鋼管混凝土界面黏結力的組成試驗研究

許開成，陳夢成，顧章川

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

鋼管混凝土是鋼與混凝土組合結構的一種主要結構形式，常用作受壓構件。它把兩種不同性質的材料結合在一起共同工作，充分發揮了鋼材受拉性能高和混凝土受壓性能好的優點。它具有承載力高、塑性和韌性好、抗震性能好、經濟效益顯著和施工簡便等許多優點，因而在工程中得到廣泛的應用[1-2]。鋼管與核心混凝土間的協同工作是鋼管混凝土具有一系列突出優點的前提，而鋼管和混凝土之間的黏結強度直接影響到兩種材料能否共同協同工作。在鋼管混凝土柱上，節點處傳來的剪力也是通過界面黏結力從鋼管傳到核心混凝土上。已有眾多學者在黏結強度的影響因素及機理方面進行了研究，本文從黏結應力的組成方面進行研究。

1 界面黏結力

鋼管混凝土組合界面的抗剪黏結力與鋼筋和混凝土之間的抗滑黏結力一樣[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膠結力。膠結力是混凝土與鋼管內表面的吸附力，膠結強度與混凝土的性質有很大的關系，如水泥用量、水灰比等。在鋼管和混凝土發生明顯滑移之前，主要是膠結力起作用。混凝土與鋼管表面之間的化學膠結力很小，在剪力不大的情況下就可以使混凝土和鋼管之間的膠結作用破壞，當鋼管和混凝土之間出現滑移后，這種膠結作用喪失并無法恢復。

2)凹凸不平的鋼管內表面與混凝土之間的機械咬合力。機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現的。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度。

3)鋼管與混凝土接觸面之間的摩阻力。當鋼管與混凝土之間發生相對滑動后，界面上的摩擦阻力開始發揮作用，摩擦力與接觸面上的法向應力及界面的摩擦系數成正比，而界面上的摩擦系數則和鋼管表面的粗糙程度有關。

為了研究鋼管混凝土界面黏結力的大小及組成情況，共進行了7個鋼管混凝土短柱的推出試驗。

2 試驗概況

2.1 試驗方案

為了得到鋼管與混凝土間黏結力三個部分的組成情況，共設計了7個圓鋼管混凝土試件，分別在鋼管內壁不同位置，按黏結界面長度的0，10%，20%，30%，50%，75%和100%比例涂抹黃油，以消除界面的膠結力和機械咬合力。為模擬實際工況，混凝土澆筑前，對鋼管內壁進行了簡單的人工除銹。

采用人工攪拌配制混凝土，設計強度為C40，混凝土配合比為水泥∶砂∶碎石∶水 =1∶1.10∶2.56∶0.40。澆筑時，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行振搗。在澆筑的同時，預留6塊150 mm×150 mm×150 mm標準立方體試塊，試件實測標準抗壓強度為41.2 MPa。試件采用Q235的直縫圓鋼管，材料性質按有關規定進行拉伸試驗測得，鋼材的彈性模量 E為 181 GPa，鋼管屈服強度 fy為 312 MPa，鋼管極限強度fu為386 MPa。試件參數見表1。

表1 試件參數

2.2 試驗加載裝置

試驗在華東交通大學結構實驗室5 000 kN壓力試驗機上進行，數據采集利用的是DH3815N分布式靜態應變測試系統。試驗采用分級加載，推出試驗的裝置如圖1所示。在加載端的混凝土面上鋪上一層濕的細沙，便于幾何和物理對中，接著放置一塊剛度比較大的圓形鋼墊塊，直徑為152 mm，略小于鋼管內徑，兩邊距離鋼管有2～3 mm的間隙。

2.3 加載方法

在試驗的準備階段，先在鋼管的四個面上做好標記，畫好中軸線，并且在臺座中央也預先畫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上，以防止試件發生偏心受壓。加載時，先預先加載5 kN，使混凝土面與鋼墊塊之間擠壓緊密，并檢查試驗儀器有沒有異常，再采用慢速連續加載，開始記錄數據。待準備工作完成后，在確保應變片連接無誤的情況下，開始加載。在加載初期，每級加載約為預計極限荷載的1/10，加載速度控制在500 N/s，每級荷載持荷2～3 min，當鋼管與核心混凝土之間出現了明顯的非線性滑動后，加載速度控制在200 N/s，緩慢連續加載直至黏結作用徹底破壞。

