埋入式鋼板-混凝土界面抗剪性能試驗研究

范 亮，何 駿

(重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074)

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埋入式鋼板-混凝土界面抗剪性能試驗研究

范 亮，何 駿

(重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074)

鋼板與混凝土界面抗剪強度和剪力-滑移關系是鋼-混凝土組合結構全過程受力分析中的重要依據(jù)。在典型剪力鍵剪力-滑移本構模型的基礎上，建立埋入式鋼板-混凝土界面抗剪本構模型。通過一組21個試件的抗剪試驗，得到了考慮混凝土強度和鋼板表面粗糙度的埋入式鋼板-混凝土界面抗剪強度和典型黏結滑移曲線，建立了埋入式鋼板-混凝土界面抗剪強度計算公式，確定了鋼板-混凝土剪力滑移本構方程。研究表明：埋入式鋼板-混凝土界面抗剪強度弱于鋼管混凝土及型鋼混凝土結構。

橋梁工程；鋼-混凝土組合結構；界面；抗剪強度；本構方程

0 引 言

鋼-混凝土組合結構中鋼板與混凝土之間的粘結滑移性能是影響結構受力性能、破壞形態(tài)、承載能力、裂縫和變形的重要因素，確定鋼板-混凝土剪力滑移本構關系是鋼-混凝土組合結構和構件非線性有限元精確分析的關鍵問題之一[1]。到目前為止，鋼-混凝土組合結構粘結性能的研究主要集中于鋼管混凝土[2]和型鋼混凝土[3]上，有關鋼板與混凝土粘結性能的研究較少且集中于兩者的粘結強度，未見埋入式鋼板與混凝土界面全過程本構方程的研究成果。此外，鋼筋混凝土的粘結破壞機理研究也是針對類似問題，不過由于鋼筋混凝土結構的特點，其研究的重點主要在于帶肋鋼筋與混凝土間的粘結滑移問題，而針對主要為光圓鋼筋的箍筋結構，研究中與鋼筋骨架的形狀構造有較大影響[4]。因此，現(xiàn)有研究并不適用于針對類似鋼板埋入混凝土內(nèi)部，通過鋼板與混凝土間粘結力傳遞剪力的結構。

所謂埋入式鋼板，是指鋼板兩側均埋入混凝土內(nèi)部，其混凝土保護層厚度足夠大，界面滑移時不致發(fā)生混凝土劈裂，此時鋼板與混凝土間界面剪力抵抗性能即為埋入式鋼板-混凝土抗剪性能。埋入式鋼板廣泛用于預埋鋼板(鋼接頭)、PBL剪力鍵等結構局部分析中。在進行精細化有限元分析[5]時，有時需要對埋入式鋼板與混凝土界面粘結滑移過程進行模擬。由于埋入式鋼板-混凝土與鋼管混凝土、型鋼混凝土等在力學行為上有所不同，因此，從試驗和理論角度對埋入式鋼板-混凝土滑移本構方程進行分析和探討是必要的。

1 鋼板-混凝土粘結原理及本構方程模型的選取

目前，國內(nèi)外土木從業(yè)人員針對型鋼混凝土中的型鋼與混凝土間[6-7]及鋼管混凝土中的鋼管與混凝土之間[8]界面粘結性能開展了較多的理論與試驗研究。研究表明型鋼、鋼管與混凝土間的粘結應力主要由膠結力、摩擦力及機械咬合力三部分組成。

1)膠結力

混凝土中未完全水化反應的水泥凝膠體附著在鋼板表面，形成化學吸附力，該力在鋼板與混凝土間發(fā)生局部滑移后即基本消失。

2)摩擦力

混凝土在硬化過程中將發(fā)生體積收縮，對混凝土內(nèi)部的鋼板形成徑向握裹力，該徑向握裹力在鋼材與混凝土發(fā)生相對位移時產(chǎn)生阻止變形的摩擦力。

