鋼管輕集料混凝土界面黏結(jié)滑移過程分析

余振鵬　傅中秋　吉伯海

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 南京　210098)

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鋼管輕集料混凝土界面黏結(jié)滑移過程分析

余振鵬傅中秋吉伯海

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 南京210098)

摘要：為探究鋼管輕集料混凝土黏結(jié)滑移受力過程和機(jī)理，通過4個(gè)鋼管輕集料混凝土柱推出試驗(yàn)，分析鋼管輕集料混凝土界面黏結(jié)滑移受力過程．從鋼管外壁應(yīng)變變化、位移-荷載曲線、黏結(jié)破壞強(qiáng)度以及相應(yīng)位移角度分析長細(xì)比和緊箍系數(shù)對鋼管輕集料混凝土黏結(jié)滑移的影響；通過詳細(xì)分析加載過程中鋼管外壁應(yīng)變變化研究構(gòu)件黏結(jié)滑移受力過程．試驗(yàn)結(jié)果表明：核心混凝土全界面發(fā)生相對滑移時(shí)，滑移荷載主要受緊箍系數(shù)直接影響，緊箍系數(shù)越大相應(yīng)荷載越大；滑移過程中，鋼管外壁縱向應(yīng)變變化反映其位移-荷載曲線趨勢；鋼管內(nèi)壁混凝土接觸界面始終對輕集料混凝土有較大的環(huán)向約束作用，長細(xì)比越大在鋼管端部環(huán)向作用越明顯；緊箍系數(shù)不變，黏結(jié)破壞荷載對應(yīng)位移隨長細(xì)比增大逐漸遞增．

關(guān)鍵詞：鋼管輕集料混凝土；黏結(jié)滑移；管壁應(yīng)變；長細(xì)比；緊箍系數(shù)

鋼管混凝土具有承載能力高、抗震性能好、施工便利、自重輕以及耐火性好等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐．輕集料混凝土作為一種新型建筑材料以其輕質(zhì)、高強(qiáng)、高耐久性等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來國內(nèi)外混凝土研發(fā)的主要方向之一，用輕集料混凝土代替普通混凝土，形成鋼管輕集料混凝土，在鋼管普通混凝土的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)自重．對現(xiàn)代大型工程而言，鋼管輕集料混凝土具有獨(dú)特優(yōu)勢[1]．

鋼管混凝土中，鋼管和混凝土的黏結(jié)應(yīng)力，是由鋼管和混凝土兩種不同材料相互作用的結(jié)果，主要由3部分構(gòu)成：水泥膠體與鋼管接觸面的化學(xué)膠結(jié)力、鋼管表面與混凝土之間的機(jī)械咬合力、鋼管與混凝土接觸面的摩阻力．目前國內(nèi)外對鋼管混凝土黏結(jié)滑移進(jìn)行了相關(guān)研究，如Morishita[2]、Shakir-Khalil[3]研究不同鋼管截面形狀、界面長度和加載方式對鋼管混凝土黏結(jié)滑移影響；鐘善桐[4]對鋼管混凝土協(xié)同工作受黏結(jié)滑移影響進(jìn)行研究，薛立紅[5-6]、康希良[7]分析鋼管尺寸、混凝土強(qiáng)度以及混凝土澆筑方式等因素對黏結(jié)滑移影響．近年來，張衛(wèi)東[8]、陳峰[9]分別對再生混凝土與自密實(shí)混凝土黏結(jié)滑移性能作出相關(guān)研究．本文基于課題組原有研究成果[10]，設(shè)計(jì)4個(gè)不同長細(xì)比和箍筋系數(shù)的鋼管輕集料混凝土柱，并在鋼管外壁密布應(yīng)變片，根據(jù)隨加載過程中鋼管外壁應(yīng)變變化趨勢對鋼管輕集料混凝土黏結(jié)滑移進(jìn)行研究．分析長

細(xì)比對構(gòu)件黏結(jié)破壞荷載對應(yīng)位移的影響和其它參數(shù)對構(gòu)件黏結(jié)破壞強(qiáng)度的影響．

1試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用混凝土集料為1～3 mm的陶粒輕集料，其余集料為天然河砂(中砂)，普通硅酸鹽水泥，試驗(yàn)設(shè)計(jì)CL30輕骨料混凝土，其配合比詳見表1，所有輕集料混凝土均無外加劑摻入．鋼管采用Q235直縫焊接鋼管，其力學(xué)性能見表2．

表1　輕骨料混凝土配合比

表2　鋼管的力學(xué)性能指標(biāo)