圖1 試驗加載裝置

在混凝土加載端兩側分別布置了一個百分表，用來量測鋼管和混凝土界面的相對滑移，在每級荷載加載結束的時候直接讀出試驗機上的荷載值，由此繪出荷載—滑移曲線。

3 試驗結果分析

3.1 荷載滑移P—s曲線

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

圖2 推出試驗的P—s曲線

1)直線上升段。在荷載的作用下，核心混凝土受壓而橫向膨脹，外鋼管會對其起約束作用，因此，能一定程度地提供使鋼管與核心混凝土產生黏結作用所需要的壓應力，使界面上的混凝土與外鋼管接觸緊密。在荷載較小時，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產生滑移，此時，界面黏結力主要由化學膠結力和部分機械咬合力組成。鋼管與混凝土的相對滑移主要是界面層的剪切變形，且黏結應力隨界面層剪切變形的增加而線性增加。隨著界面脫黏比例的增加，此階段曲線的斜率呈下降趨勢。其主要是由于界面涂抹黃油使化學膠結力無法存在。

2)曲線上升段。當荷載增加到某一值時，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完好混凝土層的大，從而在界面上，鋼管對核心混凝土產生提供黏結作用的壓應力。隨著荷載的增大，混凝土界面上的破損層厚度、顆粒大小均發生改變，混凝土與鋼管之間的壓應力也隨之改變。界面層產生的微裂縫隨荷載增加而發展，導致界面黏結滑移剛度開始退化。一旦界面層發生剪切破壞，鋼管與混凝土在整個傳遞長度上發生相對滑移，膠結力即全部喪失。此時，界面黏結力由機械咬合力和摩阻力承擔，界面黏結應力達到局部黏結強度，對應此階段的界面相對滑移包括界面層的剪切變形和鋼與混凝土之間的微動。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很小，黃油填充了鋼管與混凝土上的凹凸，機械咬合力較小。

3)曲線下降段。隨著荷載的增加，滑移繼續增大，在接點處，較硬微凸峰擠壓較軟微凸峰，使其發生斷裂，較軟面受到磨損而形成磨屑，且沉積在硬表面上，界面摩擦系數下降。隨著荷載的進一步增加，軟微凸峰不斷斷裂，磨屑越積越多，機械咬合力逐漸喪失，界面黏結力將轉為由鋼管與混凝土之間的摩阻力和殘存的機械咬合力負擔，隨著滑移的增大，機械咬合力最終全部失效，界面上的黏結力全部由摩阻力承擔。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)平穩段。此階段，鋼管與混凝土界面摩擦磨損已基本穩定，界面上的正應力以及由其引起的摩擦阻力接近于恒值，黏結應力趨于穩定，但滑移繼續增加。P—s曲線接近于水平直線。

3.2 界面黏結力的大小與組成

鋼管混凝土推出試件極限荷載及平均界面黏結強度及黏結力的組成如表2所示。其中，Pu為極限荷載，τu為平均黏結強度，ls為黏結界面黏結長度。試驗中，界面抹油的部分化學膠結力可忽略不計[6]，只有摩擦力P2'和機械咬合力P3，未抹油的試件界面黏結力由化學膠結力P1、摩擦力P2和機械咬合力P3組成，D為鋼管直徑。膠結力在黏結力中所占比例很小，當界面有相對滑動后，膠結力即失效，在試驗的黏結強度中主要有界面摩擦力和機械咬合力的貢獻。

表2 試驗結果及界面黏結力的組成

從試驗結果來看，機械咬合力在黏結力中所占的比例在20%～30%之間，摩擦力在界面黏結力中占主要部分。隨著界面脫黏比例的增加，咬合力占黏結力的比例有減少的趨勢。根據表2可知，不經過處理的鋼管與混凝土界面平均摩擦應力為0.8～0.9 MPa，涂抹黃油的界面摩擦應力為0.2～0.3 MPa。

4 結論

通過對7根不同初始脫黏的鋼管混凝土試件的推出試驗及承載力組成分析，得到如下結論:

1)鋼管混凝土界面黏結力由化學膠結力、摩擦力和機械咬合力三部分組成，化學膠結力在有相對滑移時即消失，摩擦力占主要部分，機械咬合力占20% ～30%。

2)不經處理的鋼管混凝土界面平均黏結強度為1.2～1.3 MPa。

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

[1]趙鴻鐵.鋼與混凝土組合結構[M].北京:科學出版社，2001.

[2]鐘善桐.鋼管混凝土結構(第三版)[M].北京:清華大學出版社，2003.

[3]呂西林，金國芳，吳曉函.鋼筋混凝土結構非線性有限元理論及分析[M].上海:同濟大學出版社，1997.

[4]蔡紹懷.現代鋼管混凝土結構[M].北京:人民交通出版社，2003.

[5]康希良，趙鴻鐵，薛建陽，等.鋼管混凝土黏結滑移問題綜述分析[J].西安建筑科技大學學報(自然科學版)，2006，38(3):321-325.

[6]陳志華，曲秀姝，王小盾，等.方鋼管混凝土界面承載力的試驗研究[J].哈爾濱工業大學學報，2009，42(10):27-32.