型鋼混凝土粘結滑移性能研究現狀

涂木蘭+??

【摘要】本文主要總結了型鋼混凝土粘結滑移性能的研究形狀，包括型鋼混凝土粘結滑移推出試驗、影響型鋼混凝土粘結滑移性能的因素以及特征粘結強度的計算。

【關鍵詞】型鋼混凝土結構;粘結滑移性能;推出試驗;粘結強度

Status of Bond-Slip Research on Steel Reinforced Concrete Structures

Tu Mu-lan

（Chengdu Normal University，College of Physics and EngineeringChengduSichuan611130）

【Abstract】The overview focuses on the bond-slip behavior of steel reinforced concrete structures，including push-out test of bond-slip、the factors impacting the bond-slip of steel reinforced concrete structures and calculation of bond strength.

【Key words】Steel reinforced concrete structures;Bond-slip behavior;Push-out test;Bond strength

1. 前言

（1）型鋼混凝土結構即為在混凝土中配置型鋼或以配型鋼為主的結構。由于其承載能力高、延性好以及良好的抗震性能，近些年來，在我國的高層及超高層建筑工程應用中日益廣泛。

（2）型鋼混凝土結構是型鋼與混凝土共同組成的組合構件，在承載過程中，型鋼與混凝土協同工作、共同受力。試驗表明由于型鋼與混凝土材料不同，當達到一定的荷載后，型鋼與混凝土之間將產生較明顯的滑移，變形不能協調一致，在這種狀況下，研究混凝土與型鋼之間如何傳遞應力，如何協調變形，將不可避免地涉及粘結-滑移關系的研究。因此，粘結-滑移關系對于深入了解型鋼混凝土結構受力特征、工作機理有著重要的意義。

（3）日本、歐美和前蘇聯對型鋼混凝土結構的研究較早，應用也較為普遍，但日本的設計方法忽略了型鋼與混凝土之間的共同工作，并把型鋼混凝土構件的承載能力視為混凝土部分和型鋼部分承載能力的疊加，這樣做顯然過于偏安全。而前蘇聯則按照型鋼與混凝土完全協同工作考慮，這顯然又過分夸大了型鋼與混凝土之間的粘結作用，計算結構偏于不安全。歐美的設計規范主要給出的是以試驗和數值分析為基礎的經驗公式，它也避開了型鋼混凝土結構中實質的、也是難于處理的型鋼與混凝土之間的粘結滑移問題而沒有進行深入的探討。

（4）我國學者自20世紀80年代開始，對型鋼混凝土構件的強度、剛度及抗震承載力等方面進行了研究，并普遍認為型鋼與混凝土之間的粘結滑移對型鋼混凝土構件的受力性能有顯著影響。同時也做了大量的試驗研究和理論分析，獲得了型鋼與混凝土之間的粘結滑移分布及其規律、粘結滑移作用機理及各種影響因素等。

2. 型鋼混凝土粘結-滑移試驗

2.1型鋼與混凝土之間粘結力。

型鋼混凝土結構中，型鋼與混凝土之間的粘結力由兩部分組成，即混凝土的化學膠結力和混凝土與型鋼表面的摩阻力。試驗證明，加載初期主要是化學膠結力起作用;而加荷后期，膠結力遭到破壞以后，主要是混凝土界面與型鋼表面的摩阻力作貢獻。

2.2型鋼與混凝土粘結-滑移試驗。

（1）早期的試驗大多是以簡支梁的形式來試圖確定型鋼與混凝土之間的粘結強度，然而從這些研究資料中發現，在梁端型鋼與混凝土之間的相對滑移量沒有測出來，并混淆了水平剪切破壞與粘結破壞，而且對破壞荷載的計算方法缺乏一致性。目前的試驗主要采用推出試驗（圖1）和短柱試驗，短柱試驗雖然更接近于型鋼混凝土柱的真實受力情況，但是推出試驗能更好地確定型鋼混凝土粘結剛度和粘結強度，是較常采用的方法。

（2）由于實際工程中構件的受力性質不同，粘結滑移性能也有所區別。因此，除了進行推出試驗外，尚需測定梁、柱節點等基本構件的粘結滑移性能，以便更直接地用于實際工程設計中。試驗時一般應在型鋼上沿著在混凝土中的埋置長度粘結電阻應變片和埋置滑移傳感器，以測得沿著型鋼埋置長度粘結應力的分布規律、型鋼與混凝土的粘結強度以及粘結應力與粘結滑移的本構關系。

