許開(kāi)成，陳夢(mèng)成，顧章川

(1.南昌大學(xué) 建筑工程學(xué)院，南昌 330031;2.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，南昌 330013)

鋼管混凝土是鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的一種主要結(jié)構(gòu)形式，常用作受壓構(gòu)件。它把兩種不同性質(zhì)的材料結(jié)合在一起共同工作，充分發(fā)揮了鋼材受拉性能高和混凝土受壓性能好的優(yōu)點(diǎn)。它具有承載力高、塑性和韌性好、抗震性能好、經(jīng)濟(jì)效益顯著和施工簡(jiǎn)便等許多優(yōu)點(diǎn)，因而在工程中得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。鋼管與核心混凝土間的協(xié)同工作是鋼管混凝土具有一系列突出優(yōu)點(diǎn)的前提，而鋼管和混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度直接影響到兩種材料能否共同協(xié)同工作。在鋼管混凝土柱上，節(jié)點(diǎn)處傳來(lái)的剪力也是通過(guò)界面黏結(jié)力從鋼管傳到核心混凝土上。已有眾多學(xué)者在黏結(jié)強(qiáng)度的影響因素及機(jī)理方面進(jìn)行了研究，本文從黏結(jié)應(yīng)力的組成方面進(jìn)行研究。

1 界面黏結(jié)力

鋼管混凝土組合界面的抗剪黏結(jié)力與鋼筋和混凝土之間的抗滑黏結(jié)力一樣[3-4]，也是由三部分組成:

1)水泥凝膠體與鋼管接觸表面之間的化學(xué)膠結(jié)力。膠結(jié)力是混凝土與鋼管內(nèi)表面的吸附力，膠結(jié)強(qiáng)度與混凝土的性質(zhì)有很大的關(guān)系，如水泥用量、水灰比等。在鋼管和混凝土發(fā)生明顯滑移之前，主要是膠結(jié)力起作用?；炷僚c鋼管表面之間的化學(xué)膠結(jié)力很小，在剪力不大的情況下就可以使混凝土和鋼管之間的膠結(jié)作用破壞，當(dāng)鋼管和混凝土之間出現(xiàn)滑移后，這種膠結(jié)作用喪失并無(wú)法恢復(fù)。

2)凹凸不平的鋼管內(nèi)表面與混凝土之間的機(jī)械咬合力。機(jī)械咬合力是鋼管表面粗糙不平的部分被核心混凝土楔入其間，由鋼管與混凝土咬合而實(shí)現(xiàn)的。因此，其大小取決于鋼管表面的粗糙程度和混凝土的抗剪強(qiáng)度。

3)鋼管與混凝土接觸面之間的摩阻力。當(dāng)鋼管與混凝土之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)后，界面上的摩擦阻力開(kāi)始發(fā)揮作用，摩擦力與接觸面上的法向應(yīng)力及界面的摩擦系數(shù)成正比，而界面上的摩擦系數(shù)則和鋼管表面的粗糙程度有關(guān)。

為了研究鋼管混凝土界面黏結(jié)力的大小及組成情況，共進(jìn)行了7個(gè)鋼管混凝土短柱的推出試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)方案

為了得到鋼管與混凝土間黏結(jié)力三個(gè)部分的組成情況，共設(shè)計(jì)了7個(gè)圓鋼管混凝土試件，分別在鋼管內(nèi)壁不同位置，按黏結(jié)界面長(zhǎng)度的0，10%，20%，30%，50%，75%和100%比例涂抹黃油，以消除界面的膠結(jié)力和機(jī)械咬合力。為模擬實(shí)際工況，混凝土澆筑前，對(duì)鋼管內(nèi)壁進(jìn)行了簡(jiǎn)單的人工除銹。

采用人工攪拌配制混凝土，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40，混凝土配合比為水泥∶砂∶碎石∶水 =1∶1.10∶2.56∶0.40。澆筑時(shí)，將圓鋼管豎立，從頂部分層灌入混凝土，并用插入式振搗棒進(jìn)行振搗。在澆筑的同時(shí)，預(yù)留6塊150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，試件實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度為41.2 MPa。試件采用Q235的直縫圓鋼管，材料性質(zhì)按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測(cè)得，鋼材的彈性模量 E為 181 GPa，鋼管屈服強(qiáng)度 fy為 312 MPa，鋼管極限強(qiáng)度f(wàn)u為386 MPa。試件參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試件參數(shù)

