加勁肋對(duì)方鋼管再生混凝土黏結(jié)性能的影響

董宏英，陳學(xué)鵬，曹萬(wàn)林，張建偉，趙洪飛

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124)

鋼管混凝土界面黏結(jié)性能是工程界和學(xué)術(shù)界普遍關(guān)注的問(wèn)題，許多學(xué)者[1]進(jìn)行了大量有益的研究，試驗(yàn)結(jié)果離散性較大，在Tao等[2]的試驗(yàn)中1 165 d齡期試件的黏結(jié)強(qiáng)度僅40 Pa，低于多國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)程. 為了改善鋼管混凝土界面黏結(jié)性能，加勁肋或栓釘廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程[3-4]. 許開(kāi)成等[5]完成11個(gè)不同界面處理的鋼管混凝土短柱試件的推出試驗(yàn)，結(jié)果表明縱肋對(duì)黏結(jié)性能影響顯著. 喬崎云等[6]進(jìn)行10個(gè)內(nèi)壁設(shè)置抗剪連接件的方鋼管混凝土推出試驗(yàn)，鋼管寬厚比的降低及連接件厚度的增大均能有效提高極限承載力及初始剛度. 任慶英[7]對(duì)25個(gè)內(nèi)壁設(shè)置栓釘?shù)匿摴芑炷林蟪叽缭嚰M(jìn)行推出試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明工程應(yīng)用低估了足尺鋼管混凝土柱的界面黏結(jié)力與內(nèi)壁設(shè)置栓釘?shù)氖芗舫休d力. 目前對(duì)于方鋼管混凝土中設(shè)置加勁肋和栓釘?shù)难芯咳杂胁蛔?，特別是當(dāng)采用再生混凝土?xí)r，本次試驗(yàn)進(jìn)行30個(gè)不同構(gòu)造不同類型再生混凝土的方鋼管混凝土推出試驗(yàn)，以研究試驗(yàn)參數(shù)對(duì)界面黏結(jié)性能的影響，并計(jì)算水平加勁肋試件的界面抗剪強(qiáng)度.

1 試驗(yàn)概況

1.1 材料性能

試件采用邊長(zhǎng)為220 mm的方鋼管，厚度為5 mm，加勁肋厚度為3 mm，栓釘直徑為5 mm，部分鋼材基本力學(xué)性能見(jiàn)表1. 核心區(qū)混凝土采用再生混凝土，再生粗骨料取代率為0%、50%、100%，混凝土水膠比為0.32或0.50. 混凝土基本參數(shù)見(jiàn)表2，其中水泥為P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，外加劑包括粉煤灰、礦粉和減水劑.

表1 鋼材力學(xué)性能

表2 混凝土力學(xué)性能

①fy為屈服強(qiáng)度. ②fu為抗拉強(qiáng)度. ③Es為彈性模量. ④δ為伸長(zhǎng)率.

1.2 試件設(shè)計(jì)與制作

共設(shè)計(jì)30個(gè)試件. 鋼管內(nèi)壁采用5種不同構(gòu)造：無(wú)構(gòu)造、設(shè)置縱向加勁肋構(gòu)造、設(shè)置水平加勁肋構(gòu)造、設(shè)置縱向加勁肋與水平加勁肋復(fù)合構(gòu)造、設(shè)置栓釘構(gòu)造，依次命名為GZ1～GZ5，如圖1所示. 試件上部混凝土與鋼管平齊，為加載端；試件下部預(yù)留40 mm不澆筑混凝土，為自由端.

圖1 試件設(shè)計(jì)圖(單位：mm)Fig.1 Design drawing of specimens (unit: mm)

試件編號(hào)采用構(gòu)造類型和混凝土類型組合，如GZ1- L- 0表示試件無(wú)構(gòu)造措施，采用低水膠比和再生骨料取代率為0%的混凝土. 各試件主要參數(shù)如表3所示.

