1.3 钢筋与混凝土的粘结
1.3.1 钢筋与混凝土之间的粘结力
钢筋与混凝土之间的粘结是这两种材料能组成复合构件共同受力的基本前提。一般来说，外力很少直接作用在钢筋上，钢筋所受到的力通常都要通过周围的混凝土来传给它，这就要依靠钢筋与混凝土之间的粘结力来传递。钢筋与混凝土之间的粘结力如果遭到破坏，就会使构件变形增加、裂缝剧烈开展甚至提前破坏。在重复荷载特别是强烈地震作用下，很多结构的毁坏都是由于粘结破坏及锚固失效引起的。
为了加强与混凝土的粘结，钢筋需轧制成有凸缘（肋）的表面。在我国，这种带肋钢筋常轧成月牙肋。
图1-20 钢筋拉拔试验1—加荷端；2—自由端
钢筋与混凝土之间的粘结应力可用拉拔试验来测定，即在混凝土试件的中心埋置钢筋（图1-20），在加荷端拉拔钢筋。沿钢筋长度上的粘结应力τb可由两点之间的钢筋拉力的变化除以钢筋与混凝土的接触面积来计算。即
式中 Δσs——单位长度上钢筋应力变化值；
As——钢筋截面面积；
u——钢筋周长；
d——钢筋直径。
测量钢筋沿长度方向各点的应变，就可得到钢筋应力σs图及粘结应力τb图，图1-21为一拉拔试验的实测结果。
图1-21 钢筋应力及粘结应力图
（a）
13光圆钢筋；（b）
13带肋钢筋
从试验可以看出，对于光圆钢筋，随着拉拔力的增加，τb图形的峰值位置由加荷端向内移动，临近破坏时，移至自由端附近，同时τb图形的长度（有效埋长）也达到了自由端。对于带肋钢筋，τb图形的峰值位置始终在加荷端附近，有效埋长增加得也很缓慢。这说明带肋钢筋的粘结强度大得多，钢筋中的应力能够很快向四周混凝土传递。
试验表明，光圆钢筋的粘结力由三部分组成：①水泥凝胶体与钢筋表面之间的胶结力；②混凝土收缩，将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力；③钢筋表面不平整与混凝土之间产生的机械咬合力。带肋钢筋的粘结力除了胶结力与摩擦力等以外，更主要的是钢筋表面凸出的横肋对混凝土的挤压力（图1-22）。
图1-22 钢筋横肋对混凝土的挤压力
1—钢筋凸肋上的挤压力；2—内部裂缝
影响粘结强度的因素除了钢筋的表面形状以外，还有混凝土的抗拉强度、浇筑混凝土时钢筋的位置、钢筋周围的混凝土厚度等：
（1）光圆钢筋与带肋钢筋的粘结强度都随混凝土强度的提高而提高，大体上与混凝土的抗拉强度成正比。
（2）浇筑混凝土时钢筋的位置不同，其周围的混凝土的密实性不一样，也会影响到粘结强度的大小。如浇筑层过深，钢筋底面的混凝土会出现沉淀和离析泌水，气泡逸出，使混凝土与水平放置的钢筋之间产生强度较低的疏松空隙层，从而削弱钢筋与混凝土之间的粘结。
（3）试验表明，当钢筋的埋长（锚固长度）不足时，有可能发生拔出破坏。带肋钢筋与混凝土的粘结强度比光圆钢筋的大得多，只要带肋钢筋是埋在大体积混凝土中，而且有一定的埋长，就不至于发生拔出破坏。但带肋钢筋受力时，在钢筋凸肋的角端上，混凝土会发生内部裂缝（图1-22），如果钢筋周围的混凝土层过薄，就会发生由于混凝土撕裂裂缝的延展而导致的破坏，如图1-23所示。因而，钢筋之间的净间距与混凝土保护层厚度都不能太小。
图1-23 混凝土的撕裂裂缝
1.3.2 钢筋的锚固
为了保证钢筋在混凝土中锚固可靠，设计时应该使受拉钢筋在混凝土中有足够的锚固长度。当截面上受拉钢筋的强度被充分利用时，则钢筋从该截面起的锚固长度要大于最小锚固长度la。最小锚固长度la可根据钢筋应力达到屈服强度fy时，钢筋才被拔动的条件确定。即
式中
——锚固长度范围内的平均粘结应力，与混凝土强度及钢筋表面形状有关。
从式（1-12）可知，钢筋强度越高，直径越粗，混凝土强度越低，则锚固长度要求越长。根据式（1-12）的原则，水工混凝土结构设计规范给出了最小锚固长度la取值，见本教材附录4表2，它和钢筋种类、钢筋直径及混凝土强度等级有关。
如截面上受拉钢筋的强度未被充分利用，则钢筋从该截面起的锚固长度可小于最小锚固长度la。对于受压钢筋，由于钢筋受压时会侧向鼓胀，对混凝土产生挤压，增加了粘结力，所以它的锚固长度可以短些。
为了保证光圆钢筋粘结强度的可靠性，规范还规定绑扎骨架中的受力光圆钢筋应在末端做成180°弯钩，如图1-24所示。