圖1推出試驗示意圖

3. 型鋼-混凝土粘結強度的主要影響因素

3.1保護層厚度。

一些研究表明，型鋼的混凝土保護層厚度是影響粘結裂縫和粘結破壞的主要因素之一。型鋼與混凝土的平均粘結強度在一定范圍內隨著混凝土保護層厚度的增加而提高。這是因為混凝土凝固時的收縮使保護層對型鋼表明產生了更大的正壓力，導致兩種材料之間的摩擦增大，從而提高了粘結強度;保護層厚度超過一定值后，對粘結強度的影響已經不大，這是因為滑移產生時對裂縫開展的影響不大。

3.2混凝土強度。

混凝土強度是影響粘結強度的因素之一。因為，較高強度的混凝土其化學膠結力亦較大，其抗拉強度較高。化學膠結力的大小直接關系到粘結強度的高低。抗拉強度高，抗裂性能較強，比較不容易出現粘結裂縫，對構件抗粘結劈裂破壞顯然有利。

3.3配鋼率。

根據試驗，當配鋼率較大時，隨著配鋼率的增大，粘結強度降低。因為較大配鋼率的構件，相對周圍握裹型鋼的混凝土減少，因此握裹力就減小。對于同樣截面大小的構件，配鋼率的增多，也就意味著型鋼的混凝土保護層減小，對粘結強度有一定影響。但是對于配鋼率不大的構件，配鋼率對粘結強度的影響不明顯。因為后者具有足夠多的混凝土握裹型鋼，同樣具有足夠厚度的保護層。這與前述的保護層厚度達到一定大小以后，增加混凝土保護層厚度對粘結強度影響不明顯的結論是一致的。國外型鋼混凝土構件的配鋼率一般較高，而我國型鋼混凝土構件一般配鋼率不大，因此對粘結性能影響不明顯。

3.4橫向鋼筋配箍率。

試驗證明橫向鋼筋配箍率的大小對初始滑移平均粘結應力及平均極限粘結強度影響不明顯。但是配箍率的增加能增加對混凝土的約束，因此使殘余粘結強度得到明顯提高。這是因為加荷前期型鋼與混凝土的粘結力主要依靠化學膠結力，而橫向鋼筋對化學膠結力并無多大作用。而在受荷后期，由于橫向鋼箍對混凝土的約束，提高了混凝土與型鋼間的摩阻作用，因此使構件后期的粘結力提高。配置足夠多的鋼箍，對阻止型鋼外圍混凝土的劈裂破壞與混凝土保護層鼓出破壞是有效的。

3.5型鋼埋置長度。

型鋼埋置長度與粘結面大小對于構件承受總的粘結力有明顯的影響。因為粘結面大，包括型鋼埋置長度加大，都是增加了粘結面，因此在一定的縱向力作用下，分布于各點的粘結應力就明顯減小。所以增加型鋼埋置長度或采用合理的配鋼方式以增加粘結面，是增強構件中型鋼與混凝土粘結的有效措施。

3.6加載方式。

加載方式與型鋼混凝土的粘結性能也存在著一定的關系。例如，承受均布荷載的型鋼混凝土梁，由于梁上有荷載的“壓迫”作用，促使型鋼與混凝土之間的豎向壓力和摩擦力增大，這有利于增強二者的粘結作用，減小型鋼與混凝土界面上的縱向滑移，并阻止型鋼外圍混凝土向外鼓出。

4. 粘結強度的計算

4.1初始滑移粘結強度。

從上述可以看出，保護層厚度、混凝土強度和型鋼埋置長度是影響初始滑移粘結強度的主要因素，而橫向配箍率對初始滑移粘結強度的影響不明顯，因此在計算時可不必考慮。由此得到初始滑移粘結強度的線性回歸方程為：

s =（0.314+0.3292CSS/d-0.01821Le/d）? ft （1）

4.2極限粘結強度。

保護層厚度、混凝土強度和型鋼埋置長度對極限粘結強度的影響比較明顯，相對而言，橫向配箍率的作用不太明顯，因此只需考慮保護層厚度、混凝土強度和型鋼埋置長度對極限粘結強度的影響，經回歸分析得到極限粘結強度的計算公式為：

