朱張峰 RICHARD Liew,2 杜 詠 姚 兵

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

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)繼承了鋼筋混凝土與型鋼的優(yōu)勢(shì),具有剛度大、重量輕、延性好、防火防腐優(yōu)良等突出優(yōu)點(diǎn)。將組合結(jié)構(gòu)與預(yù)制技術(shù)結(jié)合,形成的裝配式組合結(jié)構(gòu)具有廣闊的發(fā)展空間。對(duì)于裝配式組合框架結(jié)構(gòu),作為豎向承重構(gòu)件的柱,其連接可靠性至關(guān)重要。針對(duì)內(nèi)埋矩形鋼管的組合結(jié)構(gòu)柱,提出了一種高強(qiáng)圓鋼管連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造(圖1),連接部件主要包括鋼蓋板與高強(qiáng)圓鋼管,兩者通過(guò)鋼蓋板開(kāi)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(qiáng)度灌漿料內(nèi)。通過(guò)圓鋼管與其內(nèi)、外部的周邊介質(zhì)的黏結(jié),實(shí)現(xiàn)組合柱的內(nèi)力傳遞。同時(shí),為進(jìn)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(diǎn)焊螺旋筋。螺旋筋采用相對(duì)較柔的細(xì)鋼筋制作以便于與鋼管密貼、點(diǎn)焊,焊點(diǎn)每隔2圈設(shè)置,每圈均勻點(diǎn)焊3～4處。

圖1 組合結(jié)構(gòu)柱鋼管連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造Fig.1 Details of the joint of steel pipe for composite structural column

上述裝配式組合結(jié)構(gòu)柱鋼管連接節(jié)點(diǎn),圓鋼管與其周邊介質(zhì)的界面黏結(jié)性能決定了節(jié)點(diǎn)連接可靠性。目前,對(duì)于鋼管混凝土界面黏結(jié)性能的研究相對(duì)較多,對(duì)界面黏結(jié)原理[1-2]、黏結(jié)強(qiáng)度[3-5]等有了深入了解,多國(guó)規(guī)范[6-9]均給出了黏結(jié)強(qiáng)度的下限值,近年來(lái)拓展研究至鋼管與活性粉末混凝土[10]、自應(yīng)力自密實(shí)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(gòu)柱鋼管連接構(gòu)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(qiáng)構(gòu)造的研究。另外,圓鋼管截面幾何尺寸與其錨固長(zhǎng)度之間的比例關(guān)系,使得其錨固構(gòu)造與傳統(tǒng)鋼筋錨固構(gòu)造有明顯差異,從而造成兩者錨固機(jī)理及性能不盡相同。因此,相關(guān)研究成果無(wú)法直接應(yīng)用于組合結(jié)構(gòu)柱鋼管連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)。

針對(duì)裝配式組合結(jié)構(gòu)柱高強(qiáng)鋼管連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造設(shè)計(jì)問(wèn)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(kāi)展鋼管推出試驗(yàn)研究其界面黏結(jié)性能,以期作為節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)的依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

采用鋼管推出試驗(yàn)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(gè)試件,試驗(yàn)參數(shù)包括600 mm與800 mm兩種黏結(jié)長(zhǎng)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(shè)螺旋筋。試件規(guī)劃見(jiàn)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)加載及測(cè)量。以TCA-1為例,其試件設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。各試件底部預(yù)留50 mm深通長(zhǎng)凹槽,凹槽寬度較圓鋼管外徑大10 mm。試件設(shè)置HRB400直徑10 mm豎向鋼筋及HPB300直徑8 mm箍筋。

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of specimens

圖2 試件設(shè)計(jì)詳圖 mmFig.2 Design drawings of specimens

1.2 材料性能

試件高強(qiáng)鋼管材質(zhì)為Q420,其力學(xué)性能實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 鋼管力學(xué)性能指標(biāo)Table 2 Mechanical properties of steel pipes

試件鋼筋的力學(xué)性能實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)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(hù)28 d,測(cè)得混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為36.3 MPa,灌漿料抗壓強(qiáng)度平均值為52.1 MPa。

1.3 試件加載與量測(cè)

試驗(yàn)采用1000T微機(jī)控制電液伺服壓剪試驗(yàn)機(jī),按0.5 mm/min的速率控制加載,加載示意見(jiàn)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(diǎn)焊,作為位移計(jì)的支點(diǎn)。

圖3 試驗(yàn)加載裝置Fig.3 Loading set-up

在鋼管側(cè)面對(duì)稱粘貼2列應(yīng)變片,應(yīng)變片沿鋼管縱向均勻布置(600 mm黏結(jié)長(zhǎng)度布置5道、800 mm黏結(jié)長(zhǎng)度布置7道),以監(jiān)測(cè)鋼管受力變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象

加載初期,試件處于彈性階段,界面化學(xué)膠著力使鋼管與周圍黏結(jié)材料整體受力,自由端位移計(jì)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(jì)示數(shù)開(kāi)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(xué)膠著力逐漸失效,而界面機(jī)械咬合力及摩擦力占據(jù)主導(dǎo);隨著位移進(jìn)一步增大,鋼管與周圍黏結(jié)材料之間的相對(duì)滑移越來(lái)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(yàn)結(jié)束。

所有試件均以鋼管明顯滑移為破壞特征;鋼管應(yīng)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(duì)比照片見(jiàn)圖4。

