鋼管與混凝土粘結性能影響因素研究綜述★

袁 驥 張津銘 李 寧 翟云鵬

(1.中國建筑技術集團有限公司,北京 100013; 2.恒大地產北京公司,北京 100000; 3.建研地基基礎工程有限責任公司,北京 100013)

0 引言

鋼管混凝土結構以及輕鋼輕混凝土結構主要是由混凝土與鋼管組成,這兩種材料能夠協同工作的基礎是混凝土與鋼管之間存在粘結應力,粘結應力通過一定的粘結長度傳遞,伴隨著構件所承受的荷載增大,內力分布逐漸改變,界面粘結強度不足,兩者不能共同工作,鋼管與混凝土接觸面上就會出現相對滑移,進而影響組合構件的工作性能,例如破壞形態、極限承載力、撓度等。鋼管與混凝土的粘結性能直接影響到結構梁柱節點、柱腳以及剪力墻的錨固等。為了促進鋼管與混凝土的粘結性能的研究,進一步發展和完善粘結滑移研究,本文綜述了國內外關于粘結滑移性能影響因素研究現狀,總結了混凝土的強度、混凝土養護條件、混凝土澆筑效果、鋼管表面粗糙程度、鋼管的寬厚比、鋼管長細比等因素對粘結性能的影響。

1 粘結強度相關理論

鋼管與混凝土的粘結力由三部分組成,即鋼管表面與混凝土間的機械咬合力,鋼管與水泥凝膠體接觸面間的化學膠結力以及鋼管與混凝土接觸面之間的摩擦阻力[1]。在鋼管滑移前,粘結力由化學膠結力和機械咬合力組成,當鋼管發生滑移后,粘結力主要是由摩擦阻力來承擔。

鋼管與混凝土間的膠結力較小,在比較小的應變下產生的局部滑移就能破壞膠結力,膠結力與混凝土中與水泥用量、水灰比有關。機械咬合力是由鋼管表面存在難以察覺的10-2mm量級的凹凸高差,與混凝土微觀咬合而形成,與鋼管表面的粗糙程度以及混凝土的抗剪強度有關。摩擦阻力與法向正應力以及摩擦系數成正比,并且要在鋼管與混凝土發生相對滑動之后才能產生,粘結強度示意圖如圖1所示。

2 粘結性能影響因素分析

目前,對鋼管混凝土結構界面粘結性能研究較多,各學者對其影響因素進行了比較全面的研究。

2.1 混凝土強度

混凝土強度對鋼管與混凝土界面粘結強度的影響,不同的學者得到的結果有差異。一種觀點認為混凝土強度對粘結力有影響,薛立紅[2]通過系列軸心推出試驗驗證了粘結強度隨混凝土強度增大而增強,并擬合出鋼管與混凝土的抗剪粘結強度τu=0.1(fcu)4。

另一種研究結果認為,混凝土強度對粘結強度沒有明顯影響。Virdi和Dowling[3]通過試驗研究表明混凝土強度與界面粘結強度不存在明顯的關系。池建軍[4]試驗所得到的結論也與混凝土強度沒有明顯關系,試驗結果如圖2所示。

造成這種差異的原因可能是試驗樣本數量不足,同時試驗條件也不是完全相同,池建軍試驗的混凝土強度范圍較大,但是樣本數量偏少,而Virdi和Dowling試驗混凝土范圍較小。

2.2 混凝土養護條件

混凝土的養護條件對粘結強度有影響。薛立紅[2]研究了自然養護和蠟封密閉養護的鋼管混凝土試件的粘結性能,研究表明在自然養護條件下,鋼管與混凝土的平均抗剪粘結強度高于蠟封密閉養護試件的抗平均抗剪粘結強度。Virdi和Dowling[3]對不同養護條件下的鋼管混凝土試件進行推出試驗,其試驗結果表明:干燥條件下養護的試件平均抗剪粘結強度高于濕潤條件下養護的試件平均抗剪粘結強度。