2.2 試驗(yàn)加載裝置

試驗(yàn)在華東交通大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室5 000 kN壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，數(shù)據(jù)采集利用的是DH3815N分布式靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)采用分級(jí)加載，推出試驗(yàn)的裝置如圖1所示。在加載端的混凝土面上鋪上一層濕的細(xì)沙，便于幾何和物理對(duì)中，接著放置一塊剛度比較大的圓形鋼墊塊，直徑為152 mm，略小于鋼管內(nèi)徑，兩邊距離鋼管有2～3 mm的間隙。

2.3 加載方法

在試驗(yàn)的準(zhǔn)備階段，先在鋼管的四個(gè)面上做好標(biāo)記，畫(huà)好中軸線(xiàn)，并且在臺(tái)座中央也預(yù)先畫(huà)好鋼管放置的具體位置，使試件中心和加載中心保持在同一條中垂線(xiàn)上，以防止試件發(fā)生偏心受壓。加載時(shí)，先預(yù)先加載5 kN，使混凝土面與鋼墊塊之間擠壓緊密，并檢查試驗(yàn)儀器有沒(méi)有異常，再采用慢速連續(xù)加載，開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)。待準(zhǔn)備工作完成后，在確保應(yīng)變片連接無(wú)誤的情況下，開(kāi)始加載。在加載初期，每級(jí)加載約為預(yù)計(jì)極限荷載的1/10，加載速度控制在500 N/s，每級(jí)荷載持荷2～3 min，當(dāng)鋼管與核心混凝土之間出現(xiàn)了明顯的非線(xiàn)性滑動(dòng)后，加載速度控制在200 N/s，緩慢連續(xù)加載直至黏結(jié)作用徹底破壞。

圖1 試驗(yàn)加載裝置

在混凝土加載端兩側(cè)分別布置了一個(gè)百分表，用來(lái)量測(cè)鋼管和混凝土界面的相對(duì)滑移，在每級(jí)荷載加載結(jié)束的時(shí)候直接讀出試驗(yàn)機(jī)上的荷載值，由此繪出荷載—滑移曲線(xiàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 荷載滑移P—s曲線(xiàn)

鋼管混凝土推出試件荷載—滑移曲線(xiàn)(P—s曲線(xiàn))如圖2所示。從圖2可以看出，P—s曲線(xiàn)由直線(xiàn)上升段、曲線(xiàn)上升段、曲線(xiàn)下降段和平穩(wěn)段[5]四部分組成。

圖2 推出試驗(yàn)的P—s曲線(xiàn)

1)直線(xiàn)上升段。在荷載的作用下，核心混凝土受壓而橫向膨脹，外鋼管會(huì)對(duì)其起約束作用，因此，能一定程度地提供使鋼管與核心混凝土產(chǎn)生黏結(jié)作用所需要的壓應(yīng)力，使界面上的混凝土與外鋼管接觸緊密。在荷載較小時(shí)，界面端部的滑移量很小，而在試件中部，鋼管與混凝土之間還沒(méi)產(chǎn)生滑移，此時(shí)，界面黏結(jié)力主要由化學(xué)膠結(jié)力和部分機(jī)械咬合力組成。鋼管與混凝土的相對(duì)滑移主要是界面層的剪切變形，且黏結(jié)應(yīng)力隨界面層剪切變形的增加而線(xiàn)性增加。隨著界面脫黏比例的增加，此階段曲線(xiàn)的斜率呈下降趨勢(shì)。其主要是由于界面涂抹黃油使化學(xué)膠結(jié)力無(wú)法存在。

2)曲線(xiàn)上升段。當(dāng)荷載增加到某一值時(shí)，鋼管與混凝土界面層混凝土被剪斷或擠碎，破損混凝土的體積因含有間隙而較原來(lái)完好混凝土層的大，從而在界面上，鋼管對(duì)核心混凝土產(chǎn)生提供黏結(jié)作用的壓應(yīng)力。隨著荷載的增大，混凝土界面上的破損層厚度、顆粒大小均發(fā)生改變，混凝土與鋼管之間的壓應(yīng)力也隨之改變。界面層產(chǎn)生的微裂縫隨荷載增加而發(fā)展，導(dǎo)致界面黏結(jié)滑移剛度開(kāi)始退化。一旦界面層發(fā)生剪切破壞，鋼管與混凝土在整個(gè)傳遞長(zhǎng)度上發(fā)生相對(duì)滑移，膠結(jié)力即全部喪失。此時(shí)，界面黏結(jié)力由機(jī)械咬合力和摩阻力承擔(dān)，界面黏結(jié)應(yīng)力達(dá)到局部黏結(jié)強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)此階段的界面相對(duì)滑移包括界面層的剪切變形和鋼與混凝土之間的微動(dòng)。隨著脫黏比例的增加，極限承載力越小，全部抹油試件的極限承載力只有未抹油試件的1/4，主要是由于抹油部分的摩擦系數(shù)很小，黃油填充了鋼管與混凝土上的凹凸，機(jī)械咬合力較小。

