型鋼混凝土的粘結滑移關系研究

梁勇敢

0 引言

型鋼混凝土構件由于承載力高、抗震和抗火性能好、造價適中,在高層與超高層建筑、大跨度公共建筑中得到廣泛的應用。型鋼與混凝土之間的粘結性能是直接影響型鋼混凝土結構和構件的受力性能、破壞形態、計算假定、承載能力、裂縫和變形的主要因素[1-3]。

型鋼與混凝土之間的粘結力主要由三部分組成[4,5]:混凝土中水泥膠體與型鋼表面的化學膠結力,型鋼與混凝土接觸面上的摩擦阻力和型鋼表面粗糙不平的機械咬合力。型鋼混凝土結構和構件在受力后,由于粘結內裂縫以及混凝土劈裂裂縫的存在,型鋼混凝土粘結破壞的機理較為復雜,在型鋼混凝土的連接面區域內,應力應變狀態非常復雜,本文首先采用結構分析軟件 ANSYS對影響型鋼混凝土結構粘結滑移的因素——混凝土強度等級、混凝土保護層厚度、橫向配箍率和縱向配筋率等進行分析,最后在對數值分析結果進行回歸分析的基礎上,提出型鋼混凝土粘結滑移關系的特征方程。

1 有限元模型的建立

型鋼混凝土構件的型鋼采用Shell181殼單元模擬,混凝土采用實體單元Solid65模擬,型鋼與混凝土界面視為各自邊界條件,采用Contac173接觸單元模擬,鋼筋混凝土結構中縱向鋼筋橫向箍筋采用Link8單元進行模擬。

型鋼采用Q 345鋼,彈性模量Es=2.06×105MPa,v=0.3,混凝土根據試件采取強度等級確定相關參數。

模型尺寸和各項參數參照文獻[6]的取值,型鋼均為80mm×8mm的鋼板條,考慮影響型鋼混凝土粘結力的四個參數:混凝土的強度等級、混凝土保護層厚度、配箍率sv以及縱向配鋼率s。

所有試件的錨固長度均為 600mm。模型采用擬梁拉拔方式加載,荷載為單調加載P=200 kN,荷載分20個子步加載,即每次加載10 kN。

圖1為試件的有限元計算模型。

2 有限元分析結果

2.1 混凝土強度等級對粘結性能的影響

為分析混凝土強度等級對粘結性能的影響,共計算了 8個模型,如表 1所示,混凝土強度等級從 C15～C50,保護層厚度統一取為45mm,縱筋配筋率s=0.5%,配箍率sv=1.2%。

表1 混凝土強度等級計算模型參數及計算結果

圖2為計算模型的加載端 P與加載端滑移 S的關系曲線,從圖 2可以看出,隨著混凝土強度等級的提高,計算模型的極限破壞荷載大幅度提高,最大破壞荷載比最小破壞荷載提高了 82%,但滑移趨勢基本相同,且加載端滑移量變化不是很大。

2.2 混凝土保護層厚度對粘結性能的影響

表2 混凝土保護層厚度計算模型參數及計算結果

為分析混凝土保護層厚度對粘結性能的影響,共計算了 8個模型,如表 2所示,混凝土保護層厚度從 30mm～65mm,混凝土強度等級為C30,縱筋配筋率s=0.5%,配箍率sv=0.8%。

混凝土保護層厚度對型鋼混凝土的粘結有著一定的影響,當保護層厚度過小時,型鋼混凝土的粘結破壞常因混凝土保護層開裂而影響到粘結強度的發展,當保護層厚度達到一定厚度時,粘結應力的發展不會因為混凝土保護層的較早開裂而受到限制,粘結強度得到相應的提高。

2.3 橫向配箍率對粘結性能的影響

為分析橫向配箍率對粘結性能的影響,共計算了 8個模型,如表3所示,橫向配箍率從 0.2%～2.5%,混凝土強度等級為C30,混凝土保護層厚度為45mm,縱筋配筋率s=0.5%。

