裝配式組合結(jié)構柱高強鋼管連接節(jié)點界面黏結(jié)性能試驗*

朱張峰 RICHARD Liew,2 杜 詠 姚 兵

(1.南京工業(yè)大學土木工程學院, 南京 211816; 2.新加坡國立大學土木與環(huán)境工程系, 新加坡 119077)

鋼-混凝土組合結(jié)構繼承了鋼筋混凝土與型鋼的優(yōu)勢,具有剛度大、重量輕、延性好、防火防腐優(yōu)良等突出優(yōu)點。將組合結(jié)構與預制技術結(jié)合,形成的裝配式組合結(jié)構具有廣闊的發(fā)展空間。對于裝配式組合框架結(jié)構,作為豎向承重構件的柱,其連接可靠性至關重要。針對內(nèi)埋矩形鋼管的組合結(jié)構柱,提出了一種高強圓鋼管連接節(jié)點構造(圖1),連接部件主要包括鋼蓋板與高強圓鋼管,兩者通過鋼蓋板開孔、圓鋼管插入并塞焊形成整體部件,圓鋼管分別伸入上、下層組合柱的矩形鋼管內(nèi),并錨固在矩形鋼管內(nèi)后灌注的混凝土或高強度灌漿料內(nèi)。通過圓鋼管與其內(nèi)、外部的周邊介質(zhì)的黏結(jié),實現(xiàn)組合柱的內(nèi)力傳遞。同時,為進一步提高圓鋼管外壁與周邊介質(zhì)的黏結(jié)性能,可在其外壁點焊螺旋筋。螺旋筋采用相對較柔的細鋼筋制作以便于與鋼管密貼、點焊,焊點每隔2圈設置,每圈均勻點焊3～4處。

圖1 組合結(jié)構柱鋼管連接節(jié)點構造Fig.1 Details of the joint of steel pipe for composite structural column

上述裝配式組合結(jié)構柱鋼管連接節(jié)點,圓鋼管與其周邊介質(zhì)的界面黏結(jié)性能決定了節(jié)點連接可靠性。目前,對于鋼管混凝土界面黏結(jié)性能的研究相對較多,對界面黏結(jié)原理[1-2]、黏結(jié)強度[3-5]等有了深入了解,多國規(guī)范[6-9]均給出了黏結(jié)強度的下限值,近年來拓展研究至鋼管與活性粉末混凝土[10]、自應力自密實混凝土[11]及再生混凝土[12]的黏結(jié)性能。但既有研究工作未考慮組合結(jié)構柱鋼管連接構造的鋼管內(nèi)埋特性,更未涉及將灌漿料作為黏結(jié)材料、將螺旋筋作為黏結(jié)加強構造的研究。另外,圓鋼管截面幾何尺寸與其錨固長度之間的比例關系,使得其錨固構造與傳統(tǒng)鋼筋錨固構造有明顯差異,從而造成兩者錨固機理及性能不盡相同。因此,相關研究成果無法直接應用于組合結(jié)構柱鋼管連接節(jié)點構造設計。

針對裝配式組合結(jié)構柱高強鋼管連接節(jié)點的構造設計問題,選取工程常用的φ114×25、φ152×16和φ194×10三種截面規(guī)格的連接鋼管,開展鋼管推出試驗研究其界面黏結(jié)性能,以期作為節(jié)點構造設計的依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試件設計

采用鋼管推出試驗方案,按不同截面規(guī)格的鋼管分為A、B、C三組試件。各組有6個試件,試驗參數(shù)包括600 mm與800 mm兩種黏結(jié)長度、C35混凝土與M50灌漿料兩種黏結(jié)材料和鋼管外壁是否增設螺旋筋。試件規(guī)劃見表1。

所有試件平面尺寸均為500 mm×500 mm,試件高度根據(jù)600 mm、800 mm黏結(jié)長度,分別為700 mm和900 mm,鋼管頂面伸出50 mm、底端懸空50 mm 以實現(xiàn)加載及測量。以TCA-1為例,其試件設計見圖2。各試件底部預留50 mm深通長凹槽,凹槽寬度較圓鋼管外徑大10 mm。試件設置HRB400直徑10 mm豎向鋼筋及HPB300直徑8 mm箍筋。

