槽鋼連接件對(duì)型鋼混凝土錨固性能的影響

韓建強(qiáng)，李秋緒

(1.華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2. 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063210)

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)不僅同時(shí)具有延伸性好、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于大型建筑，其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也十分顯著，在裝配式建筑快速發(fā)展的今天已經(jīng)被廣泛研究和應(yīng)用[1-4]。目前，國內(nèi)學(xué)者針對(duì)型鋼不同表面狀態(tài)影響因素的研究相對(duì)較少。因此，在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中不同的表面條件下,粘結(jié)性能的作用已經(jīng)成為重要的研究課題。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件尺寸

圖1所示為混凝土剖面圖，圖2所示為型鋼截面尺寸圖，圖3所示為槽鋼連接件尺寸圖。表1所示為混凝土截面尺寸，表2所示為型鋼截面尺寸。

圖1 混凝土剖面圖 圖2 型鋼截面尺寸 圖3 槽鋼連接件

表1 混凝土截面尺寸

表2 型鋼截面尺寸

1.2 材料力學(xué)性能

表3所示為型鋼和鋼材的力學(xué)性能，表4 所示為混凝土抗壓強(qiáng)度。

表3 型鋼和鋼材的力學(xué)性能

表4 混凝土抗壓強(qiáng)度

1.3 加載制度

加載采用美國MTS公司生產(chǎn)的243.35T電液伺候加載系統(tǒng)，在2組構(gòu)件的加載端分別進(jìn)行單向推入和加載試驗(yàn)，并采用位移控制進(jìn)行加載，每次加載位移400 mm，加載速率為5 s/mm，加載時(shí)間為200 s。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

鋼板直錨的型鋼表面沒有設(shè)置連接件，粘結(jié)力較低，試件輕微損傷，除自由端外其余5個(gè)表面基本完好。加載端損壞輕微，但自由端的破壞嚴(yán)重，出現(xiàn)45°斜裂縫和混凝土脫落現(xiàn)象，試件破壞見圖4(a)所示。

設(shè)槽鋼連接件的試件粘結(jié)力相對(duì)較高，整體損傷嚴(yán)重，自由端沿型鋼一周開裂，但加載端未嚴(yán)重?fù)p壞。翼緣處裂縫嚴(yán)重?cái)U(kuò)展，并且在連接件處有大塊混凝土脫落，可見縱向鋼筋，試件破壞見圖4(b)所示。

圖4 試件破壞圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)荷載-滑移曲線及其特征

根據(jù)在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)收集到的荷載可以求出2個(gè)試件之間的荷載-滑移曲線(P-S曲線)，見圖5。

圖5 試件荷載-滑移曲線

當(dāng)外荷載達(dá)到一定程度時(shí)，在鋼板直錨的加載端，首先會(huì)產(chǎn)生滑移，型鋼與混凝土之間的化學(xué)粘結(jié)力會(huì)隨時(shí)間的推移開始破壞直到喪失。在外載荷增加到60 kN之前，滑移隨荷載的增加呈線性增加。超過60 kN后，荷載開始波動(dòng)增長，滑移量也由原來的線性增長變?yōu)椴▌?dòng)性迅速增長。隨后在鋼板直錨的自由端也慢慢開始出現(xiàn)滑移，且滑移量迅速增加。當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，型鋼與混凝土之間的化學(xué)粘結(jié)力完全喪失，滑移會(huì)繼續(xù)增加并趨于穩(wěn)定。

在加載初期，附加槽鋼連接件的試件，加載端和自由端幾乎同時(shí)產(chǎn)生滑移，在達(dá)到極限荷載之前二者基本同步且都呈線性緩慢增長模式，超過極限荷載后，隨著荷載平穩(wěn)地下滑，滑移量迅速地增加。隨著荷載平穩(wěn)下滑滑移量迅速增加。

通過對(duì)附加槽鋼連接件試件和鋼板直錨試件荷載滑移曲線的比較，可以看出附加槽鋼連接件試件的極限荷載將近是鋼板直錨試件極限荷載的3～4倍。在2組試驗(yàn)的運(yùn)行過程中，加載端的滑移量始終超過自由端的滑移量，而且極大地縮短了達(dá)到極限荷載時(shí)的滑移量。

