型鋼混凝土粘結(jié)滑移的研究

裴維平

(銅陵學(xué)院 建筑工程學(xué)院，安徽 銅陵 244000)

0 前 言

型鋼混凝土(簡稱SRC)是一種以型鋼為中心并在周圍配置鋼筋和混凝土的嵌入式組合體系。 根據(jù)混凝土的填充方式，可分為外包型鋼混凝土和部分包裹混凝土。 SRC結(jié)構(gòu)具有承載能力強、延展性能好、抗震效果好等優(yōu)點，在高層建筑以及超高層建筑中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土與型鋼通過兩者之間的粘結(jié)效果共同工作，其粘結(jié)性能直接影響建筑物能夠承載的應(yīng)力大小及變形能力。當型鋼混凝土之間存在局部的粘結(jié)滑移時，會失去化學(xué)粘結(jié)，型鋼與混凝土發(fā)生分離。當滑移量超過一定值時，構(gòu)件或結(jié)構(gòu)將被破壞。

在SRC結(jié)構(gòu)中，兩種性能差別如此之大的材料能夠共同工作的主要原因是因為它們之間的粘結(jié)作用，粘結(jié)滑移行為會直接影響SRC結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、破壞模式和承載能力，因此，設(shè)計更加經(jīng)濟合理的SRC結(jié)構(gòu)，對SRC結(jié)構(gòu)的使用具有重要的理論和實際意義。

1 型鋼混凝土粘結(jié)滑移的基本概念

型鋼混凝土粘結(jié)滑移可以分為局部最大粘結(jié)強度、平均粘結(jié)強度、殘余粘結(jié)強度、粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系四個方面。

1.1 局部最大粘結(jié)強度

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在沿構(gòu)件方向承受的荷載是變化的，發(fā)生的相對滑移也是變化的，取局部最大粘結(jié)應(yīng)力為局部最大粘結(jié)強度，主要控制構(gòu)件何時開展裂紋，從而可以得到構(gòu)件發(fā)生粘結(jié)破壞時的荷載。

1.2 平均粘結(jié)強度

在型鋼混凝土粘結(jié)滑移強度試驗中，通常以構(gòu)件表面受到的平均載荷作為粘結(jié)應(yīng)力，因此，型鋼混凝土的粘結(jié)應(yīng)力就是型鋼混凝土構(gòu)件在外附荷載達到極限值時的粘結(jié)強度。試驗結(jié)果表明，型鋼混凝土的粘結(jié)性能將會隨混凝土埋深變化而變化，所以平均粘結(jié)強度實際就是外部荷載達到極限值時的粘結(jié)強度。

1.3 殘余粘結(jié)強度

當SRC結(jié)構(gòu)或構(gòu)件受到外部荷載時，型鋼與混凝土的粘結(jié)作用完全喪失以后，型鋼與混凝土截面之間仍然存在機械咬合力和摩擦阻力，因此，粘結(jié)力保留一定的剩余值，不會因粘結(jié)滑移的進一步開展而減小，即所謂的殘余粘結(jié)強度。

1.4 粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)受力時節(jié)點處的應(yīng)力關(guān)系非常復(fù)雜，通常認為型鋼周圍的混凝土層具有特殊的力學(xué)性能，混凝土層的變形也是由于型鋼連接面上的相對滑動所造成的，各國研究者為進一步研究試驗建立了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系，并對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系進行了試驗分析。

2 SRC結(jié)構(gòu)粘結(jié)滑移的研究現(xiàn)狀

型鋼與混凝土的相互作用是由于型鋼與混凝土之間的粘結(jié)能力。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)工作時，混凝土?xí)l(fā)生相對滑動。因此，型鋼與混凝土之間的粘結(jié)能力成為研究者們的重要研究方向。20世紀50年以來，隨著型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外研究者就型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)滑移問題進行了大量的試驗。

1950年，坪井善勝[1]進行了多組鋼板拉拔測試，通過混凝土強度、橫向配箍率等多個方面研究型鋼混凝土的粘結(jié)性能并分析了型鋼與混凝土之間粘結(jié)性能偏差的主要因素，提出了相應(yīng)的改進措施。 推薦在規(guī)范當中可以不考慮混凝土的粘結(jié)效果。在1984年，Roeder[2]首次提出沿型鋼長度方向的荷載對型鋼混凝土粘結(jié)性能的影響并獲得粘結(jié)性能的分布規(guī)律。Richard[3]根據(jù)應(yīng)力擴散原理，系統(tǒng)地得出影響構(gòu)件粘結(jié)能力的主要因素，提出在壓縮試驗條件下鋼骨混凝土發(fā)生局部破和極限狀態(tài)下承受荷載的計算方式，并給出了在臨界狀態(tài)下理論上混凝土保護層厚度的計算公式。Hunaiti和Hamdan[4]設(shè)計了135根型鋼混凝土組合柱，并考慮了在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土強度對于粘結(jié)強度所造成的影響，得出結(jié)構(gòu)的粘結(jié)強度與結(jié)構(gòu)中混凝土的強度并沒有顯著影響。Wium[5]為了研究型鋼截面大小、橫向配箍率、混凝土保護層的厚度以及混凝土發(fā)生收縮狀態(tài)下對粘結(jié)強度的影響多次進行了有關(guān)型鋼混凝土推出和短柱試驗，并利用ADINA有限元程序進行結(jié)果分析。Roider[6]利用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)滑移相關(guān)試驗進行了綜合分析，還進行了18個試件的壓痕試驗，得出粘結(jié)能力主要由試件的長高比和型鋼截面面積與構(gòu)件截面面積的比值決定。