表1 試件設計參數(shù)Table 1 Design parameters of specimens

圖2 試件設計詳圖 mmFig.2 Design drawings of specimens

1.2 材料性能

試件高強鋼管材質(zhì)為Q420,其力學性能實測結(jié)果見表2。

表2 鋼管力學性能指標Table 2 Mechanical properties of steel pipes

試件鋼筋的力學性能實測結(jié)果見表3。

表3 鋼筋力學性能指標Table 3 Mechanical properties of rebars

混凝土試塊尺寸取150 mm×150 mm×150 mm,灌漿料試塊尺寸取40 mm×40 mm×160 mm,同條件養(yǎng)護28 d,測得混凝土立方體抗壓強度為36.3 MPa,灌漿料抗壓強度平均值為52.1 MPa。

1.3 試件加載與量測

試驗采用1000T微機控制電液伺服壓剪試驗機,按0.5 mm/min的速率控制加載,加載示意見圖3。試件的上部為加載端,下部為自由端。在上部施加軸壓將內(nèi)部鋼管推出試件,下部自由端利用凹槽將鋼條與鋼管點焊,作為位移計的支點。

圖3 試驗加載裝置Fig.3 Loading set-up

在鋼管側(cè)面對稱粘貼2列應變片,應變片沿鋼管縱向均勻布置(600 mm黏結(jié)長度布置5道、800 mm黏結(jié)長度布置7道),以監(jiān)測鋼管受力變化。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗過程及現(xiàn)象

加載初期,試件處于彈性階段,界面化學膠著力使鋼管與周圍黏結(jié)材料整體受力,自由端位移計有示數(shù)變化;隨著位移增大,試件發(fā)出“噔噔”聲,自由端位移計示數(shù)開始變化,鋼管與周圍黏結(jié)材料間產(chǎn)生滑移,表明界面化學膠著力逐漸失效,而界面機械咬合力及摩擦力占據(jù)主導;隨著位移進一步增大,鋼管與周圍黏結(jié)材料之間的相對滑移越來越明顯,直至滑移量較大且荷載基本穩(wěn)定后停止加載,試驗結(jié)束。

所有試件均以鋼管明顯滑移為破壞特征;鋼管應變最大值不到3.0×10-4,始終處于彈性狀態(tài),鋼管內(nèi)外的黏結(jié)材料也未出現(xiàn)受壓破壞。典型的試件破壞狀態(tài)對比照片見圖4。

2.2 荷載-位移/滑移曲線

各試件加載全過程的荷載-位移/滑移曲線見圖5。

由圖5可見,各試件的荷載-位移曲線與荷載-滑移曲線走勢基本一致。由于加載初期試驗裝置間隙的影響以及滑移滯后,導致加載前期荷載-位移曲線的剛度明顯低于荷載-滑移曲線,表現(xiàn)為前者初始曲線向X軸偏離。加載中后期,除前期累積差異外,位移與滑移發(fā)展趨勢基本一致,表現(xiàn)為兩者曲線基本可平移重疊。

a—試驗前鋼管; b—試驗后鋼管;c—試驗前自由端; d—試驗后自由端。圖4 試驗現(xiàn)象Fig.4 Test phenomenon

將各組同條件的混凝土試件與灌漿料試件的荷載-位移/滑移曲線進行對比,見圖6?？梢钥闯?A組試件曲線具有較為明顯的拐點,且分別對比TCA-1與TGA-1、TCA-2與TGA-2、TCA-3與TGA-3可以發(fā)現(xiàn),灌漿料試件的拐點尖角更突出;B組、C組混凝土試件曲線無明顯拐點,而灌漿料試件則表現(xiàn)出相對明顯的拐點。分析認為,曲線拐點的出現(xiàn)一般由于化學膠著力完全喪失、界面滑移及黏結(jié)材料磨平破壞而導致荷載有所降低。灌漿料較混凝土的脆性特性相對明顯,導致灌漿料試件拐點更為明顯,而尤其突出的是C組試件。進一步分析認為,C組試件鋼管的表面積/截面積的比值最大,其對界面材料失效及滑移的敏感性更高,導致其曲線出現(xiàn)拐點處荷載大幅降低。

同時,從圖6中比較各組同條件的有/無螺旋筋的荷載-位移/滑移曲線可以發(fā)現(xiàn),螺旋筋的設置可明顯提高曲線峰值及滑移段荷載,而對曲線走勢無明顯影響。