3)機械咬合力

鋼板表面在細觀尺寸下表現(xiàn)有一定的粗糙不平，表面糙點將與混凝土之間形成機械咬合作用，在鋼材與混凝土間發(fā)生相對滑移時提供縱向分力。當滑移發(fā)生后，鋼板相接觸處的凹凸點被磨平時，機械咬合力將逐漸降低。

薛立紅，等[2]定性分析了鋼管混凝土柱組合界面的粘結強度，根據(jù)其推導的鋼板-混凝土粘結滑移的發(fā)展過程繪出示意圖(如圖1)。

圖1 鋼板-混凝土粘結滑移發(fā)展過程示

在鋼板與混凝土界面抗剪過程中，最先參與抗剪的部位為界面兩端咬合力〔圖1(1)〕，隨著剪力增大，參與受力的部位逐漸向中部發(fā)展，但直到界面咬合力全部參與工作，界面上鋼板與混凝土間仍未產(chǎn)生相對滑動〔圖1(2)～圖1(4)〕，直至咬合力不足以抵抗后摩擦力參與抗剪〔圖1(5)～圖1(6)〕。

鋼板與混凝土間主要通過傳遞剪力協(xié)調(diào)受力。在分析埋入式鋼板與混凝土間的界面抗剪粘結滑移本構時，可以將鋼板與混凝土表面的連接方式看成某種最為簡單的鋼-混凝土組合結構剪力鍵，鋼板與混凝土間界面剪力-滑移本構與剪力鍵是類似的，只是其參數(shù)的大小不一樣。圖2為典型鋼-混凝土組合結構中剪力-滑移曲線形式。在剪力Q作用下，鋼板和混凝土之間產(chǎn)生的相對滑移量Δ與Q的關系可以用式(1)表示[9]：

(1)

式中：Qu為單個剪力鍵的界面抗剪強度；α為該型剪力鍵常數(shù)，表征抗剪剛度。

圖2 典型剪力鍵剪力-滑移曲線

筆者擬借用式(1)模擬埋入式鋼板與混凝土間的界面剪切-滑移關系，通過埋入式鋼板-混凝土黏結剪切推出試驗確定系數(shù)α及Qu，從而確定埋入式鋼板-混凝土界面研究時精細化模擬鋼板與混凝土間的剪切-滑移規(guī)律。

2 埋入式鋼板-混凝土推出抗剪試驗

為了確定埋入式鋼板與混凝土抗剪本構模型參數(shù)，筆者開展了埋入式鋼板與混凝土的推出抗剪試驗。試驗考察的參數(shù)包括鋼板表面處置、混凝土強度、粘結面積，以確定鋼板與混凝土間剪力鍵常數(shù)。

本次試驗共21個推出試件，混凝土強度分別為C40，C50及C60。埋入式鋼板分別進行了三種不同的表面處置：噴砂粒徑40 μm的噴砂表面鋼板(A)、未處理光面鋼板(B)及銹蝕表面鋼板(C)。鋼板與混凝土的粘結高度分別為10，30，50，70，90 mm，分別對應編號1，3，5，7，9，粘結寬度均為60 mm。表1為各試件的具體參數(shù)，圖3為試件的具體構造及尺寸，圖4為本次試驗的加載裝置及測試情況。

表1 埋入式鋼板與混凝土的粘結剪切試驗參數(shù)

圖3 埋入式鋼板與混凝土的粘結剪切試驗

圖4 鋼板與混凝土的粘結剪切試驗加載示意

3 試驗結果分析

3.1 極限承載力

各試件的極限承載力見表2。

表2 試驗實測極限抗剪強度

從表2可以看出：

1)在相同參數(shù)條件時，粘結面積越大，極限承載力越高，但極限承載力與粘結面積不成線性增長關系，相對而言，粘結范圍越大，平均粘結強度越低。結合圖1分析，鋼板兩端參與受力程度較中部大，當粘結長度較長時，鋼板與混凝土粘結范圍較大，界面上處于中部區(qū)域的粘結程度較弱的范圍也較大，導致粘結范圍內(nèi)的平均粘結應力越低。

