不同構(gòu)造圓鋼管混凝土的黏結(jié)性能*

董宏英，陳學(xué)鵬，曹萬林

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

0 引言

圓鋼管混凝土(CFCST)憑借良好的承載能力和抗震性能已得到長足的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。但鋼管混凝土始終是兩種性能差異較大材料的組合，黏結(jié)性能是一個(gè)基礎(chǔ)性的關(guān)鍵問題，直接影響著鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的損傷演化和受力性能。尤其是在梁柱節(jié)點(diǎn)位置和基礎(chǔ)頂面位置，外力主要傳遞到鋼管或混凝土芯上，需要有足夠的黏結(jié)強(qiáng)度來保證荷載傳遞[1]。

在過去四十多年的研究中，已經(jīng)對鋼管混凝土界面黏結(jié)性能做了大量有益的探索[2-3]。各國的鋼管混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)基于不同試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分別給出了鋼管混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)建議值[4-6]。但這些建議值多數(shù)是小縮尺模型的試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)Tao等[7]的研究，截面尺寸較大時(shí)混凝土的收縮會對鋼管混凝土的黏結(jié)性能產(chǎn)生很大的不利影響，并指出現(xiàn)行規(guī)范的建議值可能存在問題。多個(gè)研究[7-11]發(fā)現(xiàn)在鋼管內(nèi)部設(shè)置抗剪件的方式可以顯著增強(qiáng)鋼管混凝土界面黏結(jié)性能，這種方式也得到了工程應(yīng)用的認(rèn)可。

以往的研究試件尺寸多數(shù)在200mm以內(nèi)，不利于構(gòu)造措施的制作且很難反映實(shí)際狀況，核心區(qū)混凝土多為中等強(qiáng)度，對于提高黏結(jié)性能有效構(gòu)造的研究較少。為此，本文進(jìn)行了12個(gè)大尺寸圓鋼管混凝土試件的推出試驗(yàn)。通過各試件的破壞特征、荷載-滑移曲線和應(yīng)變，分析了構(gòu)造措施和水膠比對圓鋼管混凝土黏結(jié)性能的影響，并得到了環(huán)向肋板抗剪強(qiáng)度的計(jì)算方法。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

共設(shè)計(jì)了12個(gè)試件，鋼管內(nèi)部構(gòu)造措施包括無構(gòu)造、豎向肋板構(gòu)造、鋼管拉結(jié)板構(gòu)造、環(huán)向肋板構(gòu)造、環(huán)向肋板豎向肋板構(gòu)造、環(huán)向肋板豎向肋板鋼筋籠構(gòu)造，依次命名為CFCST1～ CFCST6組試件，每組2個(gè)試件，其中CFCST6組試件為?？谒讓愉摴芑炷林孛娴?/10縮尺模型，試件設(shè)計(jì)圖見圖1。核心區(qū)混凝土采用0.27(L)或0.35(H)兩種水膠比的高強(qiáng)混凝土。

圖1 試件設(shè)計(jì)圖

試件下部預(yù)留50mm高度的空間不澆筑混凝土作為滑移自由端。在鋼管壁上間距150mm切割出55mm×20mm的方孔，螺栓桿通過方孔與內(nèi)部混凝土固結(jié)為整體，作為測量混凝土不同高度處滑移位移的測點(diǎn)。采用混凝土水膠比加構(gòu)造類型(CFCST1～ CFCST6)的試件命名方式，如L-CFCST1試件表示采用低水膠比混凝土和無構(gòu)造的鋼管。試件制作過程照片如圖2所示。

圖2 試件制作流程

1.2 試驗(yàn)材料

混凝土的基本參數(shù)如表1所示，以水膠比作為混凝土主要指標(biāo)，膠凝材料包括水泥、礦粉、粉煤灰和硅灰。所用鋼材實(shí)測力學(xué)性能如表2所示。

