型鋼混凝土應(yīng)力傳遞與黏結(jié)破壞機(jī)理分析

伍 凱，曹平周，薛建陽(yáng)，趙鴻鐵，葛鴻鵬

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京 210098;2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安 710055;3.中國(guó)建筑西北設(shè)計(jì)研究院，陜西西安 710003)

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是由力學(xué)性能截然不同的2種材料組成，黏結(jié)作用使兩者能夠共同受力［1-2］。這種作用實(shí)現(xiàn)了混凝土與型鋼之間的應(yīng)力傳遞，從而在型鋼與混凝土中建立起結(jié)構(gòu)承載所需的工作應(yīng)力。外荷載作用下，混凝土與型鋼之間會(huì)產(chǎn)生由兩者變形差引起的相對(duì)滑移。與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相似，型鋼與混凝土之間的黏結(jié)作用是型鋼混凝土結(jié)構(gòu)承載受力的基本前提，黏結(jié)滑移性能是型鋼混凝土結(jié)構(gòu)理論中最重要的基本問(wèn)題。黏結(jié)裂縫的出現(xiàn)與發(fā)展不僅會(huì)降低構(gòu)件的受力性能，而且會(huì)導(dǎo)致混凝土的嚴(yán)重?fù)p傷［3-6］。

出于對(duì)型鋼混凝土黏結(jié)滑移的不同考慮，各國(guó)關(guān)于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)存在較大差異:日本的規(guī)范是基于累加強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法，它完全忽略混凝土與型鋼共同工作的有利影響，計(jì)算結(jié)果偏于保守;前蘇聯(lián)所采用的計(jì)算方法是將型鋼離散為鋼筋，認(rèn)為由型鋼構(gòu)成的勁性鋼筋能與混凝土共同工作直到構(gòu)件破壞，忽略了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在受力后期明顯的黏結(jié)滑移現(xiàn)象，計(jì)算結(jié)果偏于不安全;歐美的設(shè)計(jì)規(guī)范主要是以試驗(yàn)與數(shù)值分析為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)公式。筆者以型鋼混凝土標(biāo)準(zhǔn)推出試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究型鋼與混凝土之間的黏結(jié)性能與應(yīng)力傳遞。

1 推出試驗(yàn)的應(yīng)力傳遞分析

一般認(rèn)為型鋼與混凝土的黏結(jié)作用主要由化學(xué)膠結(jié)力、摩擦阻力和機(jī)械咬合力3部分組成。與鋼筋相比，型鋼與混凝土的接觸面積大，且為空間構(gòu)件，截面形狀相對(duì)復(fù)雜，因此型鋼與混凝土之間的黏結(jié)必須考慮3個(gè)方向(縱向、橫向和法向)的作用，而現(xiàn)有的研究主要集中在縱向的黏結(jié)作用，沒(méi)有或很少考慮接觸面法向與橫向的相互作用［7-9］。筆者通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)推出試驗(yàn)(push-out test)建立型鋼混凝土的應(yīng)力傳遞模型，用于分析型鋼與混凝土之間的黏結(jié)作用。

圖1為推出試驗(yàn)的應(yīng)力傳遞模型。當(dāng)軸向壓力較小時(shí)，型鋼與混凝土尚未產(chǎn)生滑移，型鋼與混凝土的接觸面上存在沿縱向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，此時(shí)化學(xué)膠結(jié)力發(fā)揮作用(這里的化學(xué)膠結(jié)力包括接觸表面的靜摩擦阻力);隨著軸向壓力的增大，型鋼與混凝土之間產(chǎn)生相對(duì)滑移，此時(shí)化學(xué)膠結(jié)力失效，機(jī)械咬合力產(chǎn)生，接觸表面的靜摩擦阻力由滑動(dòng)摩擦阻力取代。型鋼在軸向壓力作用下的泊松效應(yīng)將在型鋼和混凝土之間產(chǎn)生相互擠壓作用，而擠壓力的存在是產(chǎn)生摩擦阻力和機(jī)械咬合力的重要條件。型鋼通過(guò)接觸面上縱向的黏結(jié)力τ與法線方向的擠壓力σc在混凝土內(nèi)部形成具有一定傾角的壓應(yīng)力流，外部荷載通過(guò)壓應(yīng)力流由型鋼傳遞到混凝土并最終達(dá)到底部支座，與底部的支撐力平衡。型鋼沿縱向逐步將軸向壓力傳遞到混凝土，因此型鋼的泊松效應(yīng)自上而下逐步減小，型鋼與混凝土的擠壓作用也呈現(xiàn)從上到下遞減的現(xiàn)象，這必然導(dǎo)致壓應(yīng)力流沿縱向存在著較為嚴(yán)重的不均勻性，靠近上端部(荷載施加端)的壓應(yīng)力流較大，靠近底部支座壓應(yīng)力流較小。壓應(yīng)力流的不均勻性也反映出在整個(gè)推出試驗(yàn)過(guò)程中黏結(jié)應(yīng)力分布不均勻。國(guó)內(nèi)外關(guān)于型鋼混凝土黏結(jié)性能的試驗(yàn)研究均表明，在推出受力狀態(tài)下，型鋼的應(yīng)變沿錨固長(zhǎng)度呈指數(shù)分布，型鋼應(yīng)力達(dá)不到屈服強(qiáng)度，一般處于彈性階段，型鋼應(yīng)力呈指數(shù)分布。黏結(jié)應(yīng)力是型鋼應(yīng)力的微分，同樣呈指數(shù)分布，但是當(dāng)荷載增大到一定程度時(shí)，黏結(jié)應(yīng)力沿錨固長(zhǎng)度的分布趨于常數(shù)［10-11］。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)推出試驗(yàn)應(yīng)力傳遞模型Fig.1 Stress transfer model in standard push-out test

