鋼—混凝土光滑界面粘結(jié)性能研究

劉錫軍，李艷慧，楊 芳，王玉梅

（湖南科技大學(xué) 土木工程施工過程與質(zhì)量安全控制湖南省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭411201）

0 前 言

隨著鋼混組合結(jié)構(gòu)在各項(xiàng)工程中越來越廣泛的應(yīng)用，對(duì)于其性能的實(shí)驗(yàn)和理論研究也日趨深入和完善.兩種不同材料間的粘結(jié)力是保證鋼混結(jié)構(gòu)共同工作的前提，所以對(duì)于鋼——混凝土粘結(jié)滑移性能的研究一直是很多國內(nèi)外學(xué)者不斷探討和研究的方向，目前關(guān)鍵要突破的是對(duì)于鋼——混凝土內(nèi)部（界面上）的粘結(jié)應(yīng)力分布情況的研究.

鋼構(gòu)件與混凝土界面有光滑界面和非光滑界面之分，鑒于光圓鋼筋和變形鋼筋與混凝土界面粘結(jié)滑移的分析，可以簡單定義光滑界面為鋼構(gòu)件表面光滑平整，沒有橫肋或斜肋，與混凝土間粘結(jié)的機(jī)械咬合力并不突出.比較典型的鋼混組合結(jié)構(gòu)粘結(jié)性能的研究有型鋼混凝土、鋼管混凝土、壓型鋼板混凝土三種形式.其中，型鋼與混凝土界面就屬于光滑界面.它們與混凝土間粘結(jié)作用都遠(yuǎn)小于鋼筋與混凝土的粘結(jié)作用，國內(nèi)外的試驗(yàn)研究表明，型鋼、鋼管與混凝土的粘結(jié)作用大約只相當(dāng)于光圓鋼筋與棍凝土的粘結(jié)作用的45%［1］，但是它們的粘結(jié)機(jī)理相類似，主要由三部分組成：混凝土中水泥膠體與型鋼表面的化學(xué)膠結(jié)力、接觸面上的摩擦阻力和機(jī)械咬合力.所以鋼－混凝土光滑界面粘結(jié)性能研究中比較典型的就是型鋼混凝土間的粘結(jié)作用.

1 試驗(yàn)方法

在鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)性能研究中，梁式試驗(yàn)和柱式試驗(yàn)是比較常用的方法.根據(jù)組合構(gòu)件對(duì)性能研究的不同要求選擇適合的試驗(yàn)方法［2］.

從以往研究中可以發(fā)現(xiàn)，采用梁式試驗(yàn)研究型鋼與混凝土之間粘結(jié)滑移性能的基礎(chǔ)性試驗(yàn)較少，形式一般限于型鋼混凝土梁式試驗(yàn)和鋼混組合梁試驗(yàn)兩種.

柱式結(jié)構(gòu)在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較為廣泛，相關(guān)柱式試驗(yàn)類型也較多，常見類型及各自特點(diǎn)如表1所示.

表1 柱式試驗(yàn)常見類型

2 界面粘結(jié)應(yīng)力分布

2.1 型鋼——混凝土界面沿錨固長度粘結(jié)應(yīng)力分布

鋼——混凝土構(gòu)成一種組合材料的基本條件是二者間可靠的粘結(jié)和錨固.因此，國內(nèi)外對(duì)界面粘結(jié)應(yīng)力作用進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究［3－6］，一般我們也將這種粘結(jié)作用稱為界面的剪力傳遞作用.在早期研究中，由于試驗(yàn)條件和理論的不完善，粘結(jié)強(qiáng)度均是采用平均粘結(jié)強(qiáng)度代替，認(rèn)為粘結(jié)應(yīng)力沿整個(gè)型鋼混凝土界面是均勻的，而實(shí)際上它的分布并不是均勻的，所以這種假設(shè)使得研究具有局限性，不能很好反映出粘結(jié)應(yīng)力的分布規(guī)律.Roeder［3－4］首次考慮了粘結(jié)應(yīng)力沿錨固長度上的變化，采用壓入試驗(yàn)的試驗(yàn)方法，與其他試驗(yàn)不同的是他在型鋼翼緣上布置了大量電阻應(yīng)變片，通過粘結(jié)應(yīng)力與型鋼表面應(yīng)力成正比的關(guān)系，得出結(jié)論，在界面發(fā)生相對(duì)滑移之前，粘結(jié)應(yīng)力沿錨固長度呈指數(shù)分布；而發(fā)生滑移之后，粘結(jié)應(yīng)力的分布則接近于一個(gè)常數(shù).這一結(jié)論也在學(xué)者Wium［5］的試驗(yàn)中得到論證.

近年來，對(duì)于界面粘結(jié)應(yīng)力分布規(guī)律有了更加深入的理論和試驗(yàn)研究.2009年鄭山鎖通過試驗(yàn)觀測分析得出粘結(jié)應(yīng)力分布模型如圖1所示［6］，從圖中可以看出，在粘結(jié)彈性階段，粘結(jié)應(yīng)力沿錨固長度方向呈現(xiàn)指數(shù)分布趨勢；粘結(jié)軟化階段，界面的剪力傳遞作用自加載端開始逐步降低.