1.3 試驗(yàn)裝置及加載制度

試驗(yàn)采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)提供推出荷載，采用CRONOS動(dòng)態(tài)采集儀采集數(shù)據(jù). 在試件加載端上方放置50 mm厚的加載端板，其邊長(zhǎng)略小于方鋼管內(nèi)徑，加載時(shí)將核心區(qū)混凝土推出至試件自由端. 對(duì)于縱向加勁肋構(gòu)造試件在縱向加勁肋位置進(jìn)行銑槽，以使加載端荷載僅作用于混凝土，見(jiàn)圖2(a)(b). 在方鋼管側(cè)面沿高度開(kāi)3個(gè)40 mm×15 mm的矩形孔，在矩形孔頂部放置螺桿與混凝土固結(jié)為整體，螺桿上固定小鋼板作為混凝土與鋼管的相對(duì)滑移位移測(cè)點(diǎn)；在方鋼管外壁沿豎向間距60 mm豎向均勻布置5個(gè)豎向應(yīng)變片，見(jiàn)圖2(c). 試驗(yàn)采用位移控制，加載速率為0.1 mm/s，加載至位移達(dá)到30 mm左右，荷載趨于穩(wěn)定，結(jié)束加載.

圖2 試驗(yàn)加載裝置Fig.2 Test setup

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)結(jié)束后將試件的方鋼管剖開(kāi)，核心區(qū)混凝土表面狀況見(jiàn)圖3. 縱向加勁肋構(gòu)造試件鋼管混凝土界面基本完整，4個(gè)角部和中部縱向加勁肋位置附近有擠碎混凝土碎塊；水平加勁肋構(gòu)造試件混凝土明顯分為上下2層，水平加勁肋上側(cè)混凝土大量擠碎，下側(cè)則基本完好；縱向加勁肋與水平加勁肋復(fù)合構(gòu)造試件混凝土表面大量擠碎，集中在水平加勁肋上側(cè)和4個(gè)角部位置；栓釘構(gòu)造試件界面基本完好，各栓釘從根部剪斷并殘留在混凝土中.

圖3 試件的典型破壞特征Fig.3 Typical failure mode of specimens

2.2 荷載-位移曲線

共得到30條加載端荷載- 位移曲線(P-S曲線)，按照構(gòu)造類型分為5組，見(jiàn)圖4. GZ1～GZ4組試件的荷載- 位移曲線由上升段和殘余段組成. GZ5組試件的荷載- 位移曲線由上升段、陡降段和殘余段3個(gè)部分組成. 鋼管混凝土界面的黏結(jié)力由化學(xué)黏結(jié)力、機(jī)械咬合力和摩阻力組成. 對(duì)于GZ1、GZ2試件，在滑移產(chǎn)生后化學(xué)黏結(jié)力消失，由于混凝土芯受壓后的橫向膨脹增加了機(jī)械咬合力和摩阻力，滑移后期界面黏結(jié)力持續(xù)增長(zhǎng)；對(duì)于GZ3、GZ4試件，環(huán)向加勁肋的抗剪力成為主要因素，由于環(huán)向加勁肋剛度更大，上側(cè)混凝土不斷壓碎累積，在推力作用下最終以混凝土全部壓碎或環(huán)向肋板屈服作為極限狀態(tài)，故曲線峰值后將出現(xiàn)下降，由于鋼材良好的變形性能，殘余段較平穩(wěn)；對(duì)于GZ5試件，滑移前期栓釘承擔(dān)部分剪力，但栓釘剛度弱于環(huán)向加勁肋，在達(dá)到極限狀態(tài)后栓釘剪斷，滑移曲線出現(xiàn)陡降，之后類似于無(wú)構(gòu)造試件.

圖4 試件荷載- 位移曲線Fig.4 P- S curve of specimens

為了簡(jiǎn)明地描述各荷載- 位移曲線的特征，將推出荷載、殘余推出荷載、耗能能力作為曲線特征值，進(jìn)而計(jì)算出黏結(jié)強(qiáng)度和殘余黏結(jié)強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表3.

2.3 構(gòu)造措施對(duì)黏結(jié)性能的影響

為了減小混凝土參數(shù)的影響，將各試件的黏結(jié)強(qiáng)度、殘余黏結(jié)強(qiáng)度和耗能能力特征值按照構(gòu)造類型分為5組，并求出各組平均值，結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 不同構(gòu)造試件荷載- 位移曲線特征值均值

縱向加勁肋構(gòu)造試件的黏結(jié)強(qiáng)度、殘余黏結(jié)強(qiáng)度和耗能能力比無(wú)構(gòu)造試件分別提高5.0、3.6和3.8倍. 在核心區(qū)混凝土受到推力橫向膨脹時(shí)與鋼管壁相互擠壓，縱向加勁肋局部加強(qiáng)了方鋼管壁中部的剛度，從而使得界面擠壓作用增強(qiáng)而增大了摩阻力；縱向加勁肋寬度為鋼管內(nèi)徑的12%，深入混凝土內(nèi)部的加勁肋受到來(lái)自兩側(cè)混凝土的擠壓力，使得加勁肋兩側(cè)界面摩阻力獲得提高；在加載后期核心區(qū)混凝土橫向膨脹增大，摩阻力隨之增大，故荷載- 位移曲線殘余段保持增長(zhǎng).

