式。
5.粘結應力的影響因素
通過大量的試驗我們發現鋼筋和混凝土的粘結性能及各項特征值，受到許多不同因素的影響而變化。
（1）混凝土的強度。 提高混凝土的強度會延遲拔出試件的內裂和劈裂應力，提高極限粘
結強度和粘結剛度。
（2）保護層厚度。 增大保護層厚度，加強了外圍混凝土的抗劈裂能力，能提高試件的劈裂應力和極限粘結強度。
（3）鋼筋埋長。 試件的粘結強度隨埋長的增加而降低，埋長很大的試件，鋼筋加載端達到屈服而不被拔出。
（4）鋼筋的直徑和外形。 直徑越大的鋼筋，相對粘結面積減小，不利于極限粘結強度；肋的外形變化對鋼筋的極限粘結強度值差別不大，對滑移值影響稍大。
（5）橫向箍筋。 拔出試件內配設橫向箍筋，能延遲和約束徑向-縱向劈裂裂縫的開展，阻止劈裂破壞，提高粘結強度。
（6）橫向壓應力。 橫向壓應力作用在鋼筋錨固端，增大了鋼筋和混凝土界面的摩阻力，有利于粘結錨固。
另外，澆注鋼筋混凝土時鋼筋所處的位置及混凝土的密實度、骨料的粒徑、數量和表面形
態等也是影響粘結強度的因素。概括的來說，就是所有與鋼筋和混凝土有關的因素都會影響粘結強度。
二、 心得體會
通過這一個學期對鋼筋混凝土原理與分析的學習，我對這門課以及研究生階段如何學習有了初步的認識。
1.本科階段我學習的是《鋼筋混凝土原理與設計》主要是學習“是什么”，比較簡單概括的講了一下原理，重點在于如何運用某種方法進行計算和設計。研究生階段我學習的是《鋼筋混凝土原理與分析》主要是學習“為什么”，比較詳細的介紹各種原理，以及各種試驗中試件的受力機理分析，重點在于分析前人研究總結這種原理的過程，即解決問題的思想和方法。
2.混凝土是一種非均質、不定向的，且隨時間和環境條件而變化的多相混合材料，因此鋼筋混凝土力學性能復雜多變。在做試驗時，所有與鋼筋和混凝土有關的因素都有可能會影響試驗的結果，所以在進行試驗前應考慮所有影響試驗結果的因素，設置多種對比試件，這樣才能排除次要因素的影響，得出科學真實的結論。
3.鋼筋混凝土內部應力狀態復雜，在對試驗結果進行分析時，時常會做各種簡化假設，巧妙并且貼合實際的假設能避免很多分析上的困難。因此，“如何簡化假設以及為什么這樣簡化假設”將會是我學習和實踐的重要環節之一。
