戴吉祥，司天琪

（1.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009；2.新疆電力設(shè)計(jì)院，新疆 烏魯木齊 830002）

花紋方鋼管-混凝土粘結(jié)滑移性能試驗(yàn)研究

戴吉祥1，司天琪2

（1.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009；2.新疆電力設(shè)計(jì)院，新疆 烏魯木齊 830002）

為研究花紋鋼管與混凝土間的粘結(jié)滑移性能，進(jìn)行了9個花紋方鋼管混凝土試件的推出試驗(yàn)。通過測量荷載、加載端和自由端的鋼管與混凝土間相對滑移，得出了試件受荷載過程的P-S曲線。通過對試驗(yàn)曲線的研究分析，結(jié)果表明花紋鋼管對粘結(jié)強(qiáng)度有顯著提高作用，為花紋鋼管混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的研究和應(yīng)用提供依據(jù)。

花紋鋼管；推出試驗(yàn)；P-S曲線；粘結(jié)強(qiáng)度

1 研究背景

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有承載力高、塑性韌性好、抗震性能好、施工方便和經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)[1]，近年來，其在工程中的應(yīng)用逐漸增多,對鋼管混凝土的理論研究也取得較大進(jìn)展。鋼管混凝土的鋼管與核心混凝土間的協(xié)同互補(bǔ)作用是鋼管混凝土具有一系列突出優(yōu)點(diǎn)的根本原因，而鋼管混凝土中鋼管和混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度直接影響兩種材料共同協(xié)同工作的程度，但是普通鋼管與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度小，荷載作用下在二者界面上易產(chǎn)生相對滑移，從而降低鋼管混凝土共同工作的性能并直接影響構(gòu)件的承載力、變形和裂縫寬度。因此，鋼管與混凝土間的粘結(jié)滑移性能一直是工程界較為關(guān)注的問題之一。

本文從施工方便、經(jīng)濟(jì)合理的角度，為在工程應(yīng)用中能真正有效地通過鋼管表面粗糙程度來增大鋼管與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度，提出了將花紋鋼板應(yīng)用到鋼-混凝土組合構(gòu)件中的概念。設(shè)計(jì)了9個內(nèi)置花紋的方鋼管混凝土試件推出試驗(yàn)，以研究花紋方鋼管和混凝土之間粘結(jié)強(qiáng)度與相對滑移的分布規(guī)律，以期為花紋鋼板在鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中的研究和應(yīng)用提供參考。

2 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)采用推出試驗(yàn)方法，具體加載裝置如圖1所示。試件垂直放置，試件上端鋼管全截面承受自上而下的荷載，留有50mm長空鋼管一端向上，凸出50mm混凝土一端向下。上端鋼管用機(jī)床刨平，以減少偏心誤差，并通過一塊高強(qiáng)鋼墊板與千斤頂接觸，為加載端。下端混凝土與地面接觸時用細(xì)砂找平，為自由端。在試驗(yàn)的加載端和自由端分別布置兩個位移計(jì)，測量鋼管相鄰兩個面滑移量，通過荷載傳感器測外加荷載，試驗(yàn)結(jié)果由TDS-303便攜式數(shù)據(jù)采集儀采集完成。

圖1 試驗(yàn)加載裝置

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)開始緩慢的加載，初期加載端與自由端均未產(chǎn)生滑移。荷載持續(xù)上升，大多數(shù)構(gòu)件當(dāng)荷載加載到20～50kN時加載端開始產(chǎn)生滑移，這時構(gòu)件會發(fā)出微小的吱吱聲。一開始加載端滑移很小，隨著荷載的增加，加載端的滑移逐漸增大，而且自由端的也會產(chǎn)生微小的滑移。荷載繼續(xù)加大，部分構(gòu)件會發(fā)出“嗵”的一聲響，這時就會發(fā)現(xiàn)在TDS-303便攜式數(shù)據(jù)采集儀顯示的荷載會較響聲之前有所降低，此時無論是加載端還是自由端所產(chǎn)生的滑移都有明顯的增加，分析認(rèn)為是膠結(jié)力發(fā)生了破壞。部分構(gòu)件沒有此現(xiàn)象，膠結(jié)力的破壞現(xiàn)象不明顯。隨后的加載過程中，荷載可以繼續(xù)上升，滑移值隨著荷載增大，其增大的速度明顯增大。加載到一定階段后，荷載不再上升，而加載端和自由端的位移計(jì)讀數(shù)仍在增加，此時判斷可能是外包鋼材與混凝土粘結(jié)界面發(fā)生了破壞，形成了極限粘結(jié)強(qiáng)度。到達(dá)極限荷載后，荷載開始出現(xiàn)下降趨勢。此階段加載端與自由端的滑移迅速增大，荷載的下降速度卻相對緩慢。最后荷載趨于水平，形成一個明顯的水平階段，此時的粘結(jié)強(qiáng)度被稱為構(gòu)件的殘余粘結(jié)強(qiáng)度，分析認(rèn)為此時的粘結(jié)力是由殘存的機(jī)械咬合力與界面摩阻力提供的。結(jié)束加載，試驗(yàn)結(jié)束，將試件卸下，觀察加載完成后的試件，肉眼可以明顯看到混凝土與外包鋼之間發(fā)生的滑移，在構(gòu)件周圍發(fā)現(xiàn)由于摩擦擠壓而形成的少許混凝土粉末，如圖2所示。