1.2試件設(shè)計(jì)及制作

設(shè)計(jì)4個(gè)試件，并引用部分?jǐn)?shù)據(jù)，考慮圓鋼管的不同長度、外徑和管壁厚度3個(gè)參數(shù)，設(shè)置不同的長細(xì)比和緊箍系數(shù)．各試件的具體參數(shù)和試驗(yàn)基本數(shù)據(jù)詳見表3．

表3　試件基本數(shù)據(jù)及試驗(yàn)結(jié)果一覽表

注：(1)緊箍系數(shù)θ=Asfy/Acfc，As、fy分別為鋼管截面積和其屈服強(qiáng)度；Ac、fc分別為核心輕集料混凝土截面積和其軸心抗壓強(qiáng)度；(2)黏結(jié)強(qiáng)度為抗剪黏結(jié)強(qiáng)度，τu=Nu/(πL0D0)，各參數(shù)具體含義如上表所示．制作試件時(shí)，為保證核心混凝土在鋼管內(nèi)部有足夠的滑移空間和構(gòu)件制作方便，在鋼管上方自由端預(yù)留50 mm長的鋼管不填充混凝土，另一端核心混凝土面與鋼管截面齊平，作為加載端．試件采用混凝土攪拌棒攪拌密實(shí)，未處理鋼管內(nèi)壁，采用同條件自然養(yǎng)護(hù)．

1.3加載裝置與加載制度

利用MTS液壓伺服機(jī)加載，采用位移控制的加載制度，加載速度為0.1 mm/s，推出試驗(yàn)當(dāng)管內(nèi)混凝土出現(xiàn)較明顯的非線性滑移時(shí)，開始放慢加載速度．加載端混凝土面下放置略小于鋼管內(nèi)徑、厚度為20 mm的鋼墊板，同時(shí)在鋼墊板下放置一高度為50 mm圓柱體鐵柱．推出時(shí)，上方自由端加一鐵板使鋼管受壓，下方加載端混凝土受壓，從而將核心混凝土推出鋼管．加載裝置如圖1所示．

圖1　試驗(yàn)加載裝置

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1鋼管應(yīng)變變化規(guī)律

黏結(jié)應(yīng)力與鋼管應(yīng)力的微分成正比關(guān)系，從而由加載過程中鋼管外壁應(yīng)變變化規(guī)律分析鋼管與核心輕集料混凝土之間黏結(jié)應(yīng)力大小及分布規(guī)律[7]．圖2為鋼管不同位置縱向應(yīng)變-滑移位移關(guān)系曲線，構(gòu)件加載到黏結(jié)破壞荷載對應(yīng)位移時(shí)，鋼管外壁縱向應(yīng)變達(dá)到最大值，即沿鋼管內(nèi)壁與輕集料混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度最大．當(dāng)位移加載在黏結(jié)破壞荷載對應(yīng)位移之后，隨位移繼續(xù)增大，各截面縱向應(yīng)變逐漸變小，最終趨于相對平衡的應(yīng)變．通過鋼管外壁應(yīng)變數(shù)值沿鋼管高度的變化分析，可以直接反映不同加載位移下，沿管壁內(nèi)側(cè)黏結(jié)強(qiáng)度趨勢．

圖2　鋼管縱向應(yīng)變

圖2所示，整個(gè)推出試驗(yàn)，不同加載位移，縱向應(yīng)變沿鋼管外壁變化趨勢各不相同．當(dāng)構(gòu)件滑移到黏結(jié)破壞荷載對應(yīng)位移時(shí)，其變化斜率反應(yīng)最大，隨著滑移位移繼續(xù)增大，斜率反應(yīng)逐漸變小，隨之逐漸趨于某一斜率開始重合．根據(jù)分析，初始加載到黏結(jié)破壞荷載對應(yīng)位移時(shí)黏結(jié)荷載最大，應(yīng)變變化率反應(yīng)最大．隨著滑移位移繼續(xù)增大黏結(jié)荷載降低最終趨于相對平緩，以至于縱向應(yīng)變變化斜率逐漸減緩隨之趨于重合，反映黏結(jié)荷載變化率反應(yīng)逐漸減小趨于相對平緩．

圖3為圖2所示加載位移相應(yīng)應(yīng)變連續(xù)差值關(guān)系曲線(第一級5 mm與黏結(jié)破壞加載位移的應(yīng)變差值，第二級5 mm與10 mm加載位移的應(yīng)變差值，依次類推(所述位移值為加載過程中核心混凝土相對于鋼管的滑移位移)．隨著加載位移級增大，各個(gè)截面應(yīng)變差值基本逐漸縮小，當(dāng)加載位移級達(dá)到3時(shí)，即加載位移達(dá)到10 mm之后，應(yīng)變差值變化率相對降低趨于平緩．

