型鋼混凝土粘結(jié)滑移性能研究綜述

鄭惠銘 楊 健 王宇軒 張 健 李迎珠

(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

1 概述

型鋼混凝土(Steel Reinforced Concrete，SRC)組合結(jié)構(gòu)是在混凝土內(nèi)部配置型鋼和鋼筋，并且三種材料共同起作用的一種新型結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)是將型鋼加入鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，利用型鋼的強度和韌性增強組合結(jié)構(gòu)的性能。型鋼混凝土截面如圖1所示。

型鋼和鋼筋混凝土的組合將發(fā)揮各自的優(yōu)勢，使型鋼混凝土具備如下優(yōu)點：抗震、抗風(fēng)性能優(yōu)良，整體穩(wěn)定性好；受力合理；構(gòu)件尺寸較小，節(jié)省空間；耐久、耐火性好。

為了保證型鋼混凝土內(nèi)有效的應(yīng)力傳遞，粘結(jié)強度是一個重要的影響因素。型鋼混凝土內(nèi)應(yīng)力傳遞有多種方式，選擇最有效的方式，以便將應(yīng)力從一個部位轉(zhuǎn)移到另一個部位，并達到完整的組合結(jié)構(gòu)效果。這一效果可以通過型鋼與混凝土之間的粘結(jié)實現(xiàn)。

因此，型鋼與混凝土彼此間的粘結(jié)影響型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的受力性能，探究型鋼混凝土粘結(jié)滑移性能有利于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，使型鋼混凝土結(jié)構(gòu)能夠得到推廣。

2 SRC結(jié)構(gòu)粘結(jié)滑移現(xiàn)狀

2.1 國外SRC結(jié)構(gòu)粘結(jié)滑移研究現(xiàn)狀

國外對于型鋼混凝土粘結(jié)滑移性能研究時間開始的較早，并且進行了大量的實驗研究。從20世紀60年代初開始，1950年，日本的坪井善勝、若林実[1]考慮混凝土強度和橫向配箍率等因素，進行了鋼板拉拔試驗，探究型鋼混凝土的粘結(jié)強度，得到了型鋼與混凝土的粘結(jié)強度比較低的結(jié)論。到了70年代， Bryson[2]在1962年進行推出試驗，認為經(jīng)噴砂處理后的型鋼比未經(jīng)處理的型鋼，平均粘結(jié)強度要大30%左右。Hawkins[3]在1973年時開展型鋼混凝土推出試驗，考慮橫向配箍率等因素的影響，認為產(chǎn)生了較大的相對滑移后，隨著配箍率的增大，型鋼混凝土粘結(jié)強度也增大。到了20世紀90年代，1984年，Roeder[4]在實驗中，沿著型鋼翼緣布置一系列的應(yīng)變片，在推出試驗中，根據(jù)應(yīng)變片得到的粘結(jié)應(yīng)力的分布規(guī)律第一次研究型鋼表面粘結(jié)應(yīng)力沿型鋼錨固長度方向的變化。1991年，Hamdan和Hunaiti[5]為了探究型鋼表面狀況等因素的影響，開展了推出試驗，認為型鋼表面進行噴砂處理，能夠增加型鋼與混凝土的粘結(jié)強度。

2.2 國內(nèi)SRC結(jié)構(gòu)粘結(jié)滑移研究現(xiàn)狀

20世紀80年代末，1989年，國內(nèi)學(xué)者孫國良[6]對勁性混凝土柱端部軸力傳遞性能進行研究，認為在一定厚度內(nèi)，粘結(jié)強度隨著保護層厚度的增加而增加。西安建筑科技大學(xué)李紅[7]進行了鋼板拉拔梁式試驗，研究影響型鋼混凝土粘結(jié)強度的因素。并且通過對試驗結(jié)果的統(tǒng)計回歸分析，提出型鋼混凝土的平均粘結(jié)強度、極限粘結(jié)強度和殘余粘結(jié)強度的計算公式。湖南大學(xué)劉燦、何益斌[8]進行推出試驗。依據(jù)試驗數(shù)據(jù)，文章指出在加載前期，型鋼與混凝土未發(fā)生較大的滑移時，型鋼與混凝土表面的化學(xué)膠結(jié)力與摩擦力，共同發(fā)揮作用；一旦發(fā)生較大的滑移后，化學(xué)膠結(jié)力喪失，只有摩擦力發(fā)揮作用。楊勇等[9]設(shè)計了16個標準推出試件進行推出試驗，試驗研究結(jié)果表明，在荷載下降階段，型鋼翼緣外側(cè)對粘結(jié)強度的貢獻更大。