2 型鋼混凝土的黏結(jié)破壞過(guò)程及其破壞機(jī)理

2.1 黏結(jié)破壞過(guò)程

以型鋼混凝土推出試驗(yàn)來(lái)表述型鋼混凝土的黏結(jié)破壞過(guò)程。試驗(yàn)開(kāi)始階段，荷載值相對(duì)較小，加載端和自由端均無(wú)滑移產(chǎn)生。當(dāng)荷載增大到最大荷載的40%～80%時(shí)，加載端出現(xiàn)滑移，翼緣混凝土保護(hù)層厚度較小的試件在加載端側(cè)面出現(xiàn)裂縫，而保護(hù)層較大的試件未出現(xiàn)裂縫。繼續(xù)增加荷載，加載端滑移得到充分發(fā)展，裂縫迅速擴(kuò)展，從加載端貫通至自由端，并且在加載端和自由端形成細(xì)小的分支裂縫，而其他側(cè)面則出現(xiàn)新的縱向劈裂裂縫。當(dāng)達(dá)到最大荷載時(shí)，荷載突然下降20%～40%，加載端滑移迅速發(fā)展，自由端也開(kāi)始滑移。隨著加載端和自由端滑移的迅速增加，荷載下降卻相對(duì)緩慢，最后趨于水平，形成一個(gè)明顯的臺(tái)階，此時(shí)裂縫發(fā)展迅速，裂縫寬度逐漸加大，側(cè)面的分支裂縫相互貫通，最后加載端角部混凝土出現(xiàn)大片剝落。

2.2 黏結(jié)破壞機(jī)理

對(duì)于型鋼混凝土黏結(jié)破壞時(shí)的裂縫形態(tài)主要有圖2所示的5種方式。為了更好地說(shuō)明型鋼混凝土黏結(jié)破壞機(jī)理，圖3在應(yīng)力傳遞模型的基礎(chǔ)上給出了推出試驗(yàn)的桁架模型，以壓桿表示壓應(yīng)力流，箍筋作為拉桿，而縱筋在不同位置表現(xiàn)出不同的拉壓特性?？v筋的應(yīng)力由兩部分組成:型鋼頂面的軸心壓力與混凝土底部的支持力形成力偶，因此混凝土承擔(dān)一定的彎矩，這使縱筋具有一定的拉應(yīng)力σst;壓應(yīng)力流在豎向的分力使縱筋承擔(dān)了一定的壓應(yīng)力σsc，σsc在混凝土頂面為0，自上而下逐漸增大，σst-σsc即為縱筋的實(shí)際應(yīng)力。靠近加載端，σsc較小，σst-σsc＞0，縱筋受拉并表現(xiàn)出“懸吊”作用，此時(shí)同截面混凝土沿軸線方向同樣承擔(dān)拉應(yīng)力，導(dǎo)致試件由加載端開(kāi)始滑移;靠近支撐端，σsc增大，σst-σsc＜0，縱筋受壓，相應(yīng)位置處的黏結(jié)滑移相對(duì)滯后。圖3給出了橫截面上鋼與混凝土的相互擠壓以及由此產(chǎn)生的截面應(yīng)力，壓應(yīng)力流由型鋼翼緣外側(cè)傳遞到箍筋的角點(diǎn)，使型鋼外側(cè)混凝土沿2個(gè)正交的水平方向產(chǎn)生拉力，拉力是混凝土黏結(jié)開(kāi)裂的主要原因?；炷灵_(kāi)裂前主要由型鋼外側(cè)混凝土充當(dāng)拉桿的作用，而開(kāi)裂后則主要由箍筋承擔(dān)。