混凝土基本參數(shù) 表1

鋼材實(shí)測力學(xué)性能 表2

1.3 加載裝置與加載制度

試驗(yàn)在北京市城市安全與災(zāi)害工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，試驗(yàn)時(shí)混凝土齡期為113-121d。采用SAW-72000J多功能聯(lián)合加載結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單向推出試驗(yàn)。試件上側(cè)為加載端，將直徑略小于鋼管內(nèi)徑的70mm厚的圓形端板置于混凝土上用于施加推出荷載，為保證推出荷載僅作用于核心區(qū)混凝土，在端板下表面與鋼板構(gòu)造接觸位置銑50mm深的凹槽。端板上放置力傳感器，用于采集荷載。在鋼管壁方孔中伸出的螺栓桿上設(shè)置拉線位移計(jì)DM1～DM4，用于測量螺栓桿與臺座間的相對滑移位移，另在加載板和臺座之間對稱地布置兩個(gè)拉線位移計(jì)用于檢測加載板的水平度從而保證荷載均勻作用于試件加載端。在鋼管壁外表面布置橫縱向應(yīng)變片和混凝土內(nèi)縱筋上布置縱向應(yīng)變片，用于采集這些位置的應(yīng)變。加載裝置示意圖和加載現(xiàn)場照片如圖3所示。試驗(yàn)前先對試件進(jìn)行5kN預(yù)壓，卸載后以0.5 mm/min的加載速率正常加載。

圖3 加載裝置示意及現(xiàn)場照片

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

在推出過程中，CFCST1～ CFCST3組試件不斷傳來混凝土擠壓開裂的“咯吱”聲，CFCST4～ CFCST6組試件則不斷傳來聲音較大的脆性聲響，為混凝土不斷被環(huán)向肋板壓碎的聲音。觀察各試件的上表面破壞形態(tài)，CFCST1組試件的滑移面有滑移產(chǎn)生的痕跡，但基本無殘留混凝土；CFCST2組試件的界面尤其在豎向肋附近有少量混凝土小碎塊；CFCST4組試件有明顯的混凝土碎塊帶，且有大量混凝土小碎塊；CFCST6組試件上表面的混凝土碎塊更大更多。CFCST4～CFCST6組試件試驗(yàn)過程中鋼管外壁的環(huán)向肋高度位置不斷向外鼓出，在試驗(yàn)結(jié)束后鼓曲明顯。試件破壞形態(tài)如圖4所示。

圖4 試件破壞形態(tài)

2.2 荷載-滑移曲線及特征值

各高度位置(圖3(a)中箭頭所示)測得的位移變化基本相同，取DM1處的荷載-滑移(P-S)曲線作為代表曲線，按照構(gòu)造類型整理6組，如圖5所示。CFCST1組試件的P-S曲線可分為3個(gè)部分：1)上升階段，此時(shí)處于加載初期，P-S曲線接近一條直線，這一階段的混凝土與鋼管間幾乎無滑移；2)陡降段，P-S曲線為一條突降的曲線，混凝土產(chǎn)生明顯滑移；3)殘余階段，P-S曲線在下降之后保持平穩(wěn)且略有上升。CFCST2，CFCST3組試件的P-S曲線由兩個(gè)斜率不同的上升段組成，可見豎向構(gòu)造可消除P-S曲線的陡降段且后期荷載持續(xù)穩(wěn)定，可有效改善界面黏結(jié)性能。CFCST4組試件的P-S曲線在上升段、平直段后也出現(xiàn)下降段，顯然環(huán)向肋板達(dá)到屈服并持續(xù)變形，但下降段趨勢較為平緩。CFCST5，CFCST6組試件的P-S曲線非常相似，基本由上升段和平直段組成，未表現(xiàn)出明顯下降段。在豎向肋板支持下，環(huán)向肋板始終未發(fā)生較大變形，導(dǎo)致混凝土不斷被壓碎并大量堆積，環(huán)向肋板上側(cè)鋼管壁鼓曲變形，由此導(dǎo)致的鋼管壓縮量也是P-S曲線位移值的一部分。