表3 橫向配箍率計算模型參數及計算結果

型鋼混凝土之間的粘結應力在發生滑移之前,主要由化學膠結力承受,而化學膠結力主要由混凝土的性能和型鋼表面狀況決定,與橫向配箍率的關系不大,但在發生滑移之后,橫向配箍率可以提高發生粘結滑移后的摩擦阻力和機械咬合力。

2.4 縱向配筋率對粘結性能的影響

為分析縱向配筋率對粘結性能的影響,共計算了 8個模型,如表4所示,縱向配筋率從 0.2%～2.5%,混凝土強度等級為C30,混凝土保護層厚度為45mm,橫向配箍率sv=0.8%。

表4 縱向配筋率計算模型參數及計算結果

圖3為計算模型的加載端P與加載端滑移S的關系曲線,從圖 3可以看出,其受力過程一樣可以分為上升段、下降段和水平收斂段 3個階段,8個計算模型的荷載—滑移曲線基本上重合,表明縱向配筋率對極限破壞荷載提高很小,對型鋼混凝土的粘結滑移影響很小。

3 粘結滑移關系

根據上述關于型鋼混凝土粘結滑移的數值模擬分析,各試件由于參數不同,荷載—加載端滑移曲線(P—S曲線)表現出一定的差異,從加載端開始出現滑移至荷載達到極限值這一區間(統稱為上升段)的粘結滑移性能和本構關系,直接影響型鋼混凝土結構和構件的受力性能、破壞形態、承載能力、裂縫和變形等。

圖4為有限元數值模擬得到的加載端P與加載端滑移S關系的典型曲線,由圖 4可以看出,其受力過程大致可以分為上升段、下降段和水平收斂段 3個階段,定義 3個特征荷載:即初始滑移荷載 Ps——化學膠結力逐步喪失,加載端開始產生滑移;極限荷載 Pu——化學膠結力全部喪失,摩擦力和機械咬合力發揮主要作用,達到荷載極限;殘余荷載 Pr——機械咬合力全部喪失,型鋼混凝土連接面趨于光滑,P—S下降端的終點和水平殘余端的起點。將荷載分別除以型鋼與混凝土連接面的總面積,相應得到三個特征粘結強度初始滑移粘結強度 ˉτs、極限粘結強度ˉτu和殘余粘結強度ˉτr。

通過對 32個不同類型的型鋼混凝土試件的擬梁式拉拔數值模擬分析,對各種因素進行統計回歸,可以得到表 5的分析結果。

表5 粘結滑移特征方程

4 結語

1)混凝土強度等級對型鋼混凝土粘結滑移性能影響很大;混凝土保護層厚度、橫向配箍率和縱向配筋率對極限破壞荷載提高作用不明顯,但對滑移發生后的粘結強度有一定的提高。

2)在有限元參數分析的基礎上,分析了型鋼混凝土荷載—加載端滑移曲線,回歸出型鋼混凝土粘結滑移關系的特征方程。

[1] 薛立紅,蔡紹懷.鋼管混凝土柱組合界面的粘結強度(上) [J].建筑科學,1996(3):22-28.

[2] 薛立紅,蔡紹懷.鋼管混凝土柱組合界面的粘結強度(下) [J].建筑科學,1996(4):19-23.

[3] 姜紹飛,韓林海,喬景川.鋼管混凝土中鋼與混凝土粘結問題初探[J].哈爾濱建筑大學學報,2000(2):24-28.

[4] 薛建陽,楊 勇,趙鴻鐵,等.型鋼混凝土粘結滑移性能研究綜述分析[J].結構工程師,2002(4):51-58.

[5] 趙鴻鐵,楊 勇,薛建陽,等.型鋼混凝土粘結滑移力學性能研究及基本問題[J].力學進展,2003,33(1):74-86.

[6] 李 紅,姜維山.型鋼與混凝土粘結本構關系的試驗研究[J].西北建筑工程學院學報,1995(3):16-22.