2.3 界面黏結(jié)強度

各試件實測滑移荷載Ps(試件開始出現(xiàn)滑移時對應的荷載)與破壞荷載Pu(試件荷載-位移/滑移曲線出現(xiàn)第一個拐點時對應的荷載)見表4。同時,假定黏結(jié)力沿界面均勻分布,則圓鋼管混凝土界面黏結(jié)強度計算公式見式(1),計算得各試件黏結(jié)強度τu見表4。

τu=Pu/(πDL)

(1)

式中:D為圓鋼管外徑。

a—A組荷載-位移曲線; b—A組荷載-滑移曲線;c—B組荷載-位移曲線; d—B組荷載-滑移曲線;e—C組荷載-位移曲線; f—C組荷載-滑移曲線。圖6 不同材料荷載-位移/滑移曲線對比Fig.6 Comparisons of load-displacement/slippage curves for specimens by different materials

從滑移荷載來看,黏結(jié)長度增大,增設螺旋筋,使得滑移荷載提高,前者提高幅度約35%～75%,后者提高幅度約13%～62%,且前者提高效應相對穩(wěn)定。分析認為,界面滑移前主要依靠化學膠著力提供承載力,其與黏結(jié)長度正向相關,因此黏結(jié)長度增大可穩(wěn)定提高滑移荷載;螺旋筋可提高界面表面積及機械咬合力,但其效果與周圍黏結(jié)材料的施工質(zhì)量密切相關,而導致其提高效果相對離散。同時,灌漿料試件滑移荷載較混凝土試件有增有降,但總體呈下降趨勢,B組試件尤為明顯。

從黏結(jié)強度來看,同條件下,A組試件最高,B組次之,C組最低。隨著黏結(jié)長度增大,混凝土試件與灌漿料試件的黏結(jié)強度均隨之降低,前者最大降幅約25%,后者最大降幅約13%;高強度灌漿料明顯提高了試件的黏結(jié)強度,提高幅度最大約57%;螺旋筋同樣可提高試件黏結(jié)強度,混凝土試件提高幅度最高約46%,灌漿料試件提高幅度最高約48%;對比同組不同長細比試件及不同組不同徑厚比試件,可以發(fā)現(xiàn)長細比與徑厚比對黏結(jié)強度的影響無明顯規(guī)律。

同時,根據(jù)各國規(guī)范[6-9]規(guī)定的黏結(jié)強度設計值要求,各國規(guī)范有所差異,取其最高要求為0.40 MPa,對比表4結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),所有試件的黏結(jié)強度均能滿足相關規(guī)范要求,且具備足夠的安全度。

表4 試件黏結(jié)強度Table 4 Bond strengths of specimens

3 結(jié) 論

針對內(nèi)埋矩形鋼管的裝配式組合結(jié)構柱,提出了高強鋼管連接節(jié)點構造。為探討連接鋼管的合理設計與構造,考慮設計可能采用的φ114×25、φ152×16和φ194×10三種截面規(guī)格,開展了考慮黏結(jié)長度、黏結(jié)材料種類及鋼管外壁是否增設螺旋筋等參數(shù)的鋼管推出試驗,試驗結(jié)果及分析結(jié)論如下:

1)對于三種截面規(guī)格鋼管,600 mm黏結(jié)長度已能確保設計要求的黏結(jié)強度,且具有足夠的安全儲備,同時,同條件下φ114×25鋼管可獲得最高的黏結(jié)強度,φ152×16鋼管次之,φ194×10鋼管最低。

2)界面黏結(jié)強度與黏結(jié)材料強度正相關,而與黏結(jié)長度反相關,與長細比、徑厚比無明顯規(guī)律關系。

3)高強度灌漿料可提高界面黏結(jié)強度,不影響界面荷載-位移/滑移曲線基本走勢,但由于灌漿料脆性特性,其峰值點附近曲線轉(zhuǎn)折更為明顯。

4)增設螺旋筋可明顯提高黏結(jié)強度,延緩界面滑移,且試件制作過程表明其施工可行性與便利性,建議采用。

綜上,基于科學的黏結(jié)長度設計(不小于600 mm)與合理的連接構造(鋼管外壁增設螺旋筋),裝配式組合結(jié)構柱Q420高強鋼管連接節(jié)點的黏結(jié)性能可滿足相關規(guī)范要求,保證連接節(jié)點不致發(fā)生界面滑移破壞。