在型鋼混凝土以及鋼板混凝土的粘結(jié)滑移試驗，國內(nèi)研究者也做出了重要貢獻。孫國良等[7]通過控制螺栓在結(jié)構(gòu)中的數(shù)量和位置，得出螺栓對粘結(jié)能力的影響，分析了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的軸力傳遞性能。李紅[8]通過四組鋼板拉出式試件的對比試驗，同時考慮了縱向配箍率等多個方面對鋼板混凝土粘結(jié)作用的影響，提出了鋼板混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)性能的計算公式，得出鋼板與混凝土粘結(jié)性能較差。劉燦，何益斌[9]已經(jīng)進行了22次擠壓、梁式和拉拔試驗。 結(jié)果表明，主要由化學(xué)粘結(jié)力和摩擦力組成了型鋼與混凝土之間的粘結(jié)力，加載端附近區(qū)域的化學(xué)粘結(jié)力需要承受壓力與推力。 當化學(xué)粘結(jié)力退出工作時，粘結(jié)力主要靠摩擦力維持。薛健陽[10]進行了16個型鋼混凝土推出試件，通過觀察試驗現(xiàn)象及結(jié)果，分析試件的應(yīng)力-滑移圖像，得到了在試驗初始狀態(tài)下和極限狀態(tài)下試件的粘結(jié)效果以及水平殘余粘結(jié)效果的試驗結(jié)果，研究了混凝土保護層厚度等四個方面與特征粘結(jié)性能的關(guān)系，提出了混凝土臨界狀態(tài)下保護層厚度的定義，在大量的試驗數(shù)據(jù)下，建立了在多種影響因素下型鋼混凝土粘結(jié)強度的計算公式。采用李俊華[11]的方法，研究SRC柱在剪力、軸力和彎矩的共同作用下所產(chǎn)生的粘結(jié)性能。 從而得到了粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線以及特征狀態(tài)下粘結(jié)強度和相對滑移的計算公式。

3 SRC結(jié)構(gòu)粘結(jié)性能的主要影響因素

3.1 型鋼表面條件

Bryson和 Mathey[12]試驗研究了型鋼表面條件對型鋼粘結(jié)性能的影響。結(jié)果表明，噴砂后型鋼的平均粘結(jié)強度與銹蝕型鋼相似，但二者的平均粘結(jié)能力依舊比普通型鋼發(fā)生銹蝕高30% 。

3.2 混凝土強度

坪井善勝及Bryson等的試驗結(jié)果表明混凝土自身強度直接影響型鋼與混凝土之間的粘結(jié)性能，但同時，Roeder和Robert.Chmielowsk也通過統(tǒng)計文獻研究得出型鋼混凝土的粘結(jié)性能與混凝土自身強度并沒有明顯影響。

3.3 混凝土保護層厚度

薛健陽等[10]發(fā)現(xiàn)隨著混凝土保護層厚度的增加，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)強度也會隨之發(fā)生線性增加。但如果保護層厚度超出臨界保護層厚度時，混凝土將不再開展裂紋，同時構(gòu)件的粘結(jié)能力也將不再持續(xù)增加。

3.4 橫向配箍率

試驗結(jié)果表明，箍筋在構(gòu)件中所起的作用與混凝土保護層大致一樣，可以抑制試件的開裂破壞，在發(fā)生滑移前效果不明顯，當截面鋼筋存在粘結(jié)滑移時，粘結(jié)強度可以大大提高，同時，如果試件的保護層厚度較小，箍筋比對于粘結(jié)能力具有更大的影響。

3.5 其他因素

除了上述四個主要影響因素外，還有截面鋼連接件、混凝土澆筑技術(shù)、混凝土水灰比、鋼材截面尺寸、錨固程度等諸多方面對型鋼混凝土的粘結(jié)作用都有一定的影響。

4 結(jié) 語

型鋼與混凝土發(fā)生滑移時的粘結(jié)性能不僅會直接影響SRC結(jié)構(gòu)的承載能力，而且與混凝土保護層強度和型鋼混凝土構(gòu)件的錨固程度密切相關(guān)，因此，國內(nèi)外研究者對SRC結(jié)構(gòu)的研究越發(fā)重視，但由于SRC結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展起步較晚，同時，各國研究者對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)都有自己的研究方向，由于測試手段不夠精確，測試難度大，各國對于結(jié)構(gòu)粘結(jié)滑移的研究還不夠深入，國內(nèi)外研究者對于SRC結(jié)構(gòu)粘結(jié)強度的主要影響因素仍具有較大差異，尚未得出明確的結(jié)論，因此，為推動型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展以及研究型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)滑移，建立一套完整的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)計算理論都具有重要意義。

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