圖5 P-S曲線

各試件P-S曲線的特征值表3

為了更好地描述曲線特征，取P-S曲線的3個(gè)特征點(diǎn)，分別是滑移開始迅速發(fā)展的起點(diǎn)(Ss，Ps)，滑移全過程的峰值點(diǎn)(Su，Pu)和峰值后下降段的終點(diǎn)(Sr，Pr)。定義平均黏結(jié)強(qiáng)度τ為荷載P與鋼管混凝土接觸面積A的比值，τs，τu，τr分別為Ps，Pu，Pr的平均黏結(jié)強(qiáng)度。取P-S曲線橫坐標(biāo)0～25mm段與橫、縱坐標(biāo)圍成的面積W作為耗能能力的評價(jià)指標(biāo)。各試件P-S曲線的特征值如表3所示。

2.3 構(gòu)造措施對黏結(jié)性能的影響

本次試驗(yàn)共6種構(gòu)造，為了較全面地評價(jià)不同構(gòu)造的黏結(jié)性能，取極限平均黏結(jié)強(qiáng)度τu作為黏結(jié)強(qiáng)度的評價(jià)指標(biāo)，取曲線積分面積W作為耗能能力的評價(jià)指標(biāo)。各試件的τu，W值及平均值如表4和表5所示。

黏結(jié)強(qiáng)度 表4

耗能能力 表5

從豎向構(gòu)造看，CFCST2組試件的平均黏結(jié)強(qiáng)度τuAVE和平均耗能能力WAVE比CFCST1組試件分別提高了7.3倍和11.5倍，說明豎向肋構(gòu)造能有效提高界面黏結(jié)強(qiáng)度和耗能能力。雖然只增加了有限的接觸面積，但由于肋板平面內(nèi)剛度很大而限制了混凝土芯受壓膨脹對鋼管壁造成的擠壓變形，這極大地提高了鋼管內(nèi)表面與混凝土的擠壓。此外，豎向肋板兩側(cè)混凝土相互擠壓增加了界面摩阻力，也使得黏結(jié)性能獲得改善。CFCST3組試件的τuAVE和WAVE比CFCST1組試件分別提高了8.7倍和42.7倍，說明圓鋼管拉結(jié)板構(gòu)造可大幅提高界面黏結(jié)性能，拉結(jié)板有效限制了混凝土芯對鋼管壁造成的擠壓變形，且拉結(jié)板兩側(cè)和內(nèi)鋼管兩側(cè)受到混凝土相近的擠壓力難以變形，于是界面摩阻力大幅提高。

從橫向構(gòu)造看，CFCST4組試件的τuAVE和WAVE比CFCST1組試件分別提高了18.3倍和28.1倍，環(huán)向肋板通過焊縫將推出荷載直接傳遞到鋼管，這種傳力機(jī)理高效地提升了界面黏結(jié)強(qiáng)度和耗能能力，隨著環(huán)向肋上側(cè)混凝土小碎塊的不斷堆積，在上側(cè)壓力持續(xù)作用下，環(huán)向肋逐步屈服，變形抗剪能力逐漸下降。CFCST5組試件的τuAVE和WAVE比CFCST4組試件分別提高了16.9%和26.8%，環(huán)向肋和豎向肋的組合構(gòu)造的τuAVE和WAVE是環(huán)向肋構(gòu)造和豎向肋構(gòu)造的直接疊加效果的82.5%和91.0%，這是因?yàn)樨Q向肋可以通過支撐環(huán)向肋直接分擔(dān)界面剪力，同時(shí)由于豎向肋的支撐，環(huán)向肋難以變形而不斷擠碎上側(cè)混凝土，混凝土表面持續(xù)破壞使得豎向肋構(gòu)造提高界面摩阻力的作用得不到完全地利用。CFCST6組試件的τuAVE和WAVE比CFCST5組試件分別提高了0.3%和降低了3.8%，這是因?yàn)殇摻罨\未與鋼管建立直接聯(lián)系，幾乎不能提高界面黏結(jié)強(qiáng)度，甚至由于混凝土澆筑不密實(shí)和限制混凝土環(huán)向膨脹的作用使界面耗能能力有所降低，但對抗壓等性能仍有所提高[12]。

