不同荷載條件下型鋼-鋼纖維混凝土組合結(jié)構(gòu)的界面失效機(jī)理研究

伍 凱，劉曉藝，陳 峰，林詩(shī)琪，徐 超,4

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇，南京210024；2.新加坡國(guó)立大學(xué)土木工程系，新加坡117576；3.上海碧桂園企業(yè)管理有限公司，上海200335；4.銅陵學(xué)院建筑工程學(xué)院，安徽，銅陵244000)

型鋼混凝土(Steel Reinforced Concrete)，外文文獻(xiàn)中也常稱為Concrete Encased Steel，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注的組合結(jié)構(gòu)[1-2]，常見截面如圖1(a)所示，主要由混凝土、型鋼、鋼筋籠、抗剪連接件構(gòu)成?；谛弯撆c混凝土界面的黏結(jié)作用和抗剪連接件的界面增強(qiáng)作用，兩種材料共同工作、協(xié)同受力，表現(xiàn)出良好的組合效應(yīng)[3-4]。其承載能力超過型鋼與混凝土承載力的簡(jiǎn)單疊加，特別適用于重載結(jié)構(gòu)。經(jīng)歷過數(shù)次地震檢驗(yàn)與大量的試驗(yàn)研究[5-6]，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)良好的抗震性能也被廣泛認(rèn)可，因此同樣適用于抗震設(shè)防要求比較高的地區(qū)。型鋼外包的混凝土有利于提升抗火性能[7]，延長(zhǎng)耐火極限，型鋼混凝土也經(jīng)常被用于抗火要求較高的工程結(jié)構(gòu)。

圖1 型鋼混凝土與型鋼-鋼纖維混凝土Fig.1 Steel reinforced concrete and steel-steel fiber reinforced concrete

型鋼與鋼筋籠的同時(shí)存在導(dǎo)致施工困難。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)施工工序復(fù)雜，在一定程度上限制了其工程推廣應(yīng)用，特別是在量大面廣的多層建筑中的應(yīng)用。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用存在以下四方面困難。

1)縱筋與型鋼的位置沖突。常用的解決方法是將縱筋截?cái)嗖⑼ㄟ^焊接或通過連接器將縱筋固定在型鋼外側(cè)，如圖2(a)與圖2(b)所示。此類方法極大的增加了施工困難，提高了工程造價(jià)。

2)箍筋與型鋼同樣存在位置沖突，導(dǎo)致箍筋無法形成閉合的矩形環(huán)。常見的解決方法是在型鋼翼緣和腹板上開洞，將箍筋從洞中穿過形成閉合，如圖2(c)所示。

3)型鋼與鋼筋之間的間隙較小，導(dǎo)致混凝土澆筑困難。特別當(dāng)型鋼截面較大、配筋較多時(shí)，容易出現(xiàn)澆筑不密實(shí)的現(xiàn)象。

4)縱筋與箍筋一起形成了鋼筋籠，其存在使型鋼翼緣遠(yuǎn)離構(gòu)件的截面邊緣，型鋼良好的受力性能并未充分發(fā)揮。雖然在一定程度上增加了翼緣的混凝土保護(hù)層厚度，有利于提升鋼與混凝土界面的黏結(jié)性能，但由于型鋼翼緣過于靠近中性軸，導(dǎo)致型鋼翼緣的抗彎性能無法充分發(fā)揮，對(duì)構(gòu)件的抗彎性能削弱嚴(yán)重，而較小的腹板高度同樣影響了構(gòu)件的抗剪能力。