圖2 型鋼混凝土黏結(jié)破壞裂縫Fig.2 Bond cracks of steel reinforced concrete

黏結(jié)破壞的產(chǎn)生與型鋼和混凝土接觸面上縱向黏結(jié)力的大小有直接的關(guān)系。如果縱向黏結(jié)力τ=0，此時(shí)型鋼與混凝土相互之間沒(méi)有任何約束，當(dāng)壓力作用在型鋼頂面時(shí)，型鋼和混凝土可以自由地相互運(yùn)動(dòng)，這時(shí)不存在σc，也不存在因相互擠壓作用而產(chǎn)生的水平拉應(yīng)力，因此不會(huì)導(dǎo)致黏結(jié)破壞的產(chǎn)生;隨著型鋼與混凝土黏結(jié)作用的增強(qiáng)，縱向黏結(jié)力τ增大，如果不考慮由于τ的增大而導(dǎo)致壓應(yīng)力流角度的改變，那么σc線性增大，水平拉應(yīng)力相應(yīng)增大，更容易導(dǎo)致黏結(jié)破壞的發(fā)生。由于壓應(yīng)力流沿縱向存在著較為嚴(yán)重的不均勻性，由壓應(yīng)力流產(chǎn)生的水平方向的拉力沿縱向同樣是不均勻的?？拷虞d端的壓應(yīng)力流較大，型鋼外側(cè)混凝土的2個(gè)正交方向有較大的拉力，因此推出試件的破壞多產(chǎn)生在加載端，混凝土達(dá)到抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生的劈裂是破壞的主要原因。

桁架模型可以合理說(shuō)明型鋼混凝土黏結(jié)破壞的5種方式:在型鋼翼緣肢尖與截面相應(yīng)角點(diǎn)的連線方向，混凝土在水平方向處于雙向受拉的應(yīng)力狀態(tài)，是黏結(jié)裂縫發(fā)展的主要方向，而此方向黏結(jié)裂縫的充分發(fā)展正是導(dǎo)致角部混凝土剝落的主要原因，如圖2(a)(b)所示;型鋼翼緣與混凝土接觸面的黏結(jié)作用(更準(zhǔn)確地說(shuō)應(yīng)該是型鋼與混凝土之間沿翼緣法線的黏結(jié)力)相對(duì)于混凝土抗拉強(qiáng)度較小，如果將其忽略不計(jì)，則此界面上單側(cè)實(shí)際承擔(dān)拉力的混凝土截面寬度僅為(b-bf)/2，其中b為截面寬度，bf為翼緣寬度。由于承擔(dān)拉力的截面較小，此截面更容易產(chǎn)生黏結(jié)破壞，應(yīng)力狀態(tài)最為復(fù)雜的翼緣肢尖成為黏結(jié)裂縫的起始位置，圖2(a)到圖2(d)的黏結(jié)破壞均由翼緣肢尖處的黏結(jié)開(kāi)裂導(dǎo)致;在正交的另一個(gè)方向上，單側(cè)承擔(dān)拉力的截面寬度為翼緣的保護(hù)層厚度css，其厚度決定了這個(gè)方向是否會(huì)產(chǎn)生黏結(jié)裂縫，這就是型鋼翼緣混凝土保護(hù)層厚度較小的試件加載端側(cè)面較早出現(xiàn)裂縫的原因，而保護(hù)層較厚的試件很少出現(xiàn)裂縫。假定壓應(yīng)力流在2個(gè)正交方向上產(chǎn)生的拉力相等，則當(dāng)css＜(b-bf)/2時(shí)存在型鋼翼緣外側(cè)混凝土保護(hù)層受拉開(kāi)裂的可能，如圖2(a)(e)所示。

圖3 推出試驗(yàn)的桁架模型Fig.3 Truss model of bond failure

3 黏結(jié)強(qiáng)度的主要影響因素

在型鋼混凝土黏結(jié)滑移試驗(yàn)研究中，一般取外加荷載在型鋼與混凝土連接面總面積上的平均值為黏結(jié)應(yīng)力，對(duì)應(yīng)的取外加荷載達(dá)到最大荷載時(shí)的黏結(jié)應(yīng)力為型鋼混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度。由于型鋼混凝土的實(shí)際黏結(jié)應(yīng)力沿錨固長(zhǎng)度方向是變化的，因此所謂的黏結(jié)強(qiáng)度實(shí)際為型鋼與混凝土的平均黏結(jié)強(qiáng)度，但在工程應(yīng)用中，一般以此強(qiáng)度作為型鋼混凝土黏結(jié)強(qiáng)度。混凝土強(qiáng)度、型鋼翼緣的保護(hù)層厚度、配箍率、型鋼的錨固長(zhǎng)度是影響?zhàn)そY(jié)強(qiáng)度的主要因素［12-13］。下面以型鋼混凝土的黏結(jié)破壞機(jī)理分析和解釋不同因素對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響。