圖1 粘結(jié)應(yīng)力分布模型

對(duì)于加載初期，粘結(jié)應(yīng)力呈指數(shù)分布的理論分析中，鄭山鎖［7］、趙根田［8］采用了拉拔試驗(yàn)方法研究型鋼混凝土粘結(jié)滑移性能，通過材料力學(xué)理論推得界面粘結(jié)應(yīng)力沿錨固長度分布公式：

其中，As、u為型鋼各部分的平均面積和周長；Es為型鋼彈性模量；εmax為試件加載端（即錨固長度x＝0）處的型鋼表面的局部最大應(yīng)變值；k1為粘結(jié)應(yīng)變指數(shù)特征值.鄭建議取k1＝0.0130－0.005l0（l0單位 m）；趙建議k1取值0.0059.

相對(duì)比，殷小溦［9］則是運(yùn)用推出試驗(yàn)方法，通過對(duì)型鋼單元體進(jìn)行受力分析，采用最小勢能原理從理論上進(jìn)行推導(dǎo)，根據(jù)平衡方程及推導(dǎo)得到的相對(duì)滑移公式確定具體參數(shù)，最終得到彈性范圍內(nèi)型鋼混凝土滑移曲線沿試件縱長的分布規(guī)律及其數(shù)學(xué)表達(dá)式：

A、B為待定系數(shù)，由（3）式和（4）式聯(lián)立確定.

其中，S（L）、S（0）分別為自由端滑移、加載端滑移

Es、As為型鋼的彈性模量和橫截面積；Cs為型鋼橫截面周長；Ec、Ac為混凝土的彈性模量和橫截面積；

2.2 兩種公式的比較與分析

文獻(xiàn)［10］研究和探討了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中型鋼與混凝土之間的相互作用和粘結(jié)滑移機(jī)理，做了大量推出試驗(yàn)，得出了很多有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論參數(shù)，我們將取其中兩組數(shù)據(jù)對(duì)兩種公式下粘結(jié)應(yīng)力分布曲線進(jìn)行分析比較.

理論參數(shù)有：Ec＝32500N／mm2，Es＝209000 N／mm2，Ac＝71638mm2，As＝3211mm2，Cs＝547 mm，L＝740mm.

運(yùn)用MATLAB繪圖如下：

圖2 p＝205kN荷載下粘結(jié)應(yīng)力分布

圖3 p＝410kN荷載下粘結(jié)應(yīng)力分布

從圖2和圖3可以看出，兩種不同荷載作用下，按趙所建議的k1值時(shí)繪制曲線與實(shí)測曲線吻合較好.所以在兩公式比較時(shí)k1取值0.0059.

將公式（1）和能量法計(jì)算公式（2）比較如圖4所示.

圖4 粘結(jié)應(yīng)力分布曲線

對(duì)圖4進(jìn)行分析可以得出以下結(jié)論：

（1）兩種公式繪制的沿錨固長度粘結(jié)應(yīng)力的分布規(guī)律曲線與實(shí)測結(jié)果擬合曲線形式上基本一致，但能量法公式與實(shí)際吻合程度最優(yōu)，低荷載作用下幾乎完全吻合.

（2）趙所推公式在低荷載作用時(shí)也能較好反應(yīng)粘結(jié)應(yīng)力分布情況，但隨著荷載上升，曲線加載端粘結(jié)應(yīng)力與實(shí)測值偏離較大.

（3）由此可以初步得出結(jié)論：在加載初期，即彈性工作階段，不論是推出試驗(yàn)還是拉拔試驗(yàn)采用能量法理論所推公式計(jì)算沿錨固長度粘結(jié)應(yīng)力的分布更為合理.

［1］ 趙鴻鐵.鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.

［2］ 鄧國專.型鋼混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)滑移性能試驗(yàn)研究與基本理論分析［D］.西安建筑科技大學(xué)碩士論文，2005.

［3］ Roeder Charles W.Composite and Mixed Construction［M］.Published by ASCE，1984.

［4］ Roeder Charles W，Chmielowski Robert，Brown Colin B Shear Connector Requirements for Embedment Stee Sections［J］.Journal of Structural Engineering，ASCE 1999，125（2）：142―151.

［5］ Wium Jan A，Lebet Jean－Paul.Simplified Calculation Method for Force Transfer in Composite Columns［J］.Journal of Structural Engineering，ASCE，1992，120（3）728―745.

［6］ 鄭山鎖，李 磊，王 斌，等.型鋼與混凝土界面剪力傳遞能力［J］.工程力學(xué)，2009，（3）.

［7］ 鄭山鎖，鄧國專，楊 勇.型鋼混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)滑移性能試驗(yàn)研究［J］.工程力學(xué)，2003，20（5）：63―69.

［8］ 趙根田，李永和，楊麗梅.型鋼與混凝土的粘結(jié)性能研究［J］.包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，（4）.

［9］ 殷小溦.型鋼混凝土粘結(jié)－滑移推出試驗(yàn)的理論分析［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2010，（3）.

［10］薛建陽，趙鴻鐵.型鋼混凝土粘結(jié)滑移理論及其工程應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.