圖2 型鋼混凝土的施工困難Fig.2 Construction difficulties of Steel Reinforced Concrete

利用鋼纖維完全替代或部分替代型鋼混凝土中的縱筋、箍筋，以及抗剪連接件，提出了型鋼-鋼纖維混凝土組合結(jié)構(gòu)(Steel and Steel Fiber Reinforced Concrete)。在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中，縱筋提升了構(gòu)件的抗彎性能，控制了彎曲裂縫的發(fā)展；箍筋提升了構(gòu)件的抗剪性能，控制了剪切裂縫的發(fā)展，并同時(shí)約束了型鋼翼緣與混凝土界面的黏結(jié)裂縫發(fā)展，提升了兩種材料之間的共同工作；抗剪連接件增強(qiáng)了鋼與混凝土界面的內(nèi)力傳遞，提升了組合效應(yīng)，避免界面的黏結(jié)失效。如圖1(b)所示，當(dāng)利用鋼纖維完全替代鋼筋籠時(shí)，型鋼-鋼纖維混凝土組合結(jié)構(gòu)的型鋼翼緣更貼近截面邊緣，增大了型鋼截面高度與配鋼率，有利于型鋼性能的更充分發(fā)揮。型鋼翼緣和腹板可通過自身強(qiáng)大的抗彎能力和抗剪能力約束彎曲裂縫和剪切裂縫的發(fā)展，替代主筋與箍筋，發(fā)揮抗彎和抗剪的作用。鋼纖維可以控制黏結(jié)裂縫發(fā)展[8]，提升鋼與混凝土的共同工作，增強(qiáng)組合效應(yīng)，具備替代箍筋和栓釘?shù)目尚行浴Ｍ瑫r(shí)，鋼纖維還能夠協(xié)助型鋼控制彎曲裂縫和剪切裂縫的發(fā)展[9-10]，減小混凝土裂縫寬度，提升結(jié)構(gòu)的適用性與耐久性。

型鋼-鋼纖維混凝土組合結(jié)構(gòu)能夠繼承型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)勢(shì)，并解決施工困難，具有以下諸多優(yōu)勢(shì)：

1)可以節(jié)省抗剪連接件焊接、鋼筋綁扎等繁瑣的施工工序，也能避免型鋼與鋼筋位置重疊導(dǎo)致的施工困難，極大加快施工效率，節(jié)省工期，降低工程造價(jià)；

2)獲得足夠的混凝土澆筑空間，改善混凝土的澆筑條件和澆筑質(zhì)量，推動(dòng)工程應(yīng)用；

3)減小型鋼的混凝土保護(hù)層厚度，型鋼翼緣進(jìn)一步遠(yuǎn)離中性軸，有利于發(fā)揮翼緣的抗彎性能和腹板的抗剪性能，提升結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的受力性能，以及型鋼對(duì)彎曲裂縫和剪切裂縫的約束效果。

本文通過36個(gè)試件的推出試驗(yàn)和13個(gè)試件的四點(diǎn)彎試驗(yàn)，分別研究了型鋼-鋼纖維混凝土組合結(jié)構(gòu)在軸心力與彎矩作用下的界面失效，分析了不同荷載條件下型鋼與鋼纖維混凝土的內(nèi)力傳遞與破壞機(jī)理。考慮到近些年圓形截面的型鋼混凝土構(gòu)件常被用于仿古建筑[11]，因此推出試驗(yàn)除了研究常見的方形截面以外，還研究了適用于仿古建筑的圓形截面。

1 試驗(yàn)概況

1.1 推出試驗(yàn)

完成了36個(gè)型鋼-鋼纖維混凝土組合結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)推出試件，包括16個(gè)圓形截面試件和20個(gè)方形截面試件。其中包括2個(gè)未添加鋼纖維、未設(shè)置鋼筋籠的對(duì)比試件。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)調(diào)研，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中的箍筋與主筋體積率之和的上限和下限約為1%和3%，因此鋼纖維摻量(ρsf)選擇了1%、2%、3%三個(gè)等級(jí)，22個(gè)鋼纖維摻量為2%的試件，1%或3%摻量的試件各6個(gè)。采用I10工字鋼，具體截面參數(shù)可參考文獻(xiàn)[12]；鋼纖維長(zhǎng)度為30 mm，等效直徑為0.6 mm，長(zhǎng)徑比為50；混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C40。圓形截面試件的保護(hù)層厚度(Css)介于19.5 mm～64.5 mm，矩形截面試件的保護(hù)層厚度介于20 mm～60 mm。如圖3所示，Css取型鋼至鋼纖維混凝土表面的最小距離。

圖3 推出試驗(yàn)的試件截面Fig.3 Crosssectionsof push-out specimens

試件加載方式如圖4所示。在軸心力作用下，作用在工字鋼頂部的軸心力P，通過工字鋼與鋼纖維混凝土的黏結(jié)界面，最終傳遞至鋼纖維混凝土底部的支撐端。在整個(gè)受力過程中，黏結(jié)界面主要承受剪切力，界面剪切應(yīng)力的合力與P相等。由于型鋼受力的泊松效應(yīng)，黏結(jié)界面也存在鋼與混凝土之間的相互擠壓。