混凝土養護條件改變會造成鋼管界面粘結強度變化,目前對產生這一現象的機理尚不清楚,還有待繼續研究。

2.3 混凝土澆筑效果

目前認為混凝土的澆筑效果會給鋼管與混凝土之間的粘結強度造成影響。文獻[5]認為混凝土澆筑效果不同造成了混凝土的密實度有差異,從而導致鋼管與混凝土之間接觸情況不同,摩擦不同,粘結強度也就不同。Virdi和Dowling[3]研究了混凝土的振搗方式對鋼管與混凝土表面粘結強度的影響。通過試驗發現機械振搗、部分機械振搗、人工振搗、部分人工振搗的粘結強度依次為2.18 MPa,1.85 MPa,1.6 MPa和1.43 MPa,對比結果如圖3所示。混凝土澆筑越密實,鋼管與混凝土粘結性能就越好。

2.4 鋼管表面粗糙程度

薛立紅,蔡紹懷[6]對圓鋼管混凝土進行研究,表面光滑鋼管的平均粘結強度為0.45 MPa,表面粗糙的鋼管平均粘結強度為0.85 MPa。鄧洪洲等[7]通過在鋼管壁上涂潤滑油和不涂潤滑油進行試驗發現涂潤滑油的鋼管壁與混凝土平均粘結強度為0.22 MPa,而表面未做任何處理的構件平均粘結強度為0.44 MPa,鋼管表面經過潤滑處理后粘結強度顯著降低。徐有鄰[8]對不同銹蝕狀況的鋼材與混凝土進行了摩阻試驗,試驗結果發現,鋼管表面粗糙狀況對膠接剪切強度以及摩阻系數的影響很大,經過打磨除銹的鋼管的膠接強度和摩阻系數比銹蝕鋼管低。鋼管表面的粗糙程度通過影響鋼管與混凝土之間的機械咬合力和摩擦阻力而改變粘結強度。

2.5 鋼管寬厚比、徑厚比

方鋼管寬厚比以及圓鋼管的徑厚比對混凝土與鋼管之間的粘結強度有影響。文獻[1]研究表明:隨著寬厚比增加,粘結強度降低,但當達到一定值時(D/t=50),方鋼管構件粘結強度隨寬厚比的增大不明顯。文獻[4][9][10]研究認為,方鋼管的寬厚比是影響構件粘結強度的主要因素,方鋼管混凝土試件隨方鋼管寬厚比的增大,粘結強度有減小的趨勢。文獻[9][10]的研究各長細比下寬厚比對粘結強度的影響,試驗結果如圖4，圖5所示。

2.6 鋼管長細比(4L/D)

鋼管長細比對粘結強度的影響,目前研究結論尚未統一。文獻[3]研究表明,長細比4L/D在6～12范圍內,隨著長細比的增大,極限粘結度也隨之增大,長細比4L/D在4～6范圍內,粘結強度反而降低,試驗結果如圖6所示。文獻[10]認為在當寬厚比較小時,粘結強度隨著長細比的增大而減小,當長細比增大到一定值后,粘結強度不再下降。當寬厚比到達50時,粘結強度與長細比幾乎沒有影響,長細比與粘結強度的關系如圖7所示。

造成研究結論不同的原因之一是各研究者試件的長細比的取值范圍不同,鋼管與混凝土的粘結力主要由接觸面間的摩擦阻力提供,當長細比超出一定范圍后,長細比對鋼管與混凝土之間摩阻力的影響不明顯。長細比對粘結力的影響除了考慮長細比的取值范圍外還應考慮鋼管的寬厚比。

3 結語

通過對國內外文獻的梳理,歸納了鋼管與混凝土粘結性能的影響因素,總結如下:

1)混凝土強度對鋼管與混凝土粘結強度的影響尚未形成一致結論,需要進一步研究;

2)混凝土與鋼管的粘結強度在干燥養護條件下比在濕潤養護條件下大;

3)混凝土澆筑越密實,鋼管與混凝土的粘結強度越大;

4)鋼管表面越粗糙,鋼管與混凝土粘結強度就越大,反之越小;

5)鋼管與混凝土界面粘結強度隨鋼管寬厚比(徑厚比)增加而逐漸降低;

6)鋼管的長細比對鋼管與混凝土粘結強度的影響尚未形成一致的結論,還有待繼續研究和完善;

7)在實際工程中,需要控制粘結錨固的關鍵部位,比如梁柱節點、柱腳及剪力墻部位可以通過調節影響粘結力的因素而達到工程所需的目的。