3.2 試驗(yàn)荷載-相對(duì)滑移曲線及其特征

最終根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過繪制荷載-相對(duì)滑移(加載端的滑移值減去自由端的滑移值)曲線，研究了試件在破壞過程中，試件加載端與自由端相對(duì)滑移的特征，見圖6。

圖6 試件荷載-相對(duì)滑移曲線

鋼筋直錨的試件在加載初期就產(chǎn)生了相對(duì)滑移，在外荷載達(dá)到60 kN之前呈線性緩慢增加。超過60 kN且達(dá)到極限荷載之前，相對(duì)滑移迅速增大，該過程中的結(jié)合力主要是由化學(xué)膠結(jié)力引起的。

附加槽鋼連接件的試件在外荷載達(dá)到30 kN左右后才開始產(chǎn)生相對(duì)滑移，一直到極限荷載之前，加載端與自由端的相對(duì)滑移始終緩慢增大，最大值僅僅1 mm。從極限荷載下降開始，相對(duì)滑移就迅速增加，最終穩(wěn)定7 mm在左右。在荷載由初始滑移荷載加大到極限荷載的過程中粘結(jié)力由化學(xué)膠結(jié)力和部分機(jī)械咬合力提供，所以連接件的存在減小了相對(duì)滑移變化范圍，減緩了增長速度。

4 有限元分析

試驗(yàn)完成后建立有限元分析模型，分析模型的模擬情況，發(fā)現(xiàn)型鋼的應(yīng)變曲線與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。模擬中考慮到模型計(jì)算的精確度和收斂的要求,模型選擇100 mm×100 mm×100 mm的C3D8R混凝土單元、鋼筋采用50 mm×50 mm×8 mm的六面體鋼板單元及T3D2的鋼筋單元,選取合適的單元數(shù)據(jù)種類以及經(jīng)過優(yōu)化后的網(wǎng)格分割,這樣就將大幅度改善數(shù)據(jù)的計(jì)算精度和工作效率。圖7所示為混凝土應(yīng)力分配云圖，圖8所示為鋼板應(yīng)力分配云圖。

圖7 混凝土應(yīng)力分布云圖

圖8 鋼板應(yīng)力分布云圖

模型完成后，通過計(jì)算得到型鋼的應(yīng)變與滑移的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將其導(dǎo)入Origin9.0中繪制成型鋼的應(yīng)變曲線，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見圖9。

圖9 型鋼表面縱向應(yīng)變分布對(duì)比圖

圖9是分別通過模擬和試驗(yàn)得到的型鋼表面應(yīng)變對(duì)比圖2組試件均選擇外荷載達(dá)到0.3Pu、Pu時(shí)的型鋼表面的應(yīng)變?？梢园l(fā)現(xiàn)：

(1)有限元軟件模擬的應(yīng)變曲線結(jié)果與試驗(yàn)得到的應(yīng)變曲線基本一致。當(dāng)外載荷達(dá)到0.3Pu時(shí)，兩曲線基本相似。當(dāng)外載荷達(dá)到Pu時(shí)，2條曲線的差值增大。

(2)有限元軟件模擬得到的應(yīng)變曲線相比試驗(yàn)得到的應(yīng)變曲線更接近理想的負(fù)指數(shù)變化趨勢。這是因?yàn)橛邢拊浖M的情況更接近理想狀態(tài)，而實(shí)際試驗(yàn)過程中試件制作與加載過程均存在差異。

5 結(jié)論

(1)連接件的設(shè)置大幅提高了試件的粘結(jié)力，其極限荷載將近是鋼筋直錨試件的3～4倍，說明在型鋼表面加設(shè)槽鋼連接件對(duì)提高混凝土與型鋼的粘結(jié)力的效果明顯。

(2)試件的加載端均先于自由端產(chǎn)生滑移，達(dá)到極限荷載之前，兩者基本同步，但超過極限荷載后，加載端與自由端的相對(duì)滑移加大。所以連接件的設(shè)置就顯得尤為重要，它可以有效的降低試件加載端與自由端的相對(duì)滑移。