圖4 推出試驗(yàn)的加載方式Fig.4 Loading method of push-out test

更詳細(xì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[13 -14]。該文獻(xiàn)將黏結(jié)滑移全過程進(jìn)行了階段的劃分，明確了黏結(jié)應(yīng)力的各組成部分，分析了各因素對(duì)界面黏結(jié)應(yīng)力的影響規(guī)律。本文將在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究推出試驗(yàn)的內(nèi)力傳遞與界面失效機(jī)理。

1.2 四點(diǎn)彎試驗(yàn)

完成了13個(gè)試件的四點(diǎn)彎試驗(yàn)，所有試件具有統(tǒng)一的幾何尺寸，剪跨比為2.5。主要研究了鋼纖維摻量、型鋼配鋼率、箍筋設(shè)置和主筋設(shè)置對(duì)受力性能的影響。此次試驗(yàn)包括：1 個(gè)未添加鋼纖維、未設(shè)置鋼筋籠的對(duì)比試件；6個(gè)同時(shí)設(shè)置鋼筋籠與鋼纖維的試件；6個(gè)僅設(shè)置鋼纖維的試件。試件總長(zhǎng)1600 mm，受力段長(zhǎng)度(梁支座之間的距離)1440 mm；截面高度和寬度分別為180 mm 和140 mm。

圖5以配置I10工字鋼的試件為例，給出了截面類型及尺寸。工字鋼的高度越大，翼緣外側(cè)的保護(hù)層厚度Css越小。Css為型鋼翼緣外表面到鋼纖維混凝土頂面(底面)的距離。試件中采用的熱軋型鋼包括I10、I12、I14，對(duì)應(yīng)的型鋼截面配鋼率分別為5.67%、7.18%、8.53%，對(duì)應(yīng)的Css分別為20 mm、30 mm、40 mm。鋼纖維規(guī)格與推出試驗(yàn)相同，摻量分別為1%、2%、3%。

圖5 四點(diǎn)彎試驗(yàn)的試件截面/mm Fig.5 Cross sections of four-point bending specimens

試件加載方式如圖6所示?？缰屑辛?P通過分載梁在兩個(gè)分載點(diǎn)對(duì)所有試件進(jìn)行對(duì)稱加載。試驗(yàn)加載初期，等速率的增大荷載直至試件表現(xiàn)出屈服特征，此后等速率的增大位移直至試件破壞失效。在兩個(gè)分載點(diǎn)之間，試件僅承受彎矩的作用，該區(qū)域長(zhǎng)度為540 mm，為截面高度的3倍。在支座與分載點(diǎn)之間，試件同時(shí)承受彎矩和剪力。

圖6 四點(diǎn)彎試驗(yàn)的加載方式Fig.6 Loading method of four-point bending test

更詳細(xì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[15]。該文獻(xiàn)揭示了各試驗(yàn)參數(shù)對(duì)抗彎性能(承載力、延性、損傷等)的影響。本文將在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究彎曲效應(yīng)下的界面失效機(jī)理。

2 軸心力作用下的界面失效機(jī)理

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

黏結(jié)破壞時(shí)的裂縫形態(tài)主要有圖7所示的3種方式。劈裂裂縫出現(xiàn)在保護(hù)層厚度較小的區(qū)域，從鋼纖維混凝土表面向型鋼發(fā)展，不會(huì)直接損傷型鋼與鋼纖維混凝土黏結(jié)界面。方形截面從型鋼翼緣外側(cè)的鋼纖維混凝土表面向內(nèi)發(fā)展，圓形截面從型鋼翼緣肢尖外的鋼纖維混凝土表面向型鋼肢尖發(fā)展。當(dāng)型鋼與鋼纖維混凝土變形不協(xié)調(diào)時(shí)，將產(chǎn)生黏結(jié)裂縫。黏結(jié)裂縫首先出現(xiàn)在翼緣的肢尖處，并由內(nèi)向外發(fā)展，部分黏結(jié)裂縫能夠貫通至混凝土表面。對(duì)于圓形截面，黏結(jié)裂縫和劈裂裂縫均發(fā)生在混凝土保護(hù)層厚度最小的位置，即經(jīng)過翼緣肢尖的45°斜向破壞面。