u =（0.2921+0.4593CSS/d-0.00781Le/d）? ft???? （2）

當型鋼的混凝土保護層厚度小于前述的臨界厚度時，按實際保護層厚度計算;如果型鋼的混凝土保護層厚度大于臨界保護層厚度時，則取臨界保護層厚度計算。

4.3水平殘余粘結強度。

從推出試驗中可看出，保護層厚度、混凝土強度和橫向配箍率對水平殘余粘結強度的影響比較明顯，因此這里僅考慮保護層厚度、混凝土強度和橫向配箍率的影響，建立水平殘余粘結強度的線性回歸方程為：

r=（-0.0117+0.3675CSS/d+0.3927ρSV）? ft?????? （3）

式中：???? CSS——型鋼的混凝土保護層厚度，mm;????? d——型鋼截面高度，mm;

Le——型鋼埋置長度，mm;???????????????? ρSV ——橫向配箍率，%。

5. 結語

型鋼與混凝土之間的粘結滑移性能不僅直接影響到型鋼混凝土結構的受力性能，如構件的破壞形態、承載能力、裂縫和變形特征等，而且它與型鋼混凝土構件的剪切連接、粘結錨固、耐久性設計也密切相關。同時，有限單元法和界面應力元法的發展和完善，為各種復雜的型鋼混凝土結構和構件的分析提供了新的手段，但是也相應提出了一些非常重要并亟待解決的問題，如型鋼與混凝土之間粘結滑移的數值模擬方法，主要表現在建立合理的粘結單元和確定合理的粘結剛度，以及粘結滑移本構模型。因此，要改進和完善現行型鋼混凝土結構計算理論，并采用有限元或界面應力元方法對復雜結構進行準確的分析計算，就必須對型鋼混凝土粘結滑移性能進行深入的研究。可以說，型鋼混凝土的粘結滑移性能是型鋼混凝土理論研究中最基本的問題，也是關鍵問題。本文主要是對現有的型鋼混凝土的研究成果進行總結，包括型鋼與混凝土的粘結滑移試驗、影響型鋼與混凝土之間粘結力的因素以及特征粘結強度的計算。由于型鋼混凝土粘結性能的研究開展較晚，還有很多工作有待進一步深化。

參考文獻

[1]趙鴻鐵，張素梅.組合結構設計原理.北京：高等教育出版社，2005.

[2]聶建國，劉明，葉列平.鋼-混凝土組合結構.北京：中國建筑工業出版社，2005.

[3]薛建陽，楊勇，趙鴻鐵.型鋼混凝土推出試驗及其粘結強度研究.鋼結構，2006.

[4]董宇光，呂西林，楊小川.鋼骨與混凝土之間粘結-滑移性能研究進展.結構工程師，2005.

[文章編號]1619-2737（2014）10-20-813

3.4橫向鋼筋配箍率。

試驗證明橫向鋼筋配箍率的大小對初始滑移平均粘結應力及平均極限粘結強度影響不明顯。但是配箍率的增加能增加對混凝土的約束，因此使殘余粘結強度得到明顯提高。這是因為加荷前期型鋼與混凝土的粘結力主要依靠化學膠結力，而橫向鋼筋對化學膠結力并無多大作用。而在受荷后期，由于橫向鋼箍對混凝土的約束，提高了混凝土與型鋼間的摩阻作用，因此使構件后期的粘結力提高。配置足夠多的鋼箍，對阻止型鋼外圍混凝土的劈裂破壞與混凝土保護層鼓出破壞是有效的。

3.5型鋼埋置長度。

型鋼埋置長度與粘結面大小對于構件承受總的粘結力有明顯的影響。因為粘結面大，包括型鋼埋置長度加大，都是增加了粘結面，因此在一定的縱向力作用下，分布于各點的粘結應力就明顯減小。所以增加型鋼埋置長度或采用合理的配鋼方式以增加粘結面，是增強構件中型鋼與混凝土粘結的有效措施。

3.6加載方式。

加載方式與型鋼混凝土的粘結性能也存在著一定的關系。例如，承受均布荷載的型鋼混凝土梁，由于梁上有荷載的“壓迫”作用，促使型鋼與混凝土之間的豎向壓力和摩擦力增大，這有利于增強二者的粘結作用，減小型鋼與混凝土界面上的縱向滑移，并阻止型鋼外圍混凝土向外鼓出。