3)曲線(xiàn)下降段。隨著荷載的增加，滑移繼續(xù)增大，在接點(diǎn)處，較硬微凸峰擠壓較軟微凸峰，使其發(fā)生斷裂，較軟面受到磨損而形成磨屑，且沉積在硬表面上，界面摩擦系數(shù)下降。隨著荷載的進(jìn)一步增加，軟微凸峰不斷斷裂，磨屑越積越多，機(jī)械咬合力逐漸喪失，界面黏結(jié)力將轉(zhuǎn)為由鋼管與混凝土之間的摩阻力和殘存的機(jī)械咬合力負(fù)擔(dān)，隨著滑移的增大，機(jī)械咬合力最終全部失效，界面上的黏結(jié)力全部由摩阻力承擔(dān)。此階段，脫黏比例較少的試件下降得速度較快，而脫黏比例較大的部分下降得比較平緩。

4)平穩(wěn)段。此階段，鋼管與混凝土界面摩擦磨損已基本穩(wěn)定，界面上的正應(yīng)力以及由其引起的摩擦阻力接近于恒值，黏結(jié)應(yīng)力趨于穩(wěn)定，但滑移繼續(xù)增加。P—s曲線(xiàn)接近于水平直線(xiàn)。

3.2 界面黏結(jié)力的大小與組成

鋼管混凝土推出試件極限荷載及平均界面黏結(jié)強(qiáng)度及黏結(jié)力的組成如表2所示。其中，Pu為極限荷載，τu為平均黏結(jié)強(qiáng)度，ls為黏結(jié)界面黏結(jié)長(zhǎng)度。試驗(yàn)中，界面抹油的部分化學(xué)膠結(jié)力可忽略不計(jì)[6]，只有摩擦力P2'和機(jī)械咬合力P3，未抹油的試件界面黏結(jié)力由化學(xué)膠結(jié)力P1、摩擦力P2和機(jī)械咬合力P3組成，D為鋼管直徑。膠結(jié)力在黏結(jié)力中所占比例很小，當(dāng)界面有相對(duì)滑動(dòng)后，膠結(jié)力即失效，在試驗(yàn)的黏結(jié)強(qiáng)度中主要有界面摩擦力和機(jī)械咬合力的貢獻(xiàn)。

表2 試驗(yàn)結(jié)果及界面黏結(jié)力的組成

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，機(jī)械咬合力在黏結(jié)力中所占的比例在20%～30%之間，摩擦力在界面黏結(jié)力中占主要部分。隨著界面脫黏比例的增加，咬合力占黏結(jié)力的比例有減少的趨勢(shì)。根據(jù)表2可知，不經(jīng)過(guò)處理的鋼管與混凝土界面平均摩擦應(yīng)力為0.8～0.9 MPa，涂抹黃油的界面摩擦應(yīng)力為0.2～0.3 MPa。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)7根不同初始脫黏的鋼管混凝土試件的推出試驗(yàn)及承載力組成分析，得到如下結(jié)論:

1)鋼管混凝土界面黏結(jié)力由化學(xué)膠結(jié)力、摩擦力和機(jī)械咬合力三部分組成，化學(xué)膠結(jié)力在有相對(duì)滑移時(shí)即消失，摩擦力占主要部分，機(jī)械咬合力占20% ～30%。

2)不經(jīng)處理的鋼管混凝土界面平均黏結(jié)強(qiáng)度為1.2～1.3 MPa。

3)隨著鋼管內(nèi)壁與混凝土脫黏比例的增加，界面黏結(jié)強(qiáng)度越小，界面全部脫黏的鋼管混凝土構(gòu)件，界面上只有摩擦力存在，平均黏結(jié)強(qiáng)度為0.3～0.4 MPa。

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