圖7 裂縫開展示意圖Fig.7 Schematic plot of crack development

此次試驗(yàn)中，矩形截面試件的黏結(jié)強(qiáng)度介于0.598 MPa～1.496 MPa，圓形截面試件的黏結(jié)強(qiáng)度介于0.668 MPa～1.913 MPa。而對(duì)于型鋼混凝土，黏結(jié)強(qiáng)度介于1.086 MPa～2.130 MPa[7,16-25](僅取與本試驗(yàn)具有高度相關(guān)性的試件)。在設(shè)置相似保護(hù)層厚度的情況下，型鋼與鋼纖維混凝土之間的界面黏結(jié)性能略低于型鋼混凝土，但即使在保護(hù)層厚度Css只有20 mm 的情況下，型鋼與鋼纖維混凝土界面的黏結(jié)強(qiáng)度τu最大也能達(dá)到1.2 MPa。

2.2 界面的傳力機(jī)理

型鋼通過黏結(jié)界面逐步將軸向壓力傳遞到鋼纖維混凝土，型鋼承受的壓力及泊松效應(yīng)自上而下逐步減小，黏結(jié)界面的擠壓作用也呈現(xiàn)從上到下的遞減現(xiàn)象，也因此界面的擠壓應(yīng)力σc和黏結(jié)應(yīng)力τ 的分布存在著較為嚴(yán)重的不均勻性。型鋼頂面的軸心壓力與鋼纖維混凝土底部的支持力形成力偶。在力偶作用下，鋼纖維混凝土與型鋼存在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，并因此在試件的上部區(qū)域相互擠壓、界面受壓，下部區(qū)域相互脫離、界面受拉。該效應(yīng)增強(qiáng)了σc及τ 的分布不均勻。

建立如圖8所示的型鋼與鋼纖維混凝土之間的界面?zhèn)髁δＰ停琤f為翼緣的寬度。型鋼在頂部壓力作用下的泊松效應(yīng)使翼緣和鋼纖維混凝土之間產(chǎn)生界面擠壓作用，這是產(chǎn)生界面摩擦力的重要條件。摩擦力是黏結(jié)應(yīng)力的重要組成部分。在混凝土開裂后，鋼纖維是維持界面擠壓作用的關(guān)鍵因素。型鋼通過τ 與σc在鋼纖維混凝土內(nèi)部形成具有一定傾角的壓力帶，外部荷載通過壓力帶由型鋼傳遞到鋼纖維混凝土并最終達(dá)到底部支座。界面擠壓應(yīng)力主要發(fā)生在翼緣與鋼纖維混凝土之間，而腹板與鋼纖維混凝土之間的擠壓力非常有限。也是基于類似的受力分析，歐洲規(guī)范Eurocode 4[26]對(duì)型鋼與混凝土之間的黏結(jié)應(yīng)力取值為0.3 MPa。

圖8 軸力作用下的內(nèi)力傳遞與界面失效機(jī)理Fig.8 Internal force transfer and interfacial failure mechanism under axial loading

由于翼緣與鋼纖維混凝土的界面擠壓，鋼纖維混凝土在兩個(gè)正交方向承受拉力，這是混凝土損傷與開裂的主要原因。在試件的頂部區(qū)域，型鋼受力大，泊松效應(yīng)強(qiáng)，由界面擠壓產(chǎn)生的拉應(yīng)力較大，因此大多數(shù)試件的裂縫，以及界面的初始滑移，均首先出現(xiàn)在該區(qū)域，并逐步向試件底部發(fā)展。在混凝土開裂后，鋼纖維提供了裂縫處的抗拉效應(yīng)，稱之為鋼纖維的“橋接”效應(yīng)[27]。

鋼纖維混凝土的損傷程度與界面的黏結(jié)性能有直接的關(guān)系，同時(shí)受到鋼材泊松比的影響。τ 的合力與外荷載P平衡。如果界面無黏結(jié)，τ=0，則型鋼與鋼纖維混凝土的相對(duì)滑移不受任何約束。此時(shí)P=0，型鋼不會(huì)因泊松效應(yīng)而產(chǎn)生橫向的膨脹變形，因此σc=0，不會(huì)導(dǎo)致鋼纖維混凝土開裂與損傷。隨著界面的黏結(jié)作用增強(qiáng)，τ 與σc同時(shí)增大，混凝土損傷更嚴(yán)重。如果鋼材為無變形的剛體，不存在泊松效應(yīng)，則無論是否存在黏結(jié)應(yīng)力，鋼與混凝土之間不存在相互擠壓，黏結(jié)界面為單純的剪切失效，而不會(huì)出現(xiàn)大量的混凝土裂縫。型鋼的泊松比影響混凝土損傷的程度以及黏結(jié)應(yīng)力的分布。當(dāng)型鋼的彈性模量無限大，泊松比無限小的時(shí)候，黏結(jié)界面上任意一點(diǎn)的相對(duì)滑動(dòng)趨勢(shì)是統(tǒng)一的，黏結(jié)應(yīng)力分布理論上應(yīng)該是均勻的。而當(dāng)泊松比無限大的時(shí)候，僅在最頂部的有限范圍內(nèi)，型鋼與鋼纖維混凝土存在相對(duì)滑動(dòng)的趨勢(shì)，黏結(jié)應(yīng)力與界面擠壓應(yīng)力的分布都將極不均勻。