2.2 荷載-位移/滑移曲線

各試件加載全過(guò)程的荷載-位移/滑移曲線見(jiàn)圖5。

由圖5可見(jiàn),各試件的荷載-位移曲線與荷載-滑移曲線走勢(shì)基本一致。由于加載初期試驗(yàn)裝置間隙的影響以及滑移滯后,導(dǎo)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(shì)基本一致,表現(xiàn)為兩者曲線基本可平移重疊。

a—試驗(yàn)前鋼管; b—試驗(yàn)后鋼管;c—試驗(yàn)前自由端; d—試驗(yàn)后自由端。圖4 試驗(yàn)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(jìn)行對(duì)比,見(jiàn)圖6?？梢钥闯?A組試件曲線具有較為明顯的拐點(diǎn),且分別對(duì)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(diǎn)尖角更突出;B組、C組混凝土試件曲線無(wú)明顯拐點(diǎn),而灌漿料試件則表現(xiàn)出相對(duì)明顯的拐點(diǎn)。分析認(rèn)為,曲線拐點(diǎn)的出現(xiàn)一般由于化學(xué)膠著力完全喪失、界面滑移及黏結(jié)材料磨平破壞而導(dǎo)致荷載有所降低。灌漿料較混凝土的脆性特性相對(duì)明顯,導(dǎo)致灌漿料試件拐點(diǎn)更為明顯,而尤其突出的是C組試件。進(jìn)一步分析認(rèn)為,C組試件鋼管的表面積/截面積的比值最大,其對(duì)界面材料失效及滑移的敏感性更高,導(dǎo)致其曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)處荷載大幅降低。

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

2.3 界面黏結(jié)強(qiáng)度

各試件實(shí)測(cè)滑移荷載Ps(試件開(kāi)始出現(xiàn)滑移時(shí)對(duì)應(yīng)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(gè)拐點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載)見(jiàn)表4。同時(shí),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(qiáng)度計(jì)算公式見(jiàn)式(1),計(jì)算得各試件黏結(jié)強(qiáng)度τu見(jiàn)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(duì)比Fig.6 Comparisons of load-displacement/slippage curves for specimens by different materials

從滑移荷載來(lái)看,黏結(jié)長(zhǎng)度增大,增設(shè)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(yīng)相對(duì)穩(wěn)定。分析認(rèn)為,界面滑移前主要依靠化學(xué)膠著力提供承載力,其與黏結(jié)長(zhǎng)度正向相關(guān),因此黏結(jié)長(zhǎng)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(jī)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(guān),而導(dǎo)致其提高效果相對(duì)離散。同時(shí),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(shì),B組試件尤為明顯。

從黏結(jié)強(qiáng)度來(lái)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(zhǎng)度增大,混凝土試件與灌漿料試件的黏結(jié)強(qiáng)度均隨之降低,前者最大降幅約25%,后者最大降幅約13%;高強(qiáng)度灌漿料明顯提高了試件的黏結(jié)強(qiáng)度,提高幅度最大約57%;螺旋筋同樣可提高試件黏結(jié)強(qiáng)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(duì)比同組不同長(zhǎng)細(xì)比試件及不同組不同徑厚比試件,可以發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)細(xì)比與徑厚比對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響無(wú)明顯規(guī)律。

同時(shí),根據(jù)各國(guó)規(guī)范[6-9]規(guī)定的黏結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值要求,各國(guó)規(guī)范有所差異,取其最高要求為0.40 MPa,對(duì)比表4結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),所有試件的黏結(jié)強(qiáng)度均能滿足相關(guān)規(guī)范要求,且具備足夠的安全度。

表4 試件黏結(jié)強(qiáng)度Table 4 Bond strengths of specimens

3 結(jié) 論

針對(duì)內(nèi)埋矩形鋼管的裝配式組合結(jié)構(gòu)柱,提出了高強(qiáng)鋼管連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。為探討連接鋼管的合理設(shè)計(jì)與構(gòu)造,考慮設(shè)計(jì)可能采用的φ114×25、φ152×16和φ194×10三種截面規(guī)格,開(kāi)展了考慮黏結(jié)長(zhǎng)度、黏結(jié)材料種類及鋼管外壁是否增設(shè)螺旋筋等參數(shù)的鋼管推出試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果及分析結(jié)論如下:

1)對(duì)于三種截面規(guī)格鋼管,600 mm黏結(jié)長(zhǎng)度已能確保設(shè)計(jì)要求的黏結(jié)強(qiáng)度,且具有足夠的安全儲(chǔ)備,同時(shí),同條件下φ114×25鋼管可獲得最高的黏結(jié)強(qiáng)度,φ152×16鋼管次之,φ194×10鋼管最低。

2)界面黏結(jié)強(qiáng)度與黏結(jié)材料強(qiáng)度正相關(guān),而與黏結(jié)長(zhǎng)度反相關(guān),與長(zhǎng)細(xì)比、徑厚比無(wú)明顯規(guī)律關(guān)系。

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

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

綜上,基于科學(xué)的黏結(jié)長(zhǎng)度設(shè)計(jì)(不小于600 mm)與合理的連接構(gòu)造(鋼管外壁增設(shè)螺旋筋),裝配式組合結(jié)構(gòu)柱Q420高強(qiáng)鋼管連接節(jié)點(diǎn)的黏結(jié)性能可滿足相關(guān)規(guī)范要求,保證連接節(jié)點(diǎn)不致發(fā)生界面滑移破壞。