圖2 試件破壞形式

根據(jù)布置在推出構(gòu)件加載端和自由端的力傳感器和位移計(jì)，可以準(zhǔn)確地測量出每個構(gòu)件的荷載－滑移曲線（P-S曲線），如圖3所示。由圖3可知，試件在達(dá)到粘結(jié)破壞荷載前，具有較大的滑移剛度。

試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示。

試件幾何尺寸、參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果 表1

試件粘結(jié)破壞時整個試件長度界面均發(fā)生粘結(jié)破壞，此時粘結(jié)破壞荷載Pu可認(rèn)為是整個界面上的極限粘結(jié)力，因此τu可按下式計(jì)算：

式中：Pu為粘結(jié)破壞荷載；S為鋼管和混凝土的接觸面面積，S=4Dla，D、la分別為方鋼管寬度與長度。

4 結(jié)果對比

圖3 試件荷載－滑移曲線

將本次試驗(yàn)所得粘結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)值與國內(nèi)外相關(guān)規(guī)程[2-3]規(guī)定的粘結(jié)強(qiáng)度值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖4所示,橫坐標(biāo)t為鋼管壁厚。由圖可見，采用內(nèi)置花紋的方鋼管可以明顯提高鋼管與混凝土之間的粘結(jié)破壞強(qiáng)度。

圖4 粘結(jié)強(qiáng)度的比較

5 結(jié)論和展望

不同以往的試驗(yàn)，本次試驗(yàn)采用的是國標(biāo)扁豆形花紋鋼板。目前對于外包鋼材與混凝土之間粘結(jié)滑移性能研究主要集中在光面鋼板與混凝土之間的粘結(jié)性能，對于表面有花紋的鋼板與混凝土之間的粘結(jié)滑移性能目前還沒有相關(guān)的研究資料。試驗(yàn)采用花紋鋼板可以有效的提高鋼板與混凝土之間的粘結(jié)力，有利于充分發(fā)揮兩組材料的性能，使兩者更好的發(fā)揮組合作用，形成一個整體。試驗(yàn)結(jié)果表明，將花紋鋼板引入鋼管混凝土中，可顯著提高鋼管與混凝土界面上的粘結(jié)破壞強(qiáng)度，為花紋鋼板在鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中的研究和應(yīng)用提供參考。

中國是一個國土面積大，但是人均自然資源相對匱乏的發(fā)展中國家。如何更好地進(jìn)行可持續(xù)發(fā)展，一直是我國的基本國策。本次試驗(yàn)采用花紋鋼板，對花紋鋼板與混凝土之間的粘結(jié)滑移性能進(jìn)行了研究。通過研究，可以發(fā)現(xiàn)采用花紋鋼板作為外包鋼材，可以大大提高鋼材與混凝土之間的粘結(jié)力，可以大量的減少外包鋼混凝土構(gòu)件中抗剪連接件的數(shù)量，從而減少焊接的工作量。采用花紋鋼板最為外包鋼材，不但可以充分的發(fā)揮兩種材料的性能，使其更好的形成一個整體，而且可以節(jié)省材料，縮短工期，減小施工難度，節(jié)約勞動力。有利于可持續(xù)發(fā)展，有利實(shí)現(xiàn)組合結(jié)構(gòu)的住宅產(chǎn)業(yè)化，這與國家的政策是一致的，符合我國現(xiàn)在的國情。

[1]韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)-理論與實(shí)踐（第二版）[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[2]DBJ13-61-2004，鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]Eurocode 4(EC4).Design of Composite Steel and Concrete Structures-Part1-1:General Rules and Rules for Buildings.Brussels：CEN, 2004.

TU317

A

1007-7359（2016）06-0137-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.052

戴吉祥（1988-），男，安徽鳳陽人，畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)，碩士，助理工程師。