2.3 保護(hù)層的破壞機(jī)理

取保護(hù)層為研究對(duì)象，建立如圖9所示的力學(xué)模型。翼緣與保護(hù)層之間存在擠壓應(yīng)力，而翼緣兩側(cè)的鋼纖維混凝土承受拉應(yīng)力，兩部分作用相互平衡。如將提供拉應(yīng)力的鋼纖維混凝土看作支座，則保護(hù)層可看作支撐在它上面的鋼纖維混凝土簡(jiǎn)支梁。

當(dāng)保護(hù)層厚度Css較小時(shí)，簡(jiǎn)支梁主要承受擠壓應(yīng)力產(chǎn)生的彎曲效應(yīng)，外表面受拉并產(chǎn)生彎曲裂縫，裂縫由混凝土外表面向型鋼翼緣發(fā)展，方形試件的彎曲裂縫主要產(chǎn)生在截面中部，圓形試件的彎曲裂縫產(chǎn)生在截面高度相對(duì)較小、彎曲應(yīng)力相對(duì)較大的斜向方向。隨著彎曲效應(yīng)的增強(qiáng)，該裂縫由外表面向內(nèi)發(fā)展，此裂縫在這里被稱為劈裂裂縫，反映了保護(hù)層的彎曲破壞。當(dāng)Css較大時(shí)，簡(jiǎn)支梁主要承受擠壓應(yīng)力產(chǎn)生的剪切效應(yīng)。在剪切力的作用下，出現(xiàn)了斜向發(fā)展的剪切裂縫。該裂縫首先出現(xiàn)在型鋼翼緣的肢尖處，由內(nèi)向外約45°斜向發(fā)展，在這里被稱為黏結(jié)裂縫，反映了保護(hù)層的剪切破壞。無論剪切破壞或彎曲破壞，Css和鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度(主要取決于鋼纖維摻量ρsf)是最關(guān)鍵的控制因素，這兩個(gè)因素也直接決定了保護(hù)層對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度τu的貢獻(xiàn)。當(dāng)Css較大，而翼緣側(cè)面的鋼纖維混凝土厚度較小時(shí)，也可能出現(xiàn)側(cè)面先開裂失效的情況，此時(shí)圖中假定的支座首先破壞。本次試驗(yàn)未出現(xiàn)此類情況，因此本文未做討論。

圖9 軸力作用下保護(hù)層的破壞機(jī)理Fig.9 Failure mechanism of concrete cover under axial loading

3 彎矩作用下的界面失效機(jī)理

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

完成了13個(gè)試件的四點(diǎn)彎試驗(yàn)，圖10給出了分載點(diǎn)位置的荷載-撓度(P-Δ)曲線。對(duì)于配置I12和I14型鋼的試件，無一例外的在達(dá)到峰值荷載后經(jīng)歷了荷載的突然減小。部分試件在經(jīng)歷荷載突然減小后，荷載能夠維持在一個(gè)較高值，并且隨著撓度的增大荷載基本維持不變，例如試件I12-1。另有一部分試件在經(jīng)歷荷載突然減小后，荷載隨著撓度的增大繼續(xù)升高，達(dá)到曲線的第二峰值，例如試件I12-2 和I14-3。對(duì)比分析荷載-撓度曲線與試件的破壞發(fā)展過程，荷載突然減小的現(xiàn)象伴隨著型鋼上翼緣與鋼纖維混凝土界面黏結(jié)裂縫的大量出現(xiàn)。當(dāng)黏結(jié)裂縫大量出現(xiàn)時(shí)，型鋼與鋼纖維混凝土的組合效應(yīng)大幅減弱，剛度和承載力在較短的時(shí)間內(nèi)被明顯削弱。因此可以判斷黏結(jié)裂縫的大量出現(xiàn)是導(dǎo)致試件承載力突然減小的原因。荷載突降現(xiàn)象的強(qiáng)弱反映了界面失效的程度。

