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(jiǎn)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(qiáng)、延展性能好、抗震效果好等優(yōu)點(diǎn)，在高層建筑以及超高層建筑中得到越來(lái)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(guò)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(dāng)型鋼混凝土之間存在局部的粘結(jié)滑移時(shí)，會(huì)失去化學(xué)粘結(jié)，型鋼與混凝土發(fā)生分離。當(dāng)滑移量超過(guò)一定值時(shí)，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?yàn)樗鼈冎g的粘結(jié)作用，粘結(jié)滑移行為會(huì)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(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理的SRC結(jié)構(gòu)，對(duì)SRC結(jié)構(gòu)的使用具有重要的理論和實(shí)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(qiáng)度、平均粘結(jié)強(qiáng)度、殘余粘結(jié)強(qiáng)度、粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系四個(gè)方面。

1.1 局部最大粘結(jié)強(qiáng)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(duì)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(qiáng)度，主要控制構(gòu)件何時(shí)開(kāi)展裂紋，從而可以得到構(gòu)件發(fā)生粘結(jié)破壞時(shí)的荷載。

1.2 平均粘結(jié)強(qiáng)度

在型鋼混凝土粘結(jié)滑移強(qiáng)度試驗(yàn)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(dá)到極限值時(shí)的粘結(jié)強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明，型鋼混凝土的粘結(jié)性能將會(huì)隨混凝土埋深變化而變化，所以平均粘結(jié)強(qiáng)度實(shí)際就是外部荷載達(dá)到極限值時(shí)的粘結(jié)強(qiáng)度。

1.3 殘余粘結(jié)強(qiáng)度

當(dāng)SRC結(jié)構(gòu)或構(gòu)件受到外部荷載時(shí)，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(jī)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(huì)因粘結(jié)滑移的進(jìn)一步開(kāi)展而減小，即所謂的殘余粘結(jié)強(qiáng)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(shí)節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力關(guān)系非常復(fù)雜，通常認(rèn)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(duì)滑動(dòng)所造成的，各國(guó)研究者為進(jìn)一步研究試驗(yàn)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(duì)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)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(shí)，混凝土?xí)l(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。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(jì)50年以來(lái)，隨著型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外研究者就型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)滑移問(wèn)題進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。

1950年，坪井善勝[1]進(jìn)行了多組鋼板拉拔測(cè)試，通過(guò)混凝土強(qiáng)度、橫向配箍率等多個(gè)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(jìn)措施。 推薦在規(guī)范當(dāng)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(zhǎng)度方向的荷載對(duì)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(kuò)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(yàn)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(jì)算方式，并給出了在臨界狀態(tài)下理論上混凝土保護(hù)層厚度的計(jì)算公式。Hunaiti和Hamdan[4]設(shè)計(jì)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(qiáng)度對(duì)于粘結(jié)強(qiáng)度所造成的影響，得出結(jié)構(gòu)的粘結(jié)強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)中混凝土的強(qiáng)度并沒(méi)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(hù)層的厚度以及混凝土發(fā)生收縮狀態(tài)下對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響多次進(jìn)行了有關(guān)型鋼混凝土推出和短柱試驗(yàn)，并利用ADINA有限元程序進(jìn)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(yàn)進(jìn)行了綜合分析，還進(jìn)行了18個(gè)試件的壓痕試驗(yàn)，得出粘結(jié)能力主要由試件的長(zhǎng)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(yàn)，國(guó)內(nèi)研究者也做出了重要貢獻(xiàn)。孫國(guó)良等[7]通過(guò)控制螺栓在結(jié)構(gòu)中的數(shù)量和位置，得出螺栓對(duì)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(guò)四組鋼板拉出式試件的對(duì)比試驗(yàn)，同時(shí)考慮了縱向配箍率等多個(gè)方面對(duì)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(jì)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(jìn)行了22次擠壓、梁式和拉拔試驗(yàn)。 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(dāng)化學(xué)粘結(jié)力退出工作時(shí)，粘結(jié)力主要靠摩擦力維持。薛健陽(yáng)[10]進(jìn)行了16個(gè)型鋼混凝土推出試件，通過(guò)觀察試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)結(jié)果，研究了混凝土保護(hù)層厚度等四個(gè)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(hù)層厚度的定義，在大量的試驗(yàn)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(qiáng)度的計(jì)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(qiáng)度和相對(duì)滑移的計(jì)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(yàn)研究了型鋼表面條件對(duì)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(qiáng)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(qiáng)度

坪井善勝及Bryson等的試驗(yàn)結(jié)果表明混凝土自身強(qiáng)度直接影響型鋼與混凝土之間的粘結(jié)性能，但同時(shí)，Roeder和Robert.Chmielowsk也通過(guò)統(tǒng)計(jì)文獻(xiàn)研究得出型鋼混凝土的粘結(jié)性能與混凝土自身強(qiáng)度并沒(méi)有明顯影響。

3.3 混凝土保護(hù)層厚度

薛健陽(yáng)等[10]發(fā)現(xiàn)隨著混凝土保護(hù)層厚度的增加，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)強(qiáng)度也會(huì)隨之發(fā)生線性增加。但如果保護(hù)層厚度超出臨界保護(hù)層厚度時(shí)，混凝土將不再開(kāi)展裂紋，同時(shí)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(yàn)結(jié)果表明，箍筋在構(gòu)件中所起的作用與混凝土保護(hù)層大致一樣，可以抑制試件的開(kāi)裂破壞，在發(fā)生滑移前效果不明顯，當(dāng)截面鋼筋存在粘結(jié)滑移時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度可以大大提高，同時(shí)，如果試件的保護(hù)層厚度較小，箍筋比對(duì)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(gè)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(duì)型鋼混凝土的粘結(jié)作用都有一定的影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

型鋼與混凝土發(fā)生滑移時(shí)的粘結(jié)性能不僅會(huì)直接影響SRC結(jié)構(gòu)的承載能力，而且與混凝土保護(hù)層強(qiáng)度和型鋼混凝土構(gòu)件的錨固程度密切相關(guān)，因此，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)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(shí)，各國(guó)研究者對(duì)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)都有自己的研究方向，由于測(cè)試手段不夠精確，測(cè)試難度大，各國(guó)對(duì)于結(jié)構(gòu)粘結(jié)滑移的研究還不夠深入，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)于SRC結(jié)構(gòu)粘結(jié)強(qiáng)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(dòng)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(jì)算理論都具有重要意義。

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