有關(guān)型鋼混凝土粘接滑移問題的綜述分析

李雅珂 高超歌 魏獻(xiàn)濤

摘要：本文主要通過研究國內(nèi)外有關(guān)型鋼混凝土的試驗(yàn)來對型鋼混凝土的粘接滑移機(jī)理進(jìn)行理論分析，著重闡述了型鋼混凝土的粘接滑移的基本問題、理論研究、粘接滑移本構(gòu)關(guān)系及其粘接錨固問題。本文為型鋼混凝土粘接滑移問題提供了有效參考，為以后的工程設(shè)計及理論研究提供了便利。

Abstract： This paper mainly analyzes the bonding slip mechanism of steel reinforced concrete by studying the test of steel reinforced concrete at home and abroad， and focuses on the basic problems of the bonding and slippage of the steel reinforced concrete， the theoretical study of the adhesive slip constitutive relation and the problem of its bonding and anchoring. This paper provides an effective reference for the bond slip of steel reinforced concrete， and provides convenience for future engineering design and theoretical research.

關(guān)鍵詞：型鋼混凝土；粘接滑移；理論研究

Key words： steel reinforced concrete；bonding and slippage；theoretical research

中圖分類號：TU398.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）10-0150-03

1 型鋼混凝土粘接滑移性能的研究意義

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是指在混凝土中配置型鋼的同時也配置有構(gòu)造鋼筋和受力筋的一種組合結(jié)構(gòu)形式。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在工程中使用具有明顯的優(yōu)勢。與鋼結(jié)構(gòu)相比，型鋼與混凝土共同承擔(dān)荷載，減少了鋼材的使用，降低成本，混凝土包裹型鋼使構(gòu)件剛度變大，對型鋼起到了良好的約束作用，構(gòu)件整體性和穩(wěn)定性的到顯著提高，在大跨度結(jié)構(gòu)中滿足位移要求，不易發(fā)生失穩(wěn)破壞，在這樣的結(jié)構(gòu)下，有效的改善鋼結(jié)構(gòu)的防火防腐蝕性能，提高了耐火性和耐久性。與混凝土結(jié)構(gòu)相比，具有承載力高、變形能力強(qiáng)、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，并且便于施工。

根據(jù)型鋼截面的不同，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)共分為兩大類：實(shí)腹式和空腹式。由于實(shí)腹式型鋼混凝土整體性較強(qiáng)，在加工和運(yùn)輸?shù)倪^程中更為便利，因而被廣泛的運(yùn)用于抗震結(jié)構(gòu)中?？崭故叫弯摶炷琳w性不強(qiáng)，沒有良好的抗震性能，在現(xiàn)場施工的過程中不易控制工程質(zhì)量，故很少使用。常用梁柱截面的示意圖如圖1所示。

型鋼與混凝土共同工作的前提是二者具有良好的粘接能力。目前在國內(nèi)外有關(guān)于型鋼混凝土粘接滑移的研究表明，在實(shí)腹式型鋼混凝土中設(shè)置剪力連接件能夠有效地提高構(gòu)件的承載能力，在加載直至破壞的過程中，型鋼與混凝土基本可以保持共同工作，而沒有設(shè)置剪力連接件的結(jié)構(gòu)在受力達(dá)到極限荷載的80%之前，二者可協(xié)同工作，在受力達(dá)到極限承載力的80%以后，型鋼與混凝土發(fā)生相對滑移，二者不能協(xié)同工作。但是剪力連接件的使用，增大了施工難度，延長工期，提高了工程造價，不能很好地滿足最優(yōu)化的施工理念，所以研究型鋼混凝土的粘接滑移性能，使二者的協(xié)同作用得到最大的發(fā)揮，減少或避免剪力連接件的使用是很有必要的。型鋼與混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)成示意圖如圖2所示。

隨著有限元法的發(fā)展和完善，關(guān)于型鋼混凝土粘接滑移問題也有了新的研究方法。型鋼混凝土的粘接滑移是影響型鋼混凝土構(gòu)件的受力性能、承載能力，破壞形態(tài)、變形及裂縫產(chǎn)生的主要因素。在實(shí)際應(yīng)用中，將型鋼混凝土按鋼筋混凝土來計算或者僅將混凝土作為型鋼的保護(hù)層來計算時都忽略了型鋼與混凝土之間的共同作用，會產(chǎn)生不安全因素或造成浪費(fèi)，所以選擇合理的粘接單元對型鋼混凝土粘接的數(shù)值模擬十分重要。

2 粘接滑移機(jī)理分析

型鋼與混凝土之間的粘接與鋼筋與混凝土之間的粘接是類似的，分為化學(xué)膠結(jié)力、摩阻力、機(jī)械咬合力三部分，如圖3所示。在型鋼與混凝土發(fā)生相對滑移之前，化學(xué)膠結(jié)力起主要作用，當(dāng)型鋼與混凝土發(fā)生相對滑移之后，化學(xué)膠結(jié)力退出工作，摩阻力和機(jī)械咬合力發(fā)揮作用。

2.1 基本概念

①平均粘接強(qiáng)度。在實(shí)驗(yàn)中，我們通常取外加荷載與型鋼混凝土接觸面的面積的比值來作為平均粘接強(qiáng)度，取極限荷載與型鋼混凝土接觸面積的比值作為粘接強(qiáng)度。實(shí)際的粘接強(qiáng)度是隨型鋼的埋置長度不斷變化的，但計算起來較為復(fù)雜，為了便于計算通常采用平均粘接強(qiáng)度。