配置I12和I14工字鋼的試件，由于型鋼配鋼率較大、Css較小，更容易發(fā)生黏結(jié)破壞，如圖11(a)所示。黏結(jié)破壞發(fā)生在跨中的純彎段，黏結(jié)裂縫集中在型鋼受壓翼緣的位置處。而鋼纖維和箍筋可以有效控制界面的黏結(jié)失效。對(duì)于沒有設(shè)置主筋和箍筋的試件，當(dāng)界面完全黏結(jié)失效后，能夠剝離失效的保護(hù)層，裸露出受壓翼緣，如圖11(b)所示。當(dāng)設(shè)置鋼筋籠、且箍筋數(shù)量較少時(shí)，型鋼界面與主筋界面的黏結(jié)失效發(fā)生耦合影響，黏結(jié)破壞的程度更甚于未配置鋼筋籠的試件，如圖11(c)的試件I10-1-L，即使此時(shí)配置的型鋼截面更小。

圖10 荷載-位移曲線Fig.10 Load-displacement curves

圖12給出了型鋼-鋼纖維混凝土組合梁與型鋼混凝土梁[28-33]破壞點(diǎn)位移Δu的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。在設(shè)置相似剪跨比λ 情況下，型鋼-鋼纖維混凝土組合梁具有更好的變形能力。Δu為荷載-撓度曲線降低至85%峰值荷載時(shí)的位移。

3.2 翼緣與混凝土的擠壓傳力

型鋼翼緣與鋼纖維混凝土的界面損傷與黏結(jié)裂縫發(fā)展是影響破壞形態(tài)的重要因素，也是破壞機(jī)理分析的核心部分。圖13給出了內(nèi)力傳遞與破壞機(jī)理。在分載點(diǎn)與支撐點(diǎn)之間，試件同時(shí)承受剪力和彎矩。一部分荷載由分載點(diǎn)斜向傳遞至支撐點(diǎn)，使彎剪段型鋼上翼緣與鋼纖維混凝土之間發(fā)生界面擠壓。擠壓應(yīng)力增加了翼緣與鋼纖維混凝土之間的摩擦力與咬合力[33]，提升了界面的黏結(jié)性能，因此該區(qū)域很少出現(xiàn)黏結(jié)裂縫。

圖11 彎矩作用下的界面失效Fig.11 Interfacial debonding under bending

圖12 破壞點(diǎn)位移的統(tǒng)計(jì)Fig.12 The statisticsof failure point displacement

在兩個(gè)分載點(diǎn)之間，部分荷載首先通過鋼纖維混凝土傳遞至型鋼，然后通過型鋼的抗彎和抗剪，最終傳遞至支撐點(diǎn)。鋼纖維混凝土主要通過對(duì)下翼緣的擠壓，將荷載傳遞至型鋼，僅有少量荷載通過上翼緣傳遞至型鋼。當(dāng)然，隨著Css的增大，兩個(gè)翼緣更靠近截面的中性軸，上翼緣荷載傳遞的比例會(huì)增加，而下部翼緣的比例會(huì)減小。

圖13 彎矩作用下的內(nèi)力傳遞與界面失效機(jī)理Fig.13 Internal force transfer and interfacial failure mechanism under bending

黏結(jié)裂縫出現(xiàn)在分載點(diǎn)之間僅承受彎矩的區(qū)域。在該區(qū)域，橫截面不存在剪切力。根據(jù)剪應(yīng)力的互等定律，翼緣與鋼纖維混凝土的黏結(jié)界面同樣不存在剪應(yīng)力，該區(qū)域的黏結(jié)破壞并不受剪切作用的影響，黏結(jié)裂縫發(fā)生的原因是黏結(jié)界面上的拉應(yīng)力。在鋼纖維混凝土與下翼緣傳力時(shí)，雖然在下翼緣的內(nèi)表面產(chǎn)生擠壓力，也同時(shí)使上翼緣外表面與鋼纖維混凝土存在脫離的趨勢(shì)，并因此產(chǎn)生了界面拉應(yīng)力。由于鋼翼緣與鋼纖維混凝土黏結(jié)界面的抗拉能力有限，上翼緣外表面對(duì)應(yīng)的水平面是抗拉的薄弱環(huán)節(jié)，這里也是黏結(jié)裂縫集中出現(xiàn)的區(qū)域。當(dāng)Css較小時(shí)，下翼緣的傳力比例較大，上翼緣與鋼纖維混凝土界面受拉的情況更嚴(yán)重，也更容易導(dǎo)致黏結(jié)裂縫的大量出現(xiàn)與充分發(fā)展。增加鋼纖維用量，有助于提升該界面的抗拉效應(yīng)，延緩黏結(jié)裂縫的發(fā)展，維持型鋼與鋼纖維混凝土之間的協(xié)同工作。