綜上可以得到以下結(jié)論：豎向構(gòu)造可有效改善鋼管混凝土界面黏結(jié)性能；環(huán)向肋板可大幅提高界面黏結(jié)強(qiáng)度和耗能能力；環(huán)向肋和豎向肋的組合構(gòu)造對于改善界面黏結(jié)性能效果最好；鋼筋籠對于黏結(jié)性能的影響不大。

2.4 混凝土對黏結(jié)性能的影響

混凝土對黏結(jié)強(qiáng)度的影響主要是對化學(xué)黏結(jié)力、機(jī)械咬合力和摩阻力的影響，其中化學(xué)黏結(jié)力取決于水泥凝膠體的性質(zhì)和鋼筋表面的粗糙情況，機(jī)械咬合力取決于混凝土的抗剪強(qiáng)度，即與水膠比相關(guān)，摩阻力取決于徑向壓力和摩擦系數(shù)[13]。

本次試驗(yàn)混凝土共兩種水膠比，即兩種混凝土強(qiáng)度。L-CFCST1試件的τu比H-CFCST1試件提高了43.2%，但L-CFCST1試件的W與H-CFCST1試件基本相同，這是由于低水膠比混凝土的抗剪強(qiáng)度更大，故機(jī)械咬合力會高于高水膠比混凝土，但低水膠比混凝土的彈性模量更大、脆性更明顯并且與鋼管壁的擠壓作用更小，導(dǎo)致滑移后期摩阻力將小于高水膠比混凝土。故總體來看L-CFCST1試件的τu更大，但τr更小，而W相差不多。L-CFCST2試件的τu和W比H-CFCST1試件分別提高了37.1%和48.6%，豎向肋限制了鋼管的向外變形而增加了混凝土與鋼管內(nèi)壁的擠壓，這使得高水膠比混凝土滑移后期的摩阻力得到保證，整個(gè)過程表現(xiàn)出了更好的黏結(jié)性能。對于CFCST3組的兩個(gè)試件，大幅提高的界面擠壓力將摩阻力提升為主要抗剪力的組成部分，水膠比的影響變小，對于CFCST4～CFCST6組試件，混凝土的水膠比不再是主要影響因素。

綜上，鋼管混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度與混凝土水膠比相關(guān)，水膠比越低，黏結(jié)強(qiáng)度越大。

2.5 應(yīng)變分析

本次試驗(yàn)的應(yīng)變測點(diǎn)主要有兩組：一組為鋼管外壁上設(shè)置的橫縱向應(yīng)變片，用于反映鋼管處的應(yīng)力分布；一組在混凝土內(nèi)部的鋼筋籠縱筋和核心區(qū)混凝土中部縱筋上設(shè)置的縱向應(yīng)變片，用于間接反映混凝土中的應(yīng)力分布。試件H-CFCST6的應(yīng)變隨荷載變化及測點(diǎn)布置如圖6所示，圖中縱軸為測點(diǎn)的相對高度。

由圖6可見，鋼管的縱向壓應(yīng)變基本為“上小下大”的形狀，荷載主要變化區(qū)間為環(huán)向肋板所在的中部區(qū)段，可見剪應(yīng)力主要由環(huán)向肋板傳遞；鋼管的環(huán)向拉應(yīng)變最大值位于環(huán)向肋板上側(cè)，為此處混凝土小碎塊不斷堆積而對鋼管壁產(chǎn)生擠壓導(dǎo)致；混凝土芯核心部分的最大應(yīng)變變化集中于上部區(qū)域，混凝土芯表面部分的最大應(yīng)變變化集中在中部區(qū)域，可見混凝土芯核心部分的應(yīng)力就近傳遞到表面部分，表面部分的應(yīng)力主要通過環(huán)向肋板傳遞至鋼管，這一過程主要發(fā)生在環(huán)向肋以上的混凝土區(qū)域，傳遞至肋板以下的混凝土區(qū)域的應(yīng)力較少。