4. 粘結強度的計算

4.1初始滑移粘結強度。

從上述可以看出，保護層厚度、混凝土強度和型鋼埋置長度是影響初始滑移粘結強度的主要因素，而橫向配箍率對初始滑移粘結強度的影響不明顯，因此在計算時可不必考慮。由此得到初始滑移粘結強度的線性回歸方程為：

s =（0.314+0.3292CSS/d-0.01821Le/d）? ft （1）

4.2極限粘結強度。

保護層厚度、混凝土強度和型鋼埋置長度對極限粘結強度的影響比較明顯，相對而言，橫向配箍率的作用不太明顯，因此只需考慮保護層厚度、混凝土強度和型鋼埋置長度對極限粘結強度的影響，經回歸分析得到極限粘結強度的計算公式為：

u =（0.2921+0.4593CSS/d-0.00781Le/d）? ft???? （2）

當型鋼的混凝土保護層厚度小于前述的臨界厚度時，按實際保護層厚度計算;如果型鋼的混凝土保護層厚度大于臨界保護層厚度時，則取臨界保護層厚度計算。

4.3水平殘余粘結強度。

從推出試驗中可看出，保護層厚度、混凝土強度和橫向配箍率對水平殘余粘結強度的影響比較明顯，因此這里僅考慮保護層厚度、混凝土強度和橫向配箍率的影響，建立水平殘余粘結強度的線性回歸方程為：

r=（-0.0117+0.3675CSS/d+0.3927ρSV）? ft?????? （3）

式中：???? CSS——型鋼的混凝土保護層厚度，mm;????? d——型鋼截面高度，mm;

Le——型鋼埋置長度，mm;???????????????? ρSV ——橫向配箍率，%。

5. 結語

型鋼與混凝土之間的粘結滑移性能不僅直接影響到型鋼混凝土結構的受力性能，如構件的破壞形態、承載能力、裂縫和變形特征等，而且它與型鋼混凝土構件的剪切連接、粘結錨固、耐久性設計也密切相關。同時，有限單元法和界面應力元法的發展和完善，為各種復雜的型鋼混凝土結構和構件的分析提供了新的手段，但是也相應提出了一些非常重要并亟待解決的問題，如型鋼與混凝土之間粘結滑移的數值模擬方法，主要表現在建立合理的粘結單元和確定合理的粘結剛度，以及粘結滑移本構模型。因此，要改進和完善現行型鋼混凝土結構計算理論，并采用有限元或界面應力元方法對復雜結構進行準確的分析計算，就必須對型鋼混凝土粘結滑移性能進行深入的研究。可以說，型鋼混凝土的粘結滑移性能是型鋼混凝土理論研究中最基本的問題，也是關鍵問題。本文主要是對現有的型鋼混凝土的研究成果進行總結，包括型鋼與混凝土的粘結滑移試驗、影響型鋼與混凝土之間粘結力的因素以及特征粘結強度的計算。由于型鋼混凝土粘結性能的研究開展較晚，還有很多工作有待進一步深化。

參考文獻

[1]趙鴻鐵，張素梅.組合結構設計原理.北京：高等教育出版社，2005.

[2]聶建國，劉明，葉列平.鋼-混凝土組合結構.北京：中國建筑工業出版社，2005.

[3]薛建陽，楊勇，趙鴻鐵.型鋼混凝土推出試驗及其粘結強度研究.鋼結構，2006.

[4]董宇光，呂西林，楊小川.鋼骨與混凝土之間粘結-滑移性能研究進展.結構工程師，2005.

[文章編號]1619-2737（2014）10-20-813

3.4橫向鋼筋配箍率。

試驗證明橫向鋼筋配箍率的大小對初始滑移平均粘結應力及平均極限粘結強度影響不明顯。但是配箍率的增加能增加對混凝土的約束，因此使殘余粘結強度得到明顯提高。這是因為加荷前期型鋼與混凝土的粘結力主要依靠化學膠結力，而橫向鋼筋對化學膠結力并無多大作用。而在受荷后期，由于橫向鋼箍對混凝土的約束，提高了混凝土與型鋼間的摩阻作用，因此使構件后期的粘結力提高。配置足夠多的鋼箍，對阻止型鋼外圍混凝土的劈裂破壞與混凝土保護層鼓出破壞是有效的。