2)在相同參數(shù)條件時，混凝土強度對界面抗剪極限承載力影響不顯著。

3)在同等條件下，噴砂處置鋼板的承載力明顯大于其它兩種，有效試件試驗結果中，噴砂處置鋼板試驗(A類)的極限抗剪應力在0.63～1.01 MPa(平均值0.82 MPa)，未處置表面試件(B類)的極限抗剪應力在0.34～0.43 MPa(平均值0.39 MPa)，銹蝕表面試件(C類)的極限抗剪應力在0.38～0.47 MPa(平均值0.43 MPa)，C類試驗略高于B類。這是因為鋼板表面粗糙度越高，鋼板與混凝土間的摩擦力越強，表現(xiàn)出的界面抗剪能力越高。

3.2 荷載-板端滑移曲線

圖5為典型埋入式鋼板與混凝土的推出試驗中的剪力-板端滑移曲線。該剪應力-滑移曲線表現(xiàn)為明顯的兩個階段，在0～0.8τu段，曲線剛度較大，滑移量較小；0.8τu～破壞階段，曲線發(fā)生明顯彎曲，剛度突然下降，滑移量迅速增加。

圖5 埋入式鋼板-混凝土推出試驗典型界面剪應力-鋼板滑移曲線

4 埋入式鋼板-混凝土界面抗剪本構方程

4.1 埋入式鋼板-混凝土界面抗剪承載力

胡波，等[10]針對鋼管混凝土結構，在試驗研究的基礎上，利用有限元對鋼管與混凝土間的黏結-滑移相互作用進行了數(shù)值模擬，并得出了混凝土強度、截面形式、鋼管表面粗糙程度及荷載偏心率影響下的極限抗剪應力表達式，如式(2)：

τu=0.1kskfke(fcu)0.4

(2)

式中：ks為截面形式影響系數(shù)；kf為鋼管表面粗糙程度影響系數(shù)；ke為荷載偏心率影響系數(shù)；fcu為混凝土抗拉強度。

鄭山鎖，等[11]針對型鋼混凝土結構，從保護層開裂的角度，根據(jù)力擴散角度原理，提出了型鋼混凝土極限抗剪承載力的計算公式，如式(3)：

Qu=1.360k1(bf+hf)le(ft)1.5

(3)

式中：Qu為型鋼混凝土極限抗剪承載力；k1為型鋼表面狀況影響系數(shù)；bf為型鋼翼緣寬度；hf為型鋼翼緣厚度；ft為混凝土軸心抗拉強度。

筆者在文獻[10-11]關于鋼管混凝土及型鋼混凝土界面滑移研究的基礎上，結合表1試驗數(shù)據(jù)建立埋入式鋼板-混凝土界面粘結極限抗剪承載力計算公式，如式(4)：

(4)

式中：ke為鋼板表面粗糙程度影響系數(shù)；Ae為粘結面積；ft為混凝土軸心抗拉強度。

根據(jù)埋入式鋼板-混凝土推出抗剪試驗結果，當鋼板表面未處置時，ke=1.0；當鋼板表面進行噴砂處置時，ke=2.1；當銹蝕鋼板時，ke=1.1。

將試驗數(shù)據(jù)代入式(2)～式(4)進行對比分析，見表3。

表3 各種結構公式計算值與實測值對比

式(4)試件抗剪強度計算值與實測值的比值的平均值為1.009，表明針對埋入式鋼板-混凝土界面粘結抗剪承載力而言，式(4)可以較好計算。埋入式鋼板-混凝土界面與現(xiàn)有的鋼管混凝土、型鋼混凝土等情況有所不同，文獻[10]試件計算值與實測值比值的平均值為1.2，表明鋼管混凝土中的鋼管與混凝土界面粘結強度略大于埋入式鋼板與混凝土。其原因主要為鋼管混凝土受力時，鋼管內(nèi)核心混凝土受到的抱箍效應增強了界面摩擦力和咬合力的作用。文獻[11]試件計算值與實測值比值的平均值為4.93，表明型鋼混凝土的鋼-混凝土界面粘結性能明顯優(yōu)于埋入式鋼板-混凝土，亦優(yōu)于鋼管混凝土內(nèi)的鋼混凝土粘結性能。分析其原因在于：一方面型鋼混凝土中的型鋼與混凝土箍筋的環(huán)箍作用增大了界面粘結的握裹力；另一方面在于型鋼存在若干角隅突變部分，這些不平順角隅部分顯著地提高了界面粘結的機械咬合力。