由圖3分析，試件加載達(dá)到黏結(jié)破壞荷載對應(yīng)位移時(shí)，管壁縱向應(yīng)力最大，隨著加載位移繼續(xù)增大，管壁縱向應(yīng)力逐漸減小，各截面應(yīng)變變化率逐漸減小，應(yīng)變值趨于相對較穩(wěn)定的值附近變化波動．當(dāng)核心混凝土全界面發(fā)生相對滑移后，鋼管內(nèi)壁與輕集料混凝土之間相對處于較穩(wěn)定的黏結(jié)荷載．

圖3　鋼管不同位移對應(yīng)的應(yīng)變差

圖4為各鋼管輕集料混凝土試件鋼管不同位置處環(huán)向應(yīng)變隨著滑移位移變化關(guān)系曲線．滑移過程中，鋼管對輕集料混凝土始終有較大的環(huán)向約束作用，達(dá)到黏結(jié)破壞荷載之后，環(huán)向應(yīng)力約是相應(yīng)縱向位置應(yīng)力的20%～30%，與普通鋼管混凝土試驗(yàn)結(jié)果一致[7]．

圖4　鋼管不同位置環(huán)向應(yīng)變-滑移位移關(guān)系曲線

按加載平衡條件分析，核心輕集料混凝土已經(jīng)滑離零截面，其中零截面為未加載時(shí)鋼管與核心混凝土齊平一端的截面，此處不存在黏結(jié)應(yīng)力，即縱向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變應(yīng)為零，在上述縱向應(yīng)變分析中，零截面縱向應(yīng)變符合該規(guī)律，但環(huán)向應(yīng)變反應(yīng)不符合該規(guī)律．如圖4所示鋼管最下端零截面環(huán)向應(yīng)變數(shù)據(jù)，不同加載位移，零截面環(huán)向應(yīng)變呈喇叭狀應(yīng)變變化較大，同時(shí)長細(xì)比較大構(gòu)件其環(huán)向應(yīng)變相對于長細(xì)比較小構(gòu)件環(huán)向應(yīng)變反應(yīng)明顯．

根據(jù)分析，推出試驗(yàn)過程，鋼管混凝土柱長細(xì)比較大構(gòu)件容易發(fā)生失穩(wěn)，零截面受輕集料混凝土底端滑移位置與該位置鋼管截面相互作用影響，內(nèi)壁發(fā)生微小變形與輕集料混凝土產(chǎn)生擠壓作用，該截面鋼管環(huán)向約束提高，導(dǎo)致附近處零截面出現(xiàn)較大環(huán)向應(yīng)變，當(dāng)輕集料混凝土滑移位移較大時(shí)，零截面環(huán)向受其影響越小，環(huán)向應(yīng)變反應(yīng)變?。?dāng)構(gòu)件長細(xì)比越大時(shí)，相互擠壓作用越明顯，零截面環(huán)向受其影響越大，環(huán)向應(yīng)變反應(yīng)變大．原理示意如圖5所示．由此分析推斷，鋼管輕集料混凝土柱在加載過程中，存在失穩(wěn)現(xiàn)象，管壁發(fā)生微小變形與輕集料混凝土底端滑移相互作用，鋼管端部對輕集料混凝土有較大的環(huán)向約束作用．

圖5　零截面環(huán)向應(yīng)變產(chǎn)生原理圖

2.2荷載-滑移曲線

在加載初期，試件黏結(jié)力主要是由化學(xué)膠著力承擔(dān)，僅鋼管與混凝土界面出現(xiàn)微小滑移，隨著荷載增大，鋼管與混凝土滑移逐步發(fā)展，此時(shí)主要由未發(fā)生滑移部分化學(xué)膠著力和已發(fā)生滑移部分機(jī)械咬合力共同承擔(dān)．當(dāng)化學(xué)膠著力和機(jī)械咬合力達(dá)到最大時(shí)，即為黏結(jié)破壞荷載Pu，此時(shí)機(jī)械咬合力占主要部分．化學(xué)膠著力和機(jī)械咬合力大于初始摩阻力時(shí)，界面發(fā)生黏結(jié)破壞，如果初始摩阻力不足以抵抗荷載，位移-荷載曲線即會出現(xiàn)峰值點(diǎn)和之后的下降段．如果初始摩阻力足以抵抗試件的化學(xué)膠著力和機(jī)械咬合力，當(dāng)黏結(jié)破壞后，荷載將繼續(xù)上升，位移-荷載曲線不會出現(xiàn)峰值點(diǎn)[10]．