3.5型鋼埋置長度。

型鋼埋置長度與粘結面大小對于構件承受總的粘結力有明顯的影響。因為粘結面大，包括型鋼埋置長度加大，都是增加了粘結面，因此在一定的縱向力作用下，分布于各點的粘結應力就明顯減小。所以增加型鋼埋置長度或采用合理的配鋼方式以增加粘結面，是增強構件中型鋼與混凝土粘結的有效措施。

3.6加載方式。

加載方式與型鋼混凝土的粘結性能也存在著一定的關系。例如，承受均布荷載的型鋼混凝土梁，由于梁上有荷載的“壓迫”作用，促使型鋼與混凝土之間的豎向壓力和摩擦力增大，這有利于增強二者的粘結作用，減小型鋼與混凝土界面上的縱向滑移，并阻止型鋼外圍混凝土向外鼓出。

4. 粘結強度的計算

4.1初始滑移粘結強度。

從上述可以看出，保護層厚度、混凝土強度和型鋼埋置長度是影響初始滑移粘結強度的主要因素，而橫向配箍率對初始滑移粘結強度的影響不明顯，因此在計算時可不必考慮。由此得到初始滑移粘結強度的線性回歸方程為：

s =（0.314+0.3292CSS/d-0.01821Le/d）? ft （1）

4.2極限粘結強度。

保護層厚度、混凝土強度和型鋼埋置長度對極限粘結強度的影響比較明顯，相對而言，橫向配箍率的作用不太明顯，因此只需考慮保護層厚度、混凝土強度和型鋼埋置長度對極限粘結強度的影響，經回歸分析得到極限粘結強度的計算公式為：

u =（0.2921+0.4593CSS/d-0.00781Le/d）? ft???? （2）

當型鋼的混凝土保護層厚度小于前述的臨界厚度時，按實際保護層厚度計算;如果型鋼的混凝土保護層厚度大于臨界保護層厚度時，則取臨界保護層厚度計算。

4.3水平殘余粘結強度。

從推出試驗中可看出，保護層厚度、混凝土強度和橫向配箍率對水平殘余粘結強度的影響比較明顯，因此這里僅考慮保護層厚度、混凝土強度和橫向配箍率的影響，建立水平殘余粘結強度的線性回歸方程為：

r=（-0.0117+0.3675CSS/d+0.3927ρSV）? ft?????? （3）

式中：???? CSS——型鋼的混凝土保護層厚度，mm;????? d——型鋼截面高度，mm;

Le——型鋼埋置長度，mm;???????????????? ρSV ——橫向配箍率，%。

5. 結語

型鋼與混凝土之間的粘結滑移性能不僅直接影響到型鋼混凝土結構的受力性能，如構件的破壞形態、承載能力、裂縫和變形特征等，而且它與型鋼混凝土構件的剪切連接、粘結錨固、耐久性設計也密切相關。同時，有限單元法和界面應力元法的發展和完善，為各種復雜的型鋼混凝土結構和構件的分析提供了新的手段，但是也相應提出了一些非常重要并亟待解決的問題，如型鋼與混凝土之間粘結滑移的數值模擬方法，主要表現在建立合理的粘結單元和確定合理的粘結剛度，以及粘結滑移本構模型。因此，要改進和完善現行型鋼混凝土結構計算理論，并采用有限元或界面應力元方法對復雜結構進行準確的分析計算，就必須對型鋼混凝土粘結滑移性能進行深入的研究。可以說，型鋼混凝土的粘結滑移性能是型鋼混凝土理論研究中最基本的問題，也是關鍵問題。本文主要是對現有的型鋼混凝土的研究成果進行總結，包括型鋼與混凝土的粘結滑移試驗、影響型鋼與混凝土之間粘結力的因素以及特征粘結強度的計算。由于型鋼混凝土粘結性能的研究開展較晚，還有很多工作有待進一步深化。

參考文獻

[1]趙鴻鐵，張素梅.組合結構設計原理.北京：高等教育出版社，2005.

[2]聶建國，劉明，葉列平.鋼-混凝土組合結構.北京：中國建筑工業出版社，2005.

[3]薛建陽，楊勇，趙鴻鐵.型鋼混凝土推出試驗及其粘結強度研究.鋼結構，2006.

[4]董宇光，呂西林，楊小川.鋼骨與混凝土之間粘結-滑移性能研究進展.結構工程師，2005.

[文章編號]1619-2737（2014）10-20-813