3.3 受壓區(qū)保護(hù)層的梯形破壞區(qū)域

在分載點(diǎn)之間的純彎段，上翼緣外表面與鋼纖維混凝土的黏結(jié)界面上存在拉應(yīng)力。同時(shí)考慮到該區(qū)域水平方向的彎曲壓應(yīng)力，鋼纖維混凝土處于雙向拉壓的受力狀態(tài)，如圖14所示，裂縫沿水平方向發(fā)展，即黏結(jié)裂縫。黏結(jié)裂縫首先出現(xiàn)在鋼翼緣的肢尖位置，并隨著荷載的增大由內(nèi)向外發(fā)展，直至發(fā)展到表面，形成可視裂縫。

當(dāng)黏結(jié)裂縫沿水平方向發(fā)展至集中荷載作用區(qū)域后，由于集中荷載在黏結(jié)界面上產(chǎn)生了較強(qiáng)的局壓應(yīng)力，此時(shí)該區(qū)域的鋼纖維混凝土豎向應(yīng)力由拉轉(zhuǎn)為壓，受力狀態(tài)也轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向受壓。在雙向壓應(yīng)力的影響下，原本沿水平方向發(fā)展的裂縫開始斜向發(fā)展，方向直指集中荷載的作用位置。在水平裂縫和斜向裂縫的共同影響下，最終在兩個(gè)分載點(diǎn)之間，上翼緣外側(cè)的鋼纖維混凝土保護(hù)層形成了梯形的破壞區(qū)域。

在黏結(jié)裂縫充分發(fā)展并形成梯形的破壞區(qū)域后，彎曲壓應(yīng)力作用于斜向破壞面，使鋼纖維混凝土保護(hù)層向上脫離，而鋼纖維的“橋接”效應(yīng)和箍筋的抗拉抵抗了保護(hù)層的脫離。當(dāng)鋼纖維摻量充足的時(shí)候，即使不設(shè)置箍筋，“橋接”效應(yīng)也能夠維持鋼與混凝土之間的共同工作。當(dāng)鋼纖維和箍筋均較少時(shí)，無法有效限制保護(hù)層的脫離，保護(hù)層成為獨(dú)立的受力單體，最終在彎曲壓應(yīng)力的作用下發(fā)生破壞。特別當(dāng)保護(hù)層厚度較小時(shí)，脫離出來的保護(hù)層就像一塊承受軸壓作用的鋼纖維混凝土薄板，最終喪失穩(wěn)定性而破壞。但此時(shí)由于上翼緣貼近截面邊緣，因此鋼纖維混凝土薄板的破壞并未對(duì)試件的承載性能產(chǎn)生過大的影響。而對(duì)于保護(hù)層較厚的試件，雖然保護(hù)層的穩(wěn)定性更好，但由于上翼緣遠(yuǎn)離受壓區(qū)的中心，界面失效與保護(hù)層破壞對(duì)試件受力性能的影響更為明顯。

圖14 彎矩作用下保護(hù)層的梯形破壞區(qū)域Fig.14 Trapezoidal damage zone of concrete cover under bending

3.4 受拉區(qū)保護(hù)層的縱向劈裂

下翼緣外表面與鋼纖維混凝土的界面擠壓同樣不容忽視。通過該界面的擠壓，型鋼所承受荷載的一部分傳遞給了下部的鋼纖維混凝土保護(hù)層，這是導(dǎo)致試驗(yàn)后期試件底面出現(xiàn)沿縱向發(fā)展的劈裂裂縫的根本原因，如圖13 所示。取下翼緣外側(cè)的鋼纖維混凝土保護(hù)層為研究對(duì)象，建立模型。下翼緣與外側(cè)保護(hù)層之間存在擠壓力，而翼緣側(cè)面的鋼纖維混凝土承受拉應(yīng)力，兩部分作用相互平衡。如將提供拉應(yīng)力的鋼纖維混凝土看作支座，則鋼纖維混凝土保護(hù)層可看作支撐在它上面的簡(jiǎn)支梁。保護(hù)層主要承受擠壓應(yīng)力產(chǎn)生的彎曲效應(yīng)，外表面受拉，并因此產(chǎn)生裂縫。該裂縫沿試件的長(zhǎng)度方向發(fā)展，稱之為縱向劈裂裂縫。該裂縫首先出現(xiàn)在試件的底面，由外向內(nèi)發(fā)展，直至型鋼下翼緣，與黏結(jié)裂縫的發(fā)展趨勢(shì)正好相反。