a.混凝土強(qiáng)度。型鋼混凝土的黏結(jié)破壞主要由型鋼外側(cè)混凝土的受拉破壞控制，型鋼外側(cè)混凝土所能承擔(dān)的拉力決定了最大荷載的大小，因此型鋼混凝土黏結(jié)強(qiáng)度與混凝土抗拉性能存在密切關(guān)系，隨著混凝土強(qiáng)度的增大而提高。

b.型鋼翼緣的保護(hù)層厚度。型鋼翼緣的保護(hù)層厚度決定了混凝土對(duì)型鋼的握裹作用。隨著型鋼翼緣保護(hù)層厚度的增加，混凝土保護(hù)層所能承擔(dān)的拉力逐漸增大，極限荷載和黏結(jié)強(qiáng)度相應(yīng)提高。當(dāng)保護(hù)層增加到一定程度將不會(huì)產(chǎn)生沿型鋼翼緣外側(cè)的混凝土受拉破壞，黏結(jié)破壞的裂縫形態(tài)發(fā)生變化。

c.配箍率。在混凝土受拉開(kāi)裂之前，配箍率對(duì)黏結(jié)應(yīng)力的作用不明顯。在混凝土受拉開(kāi)裂后，箍筋同未開(kāi)裂的混凝土共同承擔(dān)拉力，在一定程度上延緩了裂縫的發(fā)展并保證了混凝土對(duì)型鋼的握裹作用，因此配箍率的增加可以有效提高黏結(jié)破壞后的殘余黏結(jié)力。

d.型鋼錨固長(zhǎng)度。隨著型鋼錨固長(zhǎng)度的增加，試件能承受的極限荷載增大，而鋼與混凝土接觸面的黏結(jié)強(qiáng)度減小。隨著型鋼錨固長(zhǎng)度的增加，在更大范圍內(nèi)存在黏結(jié)作用，沿縱向有更多的壓應(yīng)力流產(chǎn)生，因此最大荷載增大;另一方面，應(yīng)壓力流的不均勻性隨型鋼錨固長(zhǎng)度的增加而更加嚴(yán)重，導(dǎo)致黏結(jié)應(yīng)力沿縱向分布不均勻，更多的接觸面積在黏結(jié)破壞時(shí)無(wú)法充分發(fā)揮黏結(jié)作用，因此即使最大荷載增大，黏結(jié)強(qiáng)度也會(huì)降低。

4 結(jié) 語(yǔ)

a.型鋼與混凝土之間的黏結(jié)作用是型鋼混凝土結(jié)構(gòu)承載受力的基本前提。為了更好地說(shuō)明型鋼與混凝土之間的黏結(jié)作用，建立了標(biāo)準(zhǔn)推出試驗(yàn)的應(yīng)力傳遞模型，型鋼通過(guò)接觸面上切線方向的黏結(jié)力與法線方向的擠壓力在混凝土內(nèi)部形成具有一定傾角的壓應(yīng)力流，外部荷載通過(guò)壓應(yīng)力流由型鋼傳遞到混凝土并最終達(dá)到底部支座。

b.在應(yīng)力傳遞模型的基礎(chǔ)上給出了推出試驗(yàn)的桁架模型，利用桁架模型研究了型鋼混凝土黏結(jié)破壞機(jī)理，分析了型鋼混凝土黏結(jié)破壞5種裂縫形態(tài)的成因。混凝土內(nèi)部的壓應(yīng)力流使型鋼外側(cè)混凝土沿2個(gè)正交的水平方向產(chǎn)生拉應(yīng)力，而拉應(yīng)力的產(chǎn)生是混凝土黏結(jié)開(kāi)裂并最終導(dǎo)致黏結(jié)破壞的主要原因。

c.混凝土強(qiáng)度、型鋼翼緣保護(hù)層厚度、配箍率、型鋼的錨固長(zhǎng)度是影響?zhàn)そY(jié)強(qiáng)度的主要因素，通過(guò)型鋼混凝土黏結(jié)破壞機(jī)理分析了這些因素對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響，得出以下結(jié)論:黏結(jié)強(qiáng)度隨著混凝土強(qiáng)度的增大而提高;隨著型鋼翼緣保護(hù)層厚度的增加，極限外荷載和黏結(jié)強(qiáng)度相應(yīng)提高;配箍率的增加可以提高黏結(jié)破壞后的殘余黏結(jié)力;黏結(jié)強(qiáng)度隨著型鋼錨固長(zhǎng)度的增加而降低。

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