②局部最大粘接強(qiáng)度。由于粘接強(qiáng)度隨型鋼埋置長度不斷變化，局部最大粘接強(qiáng)度即為局部最大粘接應(yīng)力，是判定裂縫開展的控制值，是計算開裂荷載的重要指標(biāo)。

③殘余粘接強(qiáng)度。在型鋼與混凝土發(fā)生相對滑移，化學(xué)膠結(jié)力退出工作以后，摩阻力和機(jī)械咬合力開始工作，粘接強(qiáng)度不再隨著型鋼與混凝土的相對滑移而降低，這一殘余值稱為殘余粘接強(qiáng)度。

④粘接滑移本構(gòu)關(guān)系。在型鋼與混凝土出現(xiàn)相對滑移之后，兩種材料的表面均產(chǎn)生裂縫，其破壞機(jī)理較為復(fù)雜，接觸面的應(yīng)力狀態(tài)也較為復(fù)雜。為了便于研究，通常將型鋼周圍這一具有復(fù)雜變形的滑移層看做兩種材料之間的相對滑移，并根據(jù)粘接滑移S與粘接應(yīng)力？子的對應(yīng)關(guān)系，建立型鋼混凝土粘接滑移本構(gòu)關(guān)系，簡稱為粘接滑移的？子-S關(guān)系。粘接應(yīng)力為型鋼與混凝土接觸面的剪應(yīng)力，滑移則指接觸面上相對位置所產(chǎn)生的相對滑移。

2.2 影響粘接滑移的基本因素

①混凝土強(qiáng)度等級。

研究表明，影響型鋼混凝土粘接強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度等級有關(guān)。這是因?yàn)樵谛弯摶炷琳辰踊浦?，化學(xué)膠結(jié)力起主要作用，而增大混凝土的強(qiáng)度等級，會使其抗拉強(qiáng)度隨之升高，增強(qiáng)了混凝土的抗裂性能，從而提高了粘接強(qiáng)度?；炷猎谝欢ǖ膹?qiáng)度等級之內(nèi)，粘接強(qiáng)度隨混凝土強(qiáng)度等級的提高而提高，在混凝土超過某一強(qiáng)度值后，脆性開始大幅增加，兩種材料的接觸面之間更易形成裂縫，起到了相反的作用。

②混凝土保護(hù)層厚度。

混凝土保護(hù)層在一定范圍內(nèi)，其凝固收縮會對型鋼表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，相當(dāng)于在型鋼表面施加了橫向約束，增大了型鋼與混凝土表面的摩擦，但當(dāng)保護(hù)層的厚度超過60mm后，粘接強(qiáng)度不再隨著混凝土保護(hù)層厚度的增大而增大。

③型鋼錨固長度。

型鋼在混凝土中埋置長度越長，二者的接觸面越大，粘接強(qiáng)度也越大。當(dāng)型鋼的埋置長度超過540mm，并受到較大的外加荷載時，型鋼已經(jīng)發(fā)生屈服，若此時再增大型鋼錨固長度是不會對粘接滑移強(qiáng)度產(chǎn)生影響的。當(dāng)型鋼的埋置長度小于340mm，發(fā)生相對滑移時極易造成貫通裂縫，粘接滑移作用迅速失效，加劇了型鋼混凝土構(gòu)件的破壞。

④配箍率。

在型鋼混凝土兩種材料發(fā)生相對滑移之前，化學(xué)膠結(jié)力起主要作用，配箍率在此時的影響并不大。當(dāng)二者發(fā)生相對滑移，摩阻力和機(jī)械咬合力發(fā)生作用時，提高配箍率可以有效地減緩裂縫的發(fā)生，增加對混凝土的約束，從而增大二者之間的粘接強(qiáng)度。通常取配箍率不低于0.3%。

⑤型鋼表面狀況。

型鋼表面狀況是影響摩阻力和機(jī)械咬合力的重要因素之一，對殘余粘接強(qiáng)度產(chǎn)生影響，通常采用現(xiàn)場噴砂和噴砂后生赤銹的方式對型鋼表面進(jìn)行處理。

3 粘接滑移本構(gòu)關(guān)系

粘接作用在型鋼混凝土中引起的應(yīng)力作用是十分復(fù)雜的，在計算中我們主要考慮延錨固長度的型鋼和混凝土的縱向應(yīng)力、應(yīng)變、相互作用。

很多實(shí)驗(yàn)表明，相比于翼緣來說，腹板的粘接滑移作用可以忽略不計，即，這一做法通常導(dǎo)致得到的粘接滑移本構(gòu)關(guān)系不精確，給實(shí)際工作帶來了困難。將型鋼腹板與翼緣分別考慮，能更好地研究型鋼混凝土粘接滑移的性能。

4 總結(jié)

研究型鋼混凝土粘接滑移滑移問題，不斷地解決和完善型鋼混凝土在應(yīng)用及制定規(guī)范中所遇到的問題，為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)更好地發(fā)展提供基礎(chǔ)，在實(shí)際工程應(yīng)用中使其更好地發(fā)揮自身的優(yōu)良性能，為建筑事業(yè)提供新的可能。

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