水平加勁肋構(gòu)造試件的黏結(jié)強(qiáng)度、殘余黏結(jié)強(qiáng)度和耗能能力比無(wú)構(gòu)造試件分別提高6.4、4.9和5.3倍. 水平加勁肋的寬度為鋼管內(nèi)徑的5%，較低的用鋼量極大地改善了界面黏結(jié)性能；由于水平加勁肋剛度較大，在推出過(guò)程中與上側(cè)混凝土相互擠壓，上側(cè)混凝土不斷被擠碎而累積，上部推力持續(xù)作用下，擠壓作用最終達(dá)到穩(wěn)定.

縱向加勁肋與水平加勁肋復(fù)合構(gòu)造試件的黏結(jié)強(qiáng)度、殘余黏結(jié)強(qiáng)度和耗能能力比無(wú)構(gòu)造試件分別提高12.0、6.6和8.1倍，與2種構(gòu)造簡(jiǎn)單疊加效果相比，黏結(jié)強(qiáng)度提高5.4%、殘余黏結(jié)強(qiáng)度降低19.2%、耗能能力降低9.8%. 2種加勁肋從2個(gè)方向加強(qiáng)鋼管壁的剛度，進(jìn)一步提高界面摩阻力；在縱向加勁肋支持下的水平加勁肋更加牢固，在與上側(cè)混凝土及混凝土碎塊相互擠壓中更不易達(dá)到屈服狀態(tài).

栓釘構(gòu)造試件的黏結(jié)強(qiáng)度和耗能能力比無(wú)構(gòu)造試件分別提高1.3倍和17.8%，而殘余黏結(jié)強(qiáng)度幾乎相同. 栓釘顯著增加界面的初期黏結(jié)強(qiáng)度，混凝土持續(xù)滑移后栓釘逐漸被剪斷，此后的作用很小；栓釘?shù)闹睆綖? mm，整體用鋼量較少，表現(xiàn)出較高的構(gòu)造效率.

總體而言，縱向加勁肋、水平加勁肋均能有效提高方鋼管再生混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度、殘余黏結(jié)強(qiáng)度和耗能能力；縱向加勁肋與水平加勁肋的復(fù)合構(gòu)造改善效果最好，相比于2種構(gòu)造簡(jiǎn)單疊加復(fù)合構(gòu)造的黏結(jié)強(qiáng)度提高5.4%；栓釘構(gòu)造僅增加界面的黏結(jié)強(qiáng)度，對(duì)殘余黏結(jié)強(qiáng)度影響不大.

2.4 混凝土參數(shù)對(duì)黏結(jié)性能的影響

對(duì)于混凝土水膠比的影響，將各試件的黏結(jié)強(qiáng)度、殘余黏結(jié)強(qiáng)度和耗能能力特征值按照構(gòu)造類型和水膠比分類，并求出各平均值，結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 不同水膠比試件荷載- 位移曲線特征值均值

低水膠比的無(wú)構(gòu)造試件的黏結(jié)強(qiáng)度、殘余黏結(jié)強(qiáng)度和耗能能力更低. 目前混凝土水膠比(強(qiáng)度)對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響仍存在爭(zhēng)議，多個(gè)學(xué)者[8-10]試驗(yàn)表明黏結(jié)強(qiáng)度隨混凝土強(qiáng)度的提高而提高，另有研究[11-12]得到相反的結(jié)論，而劉永健等[13]則認(rèn)為混凝土強(qiáng)度的影響不明顯. 鋼管混凝土黏結(jié)強(qiáng)度離散性是造成分歧的重要原因，水膠比更低的混凝土強(qiáng)度更高，進(jìn)而提高界面機(jī)械咬合力，但高強(qiáng)混凝土的收縮更大使界面密實(shí)度更低[1]. 栓釘構(gòu)造低水膠比試件黏結(jié)強(qiáng)度比高水膠比試件高30 Pa，縱向加勁肋構(gòu)造低水膠比試件比高水膠比試件高130 Pa，水平加勁肋構(gòu)造低水膠比試件則高出430 Pa，而縱向加勁肋與水平加勁肋復(fù)合構(gòu)造低水膠比試件比高水膠比高380 Pa，隨著構(gòu)造的加強(qiáng)，低水膠比試件的黏結(jié)強(qiáng)度逐漸提高，收縮帶來(lái)的負(fù)面影響減弱，混凝土抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)更明顯.