圖6 應(yīng)變分析

3 環(huán)向肋板的抗剪強(qiáng)度計(jì)算

對于環(huán)向肋板抗剪強(qiáng)度的計(jì)算，應(yīng)與抗剪件的截面面積建立關(guān)系，同時(shí)考慮到抗剪件的材料屬性和混凝土的材料屬性，Xue等[9]提出栓釘抗剪強(qiáng)度的計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式中：Qu為栓釘?shù)目辜舫休d力；λ為栓釘高度h與直徑d比值的函數(shù)；As為圓柱頭焊釘釘桿的截面面積；Ec為混凝土的彈性模量；Es為栓釘鋼材的彈性模量；fc為混凝土的抗壓強(qiáng)度；fu為栓釘?shù)臉O限抗拉強(qiáng)度。

陳寶春等[10]在圓鋼管混凝土柱內(nèi)栓釘?shù)耐瞥鲈囼?yàn)中發(fā)現(xiàn)λ對于抗剪強(qiáng)度的影響很小而改進(jìn)了式(1)，參考此意見，本文建議圓鋼管混凝土中環(huán)向肋板抗剪承載力的計(jì)算公式如式(2)所示：

Qu=6Asfu(Ec/Es)0.4(fc/fu)0.2

(2)

式中：Qu為環(huán)向肋板的抗剪承載力；As為環(huán)向肋板的截面面積；fu為環(huán)向肋板的抗拉強(qiáng)度；Es為環(huán)向肋板的彈性模量；其余同式(1)。

對于環(huán)向肋和豎向肋的組合構(gòu)造，得到豎向肋支撐的環(huán)向肋十分可靠，將抗剪承載力計(jì)算轉(zhuǎn)化為環(huán)向肋板以上混凝土抗壓強(qiáng)度的問題，對此日本學(xué)者河野昭彥等[14]提出了計(jì)算公式如式(3)所示：

(3)

式中：Ps為核心區(qū)混凝土的抗壓強(qiáng)度；αc為關(guān)于試驗(yàn)值的調(diào)整因子；Ac為鋼管的內(nèi)表面積(本文取環(huán)向肋以上區(qū)域)；Ad為鋼管中環(huán)向肋的投影面積；σb為混凝土抗壓強(qiáng)度。當(dāng)αc取0.85時(shí)與本次試驗(yàn)符合較好。

本次試驗(yàn)給出的環(huán)向肋板抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)值和計(jì)算值如表6所示，目前針對圓鋼管環(huán)向肋板構(gòu)造的推出試驗(yàn)數(shù)據(jù)很少，在未來研究中可進(jìn)一步豐富圓鋼管環(huán)向肋板構(gòu)造抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證或完善已有的計(jì)算方法。在實(shí)際工程中，應(yīng)考慮到焊接不良、混凝土振搗不充分等不利因素，應(yīng)對計(jì)算值適當(dāng)折減。

環(huán)向肋板抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)值和計(jì)算值 表6

4 結(jié)論

(1)無構(gòu)造的圓鋼管高強(qiáng)混凝土荷載-滑移曲線存在陡降段，內(nèi)置構(gòu)造措施可減弱陡降段。

(2)環(huán)向肋板構(gòu)造可大幅提高界面黏結(jié)強(qiáng)度和耗能能力，環(huán)向肋和豎向肋的組合構(gòu)造對于改善界面黏結(jié)性能效果最好，鋼筋籠對于黏結(jié)性能的影響不大。

(3)混凝土與圓鋼管的黏結(jié)強(qiáng)度隨混凝土水膠比降低而升高。

(4)本文提供的的圓鋼管混凝土中環(huán)向肋構(gòu)造、豎向肋和環(huán)向肋組合構(gòu)造的抗剪強(qiáng)度計(jì)算方法與試驗(yàn)結(jié)果符合較好。