4.2 鋼板-混凝土表面彈簧單元剛度系數(shù)α的確定

試驗表明，鋼板表面不同的界面處置對埋入式鋼板-混凝土粘結滑移性能有較大影響，考慮工程現(xiàn)狀，筆者將針對鋼板表面噴砂處置情況進行探討。

根據(jù)實驗結果，確定埋入式鋼板-混凝土粘結滑移表達式見式(5)，用曲線表示如圖6，圖6中曲線形狀與圖5比較有類似的兩階段，在0.8Qu附近有明顯的剛度變化：

(5)

圖6 埋入式鋼板-混凝土界面粘結典型本構曲線

式(5)為埋入式鋼板-混凝土單位長度界面剪力-滑移關系式，表征鋼板與混凝土間滑移本構關系，該式可近似模擬埋入式鋼板-混凝土從加載至破壞全過程的剪力滑移關系，可用于精細化有限元分析時模擬埋入式鋼板與混凝土界面間的連接彈簧單元參數(shù)。

5 結 論

通過對埋入式鋼板-混凝土的粘結性能進行的系列試驗及有限元分析，得出如下結論：

1)通過考察不同混凝土強度、鋼板表面狀況、粘結面積的21組鋼板混凝土推出試驗，建立了鋼板-混凝土界面粘結極限抗剪承載力Qu的公式；與鋼管混凝土結構及型鋼混凝土結構研究成果比較表明，埋入式鋼板-混凝土的界面抗剪強度低于鋼管混凝土結構及型鋼混凝土結構中的鋼-混凝土界面粘結強度。筆者提出的計算式可以較好地計算埋入式鋼板與混凝土的界面極限抗剪承載力。

2)將鋼板與混凝土間的粘結比視為剪力鍵，鋼板板端與混凝土的剪應力-滑移曲線表現(xiàn)為明顯的兩個階段：0～0.8τu段，曲線剛度較大，滑移量較小；0.8τu～破壞階段，曲線發(fā)生明顯彎曲，剛度突然下降，滑移量迅速增加。利用試驗數(shù)據(jù)并結合有限元分析結果，提出了埋入式鋼板與混凝土間荷載-滑移本構關系式。

3)試驗表明，鋼板表面狀況和粘結長度對鋼板-混凝土界面的粘結強度有顯著影響。噴砂表面處置鋼板與混凝土界面抗剪承載力約2倍于無表面處置及銹蝕表面情況，表明鋼板噴砂表面處置對提高鋼板-混凝土界面粘結強度效果明顯。

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Experimental Study on Shear Performance of Embedded Steel Plate and Concrete Interface

Fan Liang, He Jun

(School of Civil Engineering & Architecture, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

The shearing capacity and shear-slip relation of steel plate-concrete interface are important bases for the whole process analysis of steel-concrete composite structure. On the basis of a typical shear-slip constitutive model of shear connector, a slip constitutive model of embedded steel plate-concrete interface was established. Shearing test with 21 samples was conducted, thus, concrete strength and typical viscous slip curves of embedded steel plate and concrete interface were fitted in terms of different steel plate areas and roughness. And shear capacity formula of embedded steel plate and concrete interface was established. Besides, slip constitutive equation factors of embedded steel plate-concrete interface were determined. Results show that embedded steel plate and concrete interface shear capacity is weaker than that of tube concrete and steel reinforced concrete.

bridge engineering; steel concrete composite structure; interface; shearing capacity; constitutive equation

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.05

2014-09-24；

2014-12-29

國家自然科學基金項目(51308571)

范 亮(1979—)，女，安徽蕪湖人，副教授，博士，主要從事鋼-混凝土組合結構方面的研究。E-mail：fanliangcq@163.com。

U441;TU37

A

1674-0696(2015)03-021-05