縱向劈裂裂縫主要出現(xiàn)在加載后期、黏結(jié)裂縫充分發(fā)展后，此時(shí)型鋼上翼緣與鋼纖維混凝土之間的傳力路徑被破壞，型鋼與鋼纖維混凝土之間的相互傳力主要依靠下翼緣完成，下翼緣外表面與鋼纖維混凝土之間的擠壓作用增強(qiáng)，劈裂裂縫因此得到更充分的發(fā)展。

4 結(jié)論

本文通過36個(gè)試件的推出試驗(yàn)和13個(gè)試件的四點(diǎn)彎試驗(yàn)，分別研究了型鋼-鋼纖維混凝土組合結(jié)構(gòu)在軸心力與彎矩作用下的界面失效，獲得了以下主要結(jié)論：

(1)在軸心力作用下，黏結(jié)界面主要承受剪切力。由于型鋼受力的泊松效應(yīng)，黏結(jié)界面也存在鋼與混凝土之間的相互擠壓。型鋼通過黏結(jié)界面逐步將軸向壓力傳遞到鋼纖維混凝土，型鋼承受的壓力及泊松效應(yīng)自上而下逐步減小，黏結(jié)界面的擠壓作用也呈現(xiàn)從上到下的遞減現(xiàn)象，也因此界面的擠壓應(yīng)力和黏結(jié)應(yīng)力的分布存在著較為嚴(yán)重的不均勻性。此次試驗(yàn)中，矩形截面試件的黏結(jié)強(qiáng)度介于0.598 MPa～1.496 MPa，圓形截面試件的黏結(jié)強(qiáng)度介于0.668 MPa～1.913 MPa。

(2)在軸心力作用下，由于翼緣與鋼纖維混凝土的界面擠壓，鋼纖維混凝土在兩個(gè)正交方向承受拉力，這是混凝土損傷與開裂的主要原因。在試件的頂部區(qū)域，型鋼受力大，泊松效應(yīng)強(qiáng)，由界面擠壓產(chǎn)生的拉應(yīng)力較大，因此大多數(shù)試件的裂縫，以及界面的初始滑移，均首先出現(xiàn)在該區(qū)域，并逐步向試件底部發(fā)展。

(3)四點(diǎn)彎試驗(yàn)的跨中純彎段，受壓翼緣外表面與鋼纖維混凝土的黏結(jié)界面上存在豎向拉應(yīng)力。同時(shí)考慮到該區(qū)域水平方向的彎曲壓應(yīng)力，鋼纖維混凝土處于雙向拉壓的受力狀態(tài)，裂縫沿水平方向發(fā)展，即黏結(jié)裂縫。當(dāng)該裂縫沿水平方向發(fā)展至集中荷載作用區(qū)域后，由于集中荷載在黏結(jié)界面上產(chǎn)生了較強(qiáng)的局壓應(yīng)力，此時(shí)該區(qū)域的鋼纖維混凝土豎向應(yīng)力由拉轉(zhuǎn)為壓，受力狀態(tài)也轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向受壓，裂縫開始斜向發(fā)展，指向集中荷載作用點(diǎn)。最終在兩個(gè)分載點(diǎn)之間，上翼緣外側(cè)的鋼纖維混凝土保護(hù)層形成了梯形的破壞區(qū)域。

(4)彎矩作用下，通過下翼緣外表面與鋼纖維混凝土的界面擠壓，型鋼所承受荷載的一部分傳遞給了下部的鋼纖維混凝土保護(hù)層，導(dǎo)致試件底面出現(xiàn)沿縱向發(fā)展的劈裂裂縫。

(5)保護(hù)層厚度、箍筋設(shè)置、鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度(主要取決于鋼纖維摻量)是最關(guān)鍵的控制因素，直接決定了界面黏結(jié)性能的強(qiáng)弱。當(dāng)鋼纖維摻量充足的時(shí)候，即使不設(shè)置箍筋，鋼纖維的“橋接”效應(yīng)也能夠維持鋼與混凝土之間的共同工作，避免界面失效。