3 型鋼混凝土粘結(jié)性能影響主要因素

3.1 混凝土強度

Marisa Pecce and Francesca Ceroni[10]指出粘結(jié)滑移曲線的水平段值代表有效的粘結(jié)強度，其值受到混凝土強度的影響?；炷翉姸鹊燃壴礁撸辰Y(jié)強度也就越大。但是也有其他的學(xué)者認為混凝土強度對型鋼混凝土粘結(jié)強度的影響不大。

3.2 保護層厚度

鄭華海等[11]認為隨著保護層厚度的增加，粘結(jié)強度增大，保護層厚度為50 mm時，粘結(jié)強度比保護層為40 mm的粘結(jié)強度大48.92%。這是因為型鋼外混凝土的約束效應(yīng)，加強了混凝土與型鋼表面的接觸，從而提高了型鋼混凝土粘結(jié)強度。

3.3 橫向配箍率

由于箍筋的存在，內(nèi)部混凝土受到荷載時，也受到箍筋的約束效應(yīng)，與型鋼更加緊密的連接在一起。但是孫國良指出其影響效果有限，箍筋配置與否對極限承載力影響并不大，但配置箍筋可以提高殘余強度，并限制裂縫寬度的增加。

3.4 型鋼表面情況

Marisa Pecce and Francesca Ceroni對型鋼表面在澆筑前進行了潤滑油的處理，實驗結(jié)果表明在型鋼表面涂了潤滑油后，粘結(jié)強度只有未使用潤滑油處理的粘結(jié)強度的25%。這是因為涂了潤滑油后，型鋼與混凝土交界面的摩擦力與化學(xué)膠結(jié)力被削弱，從而導(dǎo)致了粘結(jié)強度的降低。說明了摩擦力對粘結(jié)強度的作用不可忽視。

3.5 型鋼粘結(jié)位置

鄭華海指出了型鋼不同部位的粘結(jié)強度不同，并指出了內(nèi)翼緣的粘結(jié)強度大于外翼緣的粘結(jié)強度大于腹板的粘結(jié)強度。表明了翼緣對粘結(jié)強度的貢獻比腹板來的大。

除了上文所提到的因素，其他一些因素也能夠?qū)π弯摶炷恋恼辰Y(jié)滑移性能有影響，如澆筑方式、型鋼錨固長度、型鋼截面尺寸、骨料級配等。

4 粘結(jié)滑移概念

4.1 平均粘結(jié)強度

在型鋼混凝土中，取接觸面總表面積上的平均值為平均粘結(jié)應(yīng)力，極限荷載所對應(yīng)的平均粘結(jié)應(yīng)力為型鋼混凝土的平均粘結(jié)強度。

4.2 局部最大粘結(jié)強度

在型鋼混凝土中，局部出現(xiàn)最大的粘結(jié)應(yīng)力值稱為局部最大粘結(jié)強度。

4.3 殘余粘結(jié)強度

型鋼與混凝土之間的化學(xué)膠結(jié)力耗盡，僅剩摩擦力和機械咬合力發(fā)揮作用，粘結(jié)強度穩(wěn)定在一個殘余值，其值大小不隨粘結(jié)滑移的發(fā)展而有明顯變化，稱這個粘結(jié)強度為殘余粘結(jié)強度。

5 粘結(jié)強度計算公式

分析影響粘結(jié)滑移性能的因素，可以得到不同階段的粘結(jié)強度與混凝土保護層厚度、混凝土抗拉強度、型鋼截面高度、配箍率等的關(guān)系，總結(jié)出粘結(jié)強度的計算公式。

1)初始滑移粘結(jié)強度。

2)極限粘結(jié)強度。

3)殘余粘結(jié)強度。

其中,Css為混凝土保護層厚度,mm；Le為型鋼埋置長度,mm；d為型鋼截面高度,mm；ft為混凝土抗拉強度,MPa；ρsv為配箍率,%。

6 結(jié)語

由于型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相比，具有巨大的優(yōu)勢，使其在高層建筑中的應(yīng)用越來越廣泛。

為了增加型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用，研究型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的粘結(jié)滑移性能必不可少，在研究的基礎(chǔ)上，完善理論，使設(shè)計更加可靠。