带肋钢筋及焊接骨架中的光圆钢筋由于其粘结力较好，可不做弯钩。轴心受压构件中的光圆钢筋也可不做弯钩。
图1-24 钢筋的弯钩
1.3.3 钢筋的接头
出厂的钢筋，为了便于运输，除小直径的盘条外，一般为长约10～12m左右的直条。在实际使用过程中，往往会遇到钢筋长度不足，这时就需要把钢筋接长至设计长度。
接长钢筋有三种办法：绑扎搭接、焊接、机械连接。
钢筋的接头位置宜设置在构件受力较小处，并宜相互错开。
图1-25 钢筋绑扎塔接接头
绑扎接头是在钢筋搭接处用铁丝绑扎而成（图1-25）。采用绑扎搭接接头时，钢筋间力的传递是依靠钢筋与混凝土之间的粘结力，因此必须有足够的搭接长度。与锚固长度一样，钢筋强度越高和直径越大，要求的搭接长度就越长。规范规定纵向受拉钢筋搭接长度ll应满足ll≥ζla及ll≥300mm，其中，la为受拉钢筋的最小锚固长度，ζ为纵向受拉钢筋搭接长度修正系数，按表1-2取值。受压钢筋的搭接长度应满足
及
。
表1-2 纵向受拉钢筋搭接长度修正系数
轴心受拉或小偏心受拉以及承受振动的构件中的钢筋接头，不得采用绑扎搭接。当受拉钢筋直径d>28mm或受压钢筋d>32mm时，不宜采用绑扎搭接接头。
焊接接头是在两根钢筋接头处焊接而成。钢筋直径d≤28mm的焊接接头，最好用对焊机将两根钢筋直接对头接触电焊（即闪光对焊）如图1-26（a）所示或用手工电弧焊搭接如图1-26（b）所示。d≥28mm且直径相同的钢筋，可采用将两根钢筋对头外加钢筋帮条的电弧焊接方式如图1-26（c）所示。焊接接头的长度及帮条截面面积必须符合混凝土结构设计规范的规定。
粗钢筋的连接还可采用气压焊或电渣压力焊。气压焊是先用夹具把两根钢筋定位固定，然后用梅花状多嘴环管喷射的液化石油气火焰对两根钢筋端头进行加热使钢筋端头熔化，再用液压千斤顶顶压使两根钢筋对接起来，该方法的不足之处在于仅适用横向钢筋的焊接。电渣压力焊是我国首创的、适用于竖向钢筋连接的一种焊接方法，它利用电流通过两根钢筋端部之间所产生的电弧热和通过焊接渣池产生的电阻热，将钢筋端部熔化，待到达一定程度，施加压力，使两根钢筋紧密地结合在一起，如图1-26（d）所示。
图1-26 钢筋焊接接头
机械连接接头可分为挤压套筒接头和螺纹套筒接头两大类。钢筋挤压套筒接头可适用于直径18～40mm各种类型的带肋钢筋，其连接方法是在两根待连接的钢筋端部套上钢套管，然后用大吨位便携式钢筋挤压机挤压钢套管，使之与带肋钢筋紧紧地咬合在一起，形成牢固接头。螺纹套筒接头是由专用套丝机在钢筋端部套成螺纹，然后在施工作业现场用螺纹套筒旋接，并采用专用测力扳手拧紧。螺纹套筒接头又可分为锥螺纹接头、镦粗直螺纹接头、滚压直螺纹接头等。图1-27为一锥螺纹接头，可连接直径16～40mm的HPB300、HRB335、HRB400同径或异径钢筋。
机械连接接头具有工艺操作简单，接头性能可靠，连接速度快，施工安全等特点。特别是用于大型水工混凝土结构中的过缝钢筋连接时，钢筋不会像焊接接头那样出现残余温度应力。机械连接接头目前已在实际工程中得到了较多的应用。
机械连接接头按力学性能可分为Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级，其选用及布置应符合有关规范的规定。
图1-27 锥螺纹钢筋的连接示意图
1—上钢筋；2—下钢筋；3—套筒（内有凹螺纹）
[1] 《钢筋混凝土用钢 第1部分：热轧光圆钢筋》（GB 1499.1—2008）.北京：中国标准出版社，2008.
[2] 《钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋》（GB 1499.2—2007）.北京：中国标准出版社，2007.
[3] 过去常用5mm×5mm方钢垫条，所测得的抗拉强度一般均小于直接受拉法测得的强度。有的研究单位建议垫条改用18mm的扁铁。国际材料与结构试验研究协会（RILEM）建议垫条采用胶合板或硬纸板，宽15mm厚4mm。当采用立方体试块时，垫条与试验机上下压板之间再安放有曲面的钢块，曲面直径为75mm。
[4] 如参考文献［25］、［26］。
[5] 如参考文献［25］、［26］。
[6] 如参考文献［27］。