對(duì)于再生粗骨料取代率的影響見(jiàn)圖4，再生粗骨料全取代試件的曲線多次離散于其他混凝土參數(shù)的相同構(gòu)造試件. 由于不同再生粗骨料取代率的影響規(guī)律不統(tǒng)一，試件數(shù)量較少無(wú)法克服離散問(wèn)題，不再進(jìn)一步分析.

2.5 應(yīng)變分析

以試件GZ3- H- 0為例，鋼管外壁豎向應(yīng)變隨荷載變化見(jiàn)圖5. 縱坐標(biāo)為應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的相對(duì)高度位置，其中試件自由端為0，橫坐標(biāo)為應(yīng)變值. 鋼管豎向應(yīng)變沿高度從上至下逐漸增大，水平加勁肋位于第3個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)高度，隨著荷載逐漸增大，由水平加勁肋傳來(lái)的集中剪力使得鋼管壁壓應(yīng)力顯著增加.

圖5 應(yīng)變隨荷載變化圖Fig.5 Strain diagram with varying load

3 水平加勁肋抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式

試驗(yàn)結(jié)果表明，水平加勁肋在較少用鋼量情況下明顯提高方鋼管再生混凝土黏結(jié)強(qiáng)度，針對(duì)水平加勁肋試件的界面抗剪強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算. GB- 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]給出槽鋼連接件的抗剪強(qiáng)度計(jì)算方法

(1)

日本學(xué)者河野昭彥等[15]認(rèn)為水平加勁肋剪切屈服強(qiáng)度預(yù)測(cè)值Pm,p應(yīng)取核心區(qū)混凝土的承載力Ps和水平加勁肋的剪切屈服強(qiáng)度Pd的較小值，即

(2)

式中：αc為試驗(yàn)值的調(diào)整因子，取1.3；Ac為鋼管內(nèi)表面積；Ad為水平加勁肋的投影面積；σb為混凝土抗壓強(qiáng)度；φ為鋼管內(nèi)周長(zhǎng)；td為水平加勁肋厚度；σy為水平加勁肋屈服強(qiáng)度. 水平加勁肋構(gòu)造試件的抗剪強(qiáng)度計(jì)算屈服值與試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示. 式(2)中水平加勁肋構(gòu)造的計(jì)算屈服值與試驗(yàn)結(jié)果略有保守，可用來(lái)預(yù)測(cè)方鋼管再生混凝土構(gòu)件內(nèi)水平加勁肋的抗剪承載力的屈服值.

圖6 計(jì)算屈服值與試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Calculated yield value and test result

4 結(jié)論

1) 無(wú)構(gòu)造或加勁肋構(gòu)造方鋼管再生混凝土荷載- 位移曲線由上升段和殘余段組成；栓釘構(gòu)造試件荷載- 位移曲線由上升段、陡降段和殘余段組成.

2) 縱向加勁肋、水平加勁肋均能有效提高方鋼管再生混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度、殘余黏結(jié)強(qiáng)度和耗能能力；縱向加勁肋與水平加勁肋的復(fù)合構(gòu)造改善效果最好，與2種構(gòu)造簡(jiǎn)單疊加相比，復(fù)合構(gòu)造的黏結(jié)強(qiáng)度提高5.4%；栓釘構(gòu)造僅增加了界面的初期黏結(jié)強(qiáng)度，對(duì)殘余黏結(jié)強(qiáng)度影響不大.

3) 隨著構(gòu)造措施的加強(qiáng)，相比于高水膠比試件，低水膠比試件的界面黏結(jié)強(qiáng)度提高更多，再生粗骨料全取代的方鋼管再生混凝土的黏結(jié)性能不穩(wěn)定.