隨后位移-荷載曲線進(jìn)入非線性階段，滑移不斷發(fā)展，化學(xué)膠著力逐步退出工作，直到核心混凝土與鋼管全界面發(fā)生相對滑移時(shí)，全部退出工作．隨著滑移繼續(xù)增大，機(jī)械咬合力也退出工作，最終界面主要由鋼管與混凝土摩阻力作用．

通過MTS液壓伺服機(jī)采集獲取試件的荷載-位移曲線，如圖6(a)所示．按上述加載方式，得到如圖6所示鋼管輕集料混凝土黏結(jié)滑移位移-荷載曲線，設(shè)計(jì)與引用的8個(gè)鋼管輕集料混凝土試件均有峰值點(diǎn)，即初始摩擦力均小于化學(xué)膠著力和機(jī)械咬合力最大值．過荷載峰值點(diǎn)后，隨著滑移位移增大，荷載逐漸降低，最終核心混凝土全界面發(fā)生相對滑移，隨后滑移過程中，荷載或升高(如試件TN-1、TN-4、D-6-a、E-8-a)或降低(如試件E-7-a、F-9-a)或平緩(如試件TN-2、TN-3)．這3類情況的原因在于鋼管宏觀偏差較大，摩阻力發(fā)生變化，導(dǎo)致荷載發(fā)生變化．

圖6　位移-荷載曲線

根據(jù)圖6位移-荷載曲線，圖(a)為TN1～TN-4試件的荷載-位移曲線，TN1、TN-2和TN-3緊箍系數(shù)相同，隨著長細(xì)比增大，試件黏結(jié)破壞荷載逐步遞增，在滑移位移達(dá)到約10 mm后，荷載趨于平緩，但有較小變化，此時(shí)鋼管內(nèi)壁與輕集料混凝土之間的黏結(jié)荷載相對較為穩(wěn)定，這與鋼管外壁縱向應(yīng)變變化情況反應(yīng)一致．圖(b)為D-6-a、E-7-a、E-8-a和F-9-a試件荷載-位移曲線，D-6-a、E-7-a和E-8-a緊箍系數(shù)相同，隨著長細(xì)比增大，試件黏結(jié)破壞荷載逐步遞增．根據(jù)鋼管壁應(yīng)變和位移-荷載曲線分析，在核心輕集料混凝土與鋼管內(nèi)壁發(fā)生較大的相對位移時(shí)，黏結(jié)荷載主要是由內(nèi)管壁與輕集料混凝土摩阻力提供，對比圖6(a)與圖6(b)，緊箍系數(shù)相對較大構(gòu)件，核心混凝土全界面發(fā)生相對滑移時(shí)荷載相對較大，摩阻力是此時(shí)荷載的主要部分．

2.3黏結(jié)破壞強(qiáng)度

本試驗(yàn)采用“推出試驗(yàn)”研究鋼管與輕集料混凝土之間黏結(jié)強(qiáng)度，荷載-位移曲線峰值點(diǎn)為黏結(jié)破壞荷載Pu，相應(yīng)剪應(yīng)力為抗剪黏結(jié)強(qiáng)度τu，位移為黏結(jié)破壞荷載對應(yīng)位移Su[11-12]．

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析長細(xì)比對試件黏結(jié)破壞強(qiáng)度和黏結(jié)破壞荷載對應(yīng)位移的影響，由表3數(shù)據(jù)得到相應(yīng)變化關(guān)系曲線，如圖7～8所示．

圖8　緊箍系數(shù)與黏結(jié)破壞強(qiáng)度關(guān)系

如圖7所示，緊箍系數(shù)分別為0.86和1.17兩組試件，緊箍系數(shù)為0.86該組試件，隨著長細(xì)比增大(長細(xì)比分別為12.28、17.19和27.36)，黏結(jié)破壞強(qiáng)度沒有明顯增大或減小趨勢；緊箍系數(shù)為1.17該組試件，隨著長細(xì)比的增大，其黏結(jié)破壞強(qiáng)度逐漸降低．根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)長細(xì)比4～12試件，黏結(jié)破壞強(qiáng)度隨著長細(xì)比的增加有增大的趨勢，本文試驗(yàn)研究長細(xì)比不在此范圍之內(nèi)．也有相關(guān)文獻(xiàn)研究表明長細(xì)比對黏結(jié)破壞強(qiáng)度的影響不明顯[13]，如本次試驗(yàn)緊箍系數(shù)為0.86組數(shù)據(jù)所示．

對比相同長細(xì)比不同緊箍系數(shù)對黏結(jié)破壞強(qiáng)度影響，如圖8所示，緊箍系數(shù)分別為0.70、0.86、1.17試件，試件黏結(jié)破壞強(qiáng)度依次為1.48 MPa、1.56 MPa、2.45 MPa，緊箍系數(shù)增大其黏結(jié)破壞強(qiáng)度相對較大；如圖7所示分析，相同長細(xì)比不同緊箍系數(shù)試件黏結(jié)破壞強(qiáng)度亦是相同反應(yīng)．這是由于緊箍系數(shù)增大可以提高鋼管剛度，使得鋼管表面與混凝土之間機(jī)械咬合力更加顯著，同時(shí)使鋼管對輕集料混凝土產(chǎn)生的橫向約束力增大，提高鋼管混凝土黏結(jié)破壞強(qiáng)度．

圖9　長細(xì)比與黏結(jié)破壞荷載對應(yīng)位移關(guān)系

如圖9(a)所示，長細(xì)比分別為12.28、17.19和27.36，隨著長細(xì)比增大，黏結(jié)破壞荷載對應(yīng)位移有逐漸增大趨勢．如圖9(b)所示，引用康希良[7]部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)，長細(xì)比分別為12.58、17.61和22.64，緊箍系數(shù)相同，黏結(jié)破壞荷載對應(yīng)位移隨長細(xì)比增大逐漸遞增．綜合圖9分析，緊箍系數(shù)相同，黏結(jié)破壞荷載對應(yīng)位移隨長細(xì)比增大逐漸遞增．

3結(jié)論

1)鋼管輕集料混凝土位移-荷載曲線，當(dāng)核心輕集料混凝土全界面發(fā)生相對滑移時(shí)，滑移荷載主要受緊箍系數(shù)直接影響，緊箍系數(shù)越大相應(yīng)荷載越大．同時(shí)在緊箍系數(shù)一定的情況下，鋼管輕集料混凝土黏結(jié)破壞荷載對應(yīng)位移隨長細(xì)比增大而逐漸遞增．

2)鋼管輕集料混凝土外圍管壁應(yīng)變變化趨勢反映位移-荷載變化規(guī)律，該組試件核心輕集料混凝土全界面發(fā)生相對滑移時(shí)，管壁應(yīng)變變化與沿管壁應(yīng)變變化率越來越小最終趨于穩(wěn)定，反映黏結(jié)荷載越來越小趨于穩(wěn)定．

3)滑移過程中，試件長細(xì)比越大，鋼管越容易發(fā)生失穩(wěn)，零截面環(huán)向約束越大；輕集料混凝土滑移位移越大，零截面環(huán)向約束越?。摴軆?nèi)壁混凝土接觸界面始終對核心輕集料混凝土有較大環(huán)向約束作用．

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[責(zé)任編輯王康平]

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Process Analysis of Bond-slip Behavior on Interface of

Light Aggregate Concrete Filled Steel Tube

Yu ZhenpengFu ZhongqiuJi Bohai

(College of Civil and Transportation Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

AbstractTo study the mechanism of bond-slip process on light aggregate concrete filled steel tube, four light aggregate concrete filled steel tube columns were designed. The force of bond-slip behavior on the interface of light aggregate concrete filled steel tube were analyzed through push-out tests. The effects of slenderness ratio and tight hoop coefficient were analyzed on the basis of bond-slip performance such as strain variations of the tube ektexine, displacement-load curves, strength destructive bond and corresponding displacements. By analyzing the changes of strain on tube outer wall in detailed, the bond-slip process during experiment was analyzed on the basis of strain variation of tube ektexine. The test results show that the slippage of load is directly affected by tight hoop coefficient, during the whole stage of interface slip. And the corresponding load increases with the increasing of tight hoop coefficient. In the process of slipping, stress variation of the tube ektexine reflects the tendency of its displacement-load curves. The whole interface of the tube inner wall which is contact with concrete always exerts obvious hoop constraint on light aggregate concrete; and in the part of steel pipe the larger the slenderness ratio is, the more obvious constraint is achieved. Under the same tight coupling coefficient, the bond destructive displacement increases with the slenderness ratio increasing.

Keywordslight aggregate concrete filled steel tube；bond-slip；strain variation of tube wall；slenderness ratio；tight hoop coefficient

基金項(xiàng)目：江蘇省自然科學(xué)基金(BK20130845)，江蘇省自然科學(xué)基金(BK2011836)

收稿日期：2015-09-16

中圖分類號：U44

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-948X(2015)06-0024-06

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.005

通信作者：傅中秋(1983-)，男，副教授，主要研究方向?yàn)榻M合結(jié)構(gòu)橋梁、鋼橋維護(hù)．E-mail：fumidaut@163.com