型鋼混凝土粘結滑移的研究

裴維平

(銅陵學院 建筑工程學院，安徽 銅陵 244000)

0 前 言

型鋼混凝土(簡稱SRC)是一種以型鋼為中心并在周圍配置鋼筋和混凝土的嵌入式組合體系。 根據混凝土的填充方式，可分為外包型鋼混凝土和部分包裹混凝土。 SRC結構具有承載能力強、延展性能好、抗震效果好等優點，在高層建筑以及超高層建筑中得到越來越廣泛的應用。

在型鋼混凝土結構中，混凝土與型鋼通過兩者之間的粘結效果共同工作，其粘結性能直接影響建筑物能夠承載的應力大小及變形能力。當型鋼混凝土之間存在局部的粘結滑移時，會失去化學粘結，型鋼與混凝土發生分離。當滑移量超過一定值時，構件或結構將被破壞。

在SRC結構中，兩種性能差別如此之大的材料能夠共同工作的主要原因是因為它們之間的粘結作用，粘結滑移行為會直接影響SRC結構的力學性能、破壞模式和承載能力，因此，設計更加經濟合理的SRC結構，對SRC結構的使用具有重要的理論和實際意義。

1 型鋼混凝土粘結滑移的基本概念

型鋼混凝土粘結滑移可以分為局部最大粘結強度、平均粘結強度、殘余粘結強度、粘結滑移本構關系四個方面。

1.1 局部最大粘結強度

型鋼混凝土結構在沿構件方向承受的荷載是變化的，發生的相對滑移也是變化的，取局部最大粘結應力為局部最大粘結強度，主要控制構件何時開展裂紋，從而可以得到構件發生粘結破壞時的荷載。

1.2 平均粘結強度

在型鋼混凝土粘結滑移強度試驗中，通常以構件表面受到的平均載荷作為粘結應力，因此，型鋼混凝土的粘結應力就是型鋼混凝土構件在外附荷載達到極限值時的粘結強度。試驗結果表明，型鋼混凝土的粘結性能將會隨混凝土埋深變化而變化，所以平均粘結強度實際就是外部荷載達到極限值時的粘結強度。

1.3 殘余粘結強度

當SRC結構或構件受到外部荷載時，型鋼與混凝土的粘結作用完全喪失以后，型鋼與混凝土截面之間仍然存在機械咬合力和摩擦阻力，因此，粘結力保留一定的剩余值，不會因粘結滑移的進一步開展而減小，即所謂的殘余粘結強度。

1.4 粘結滑移本構關系

型鋼混凝土結構受力時節點處的應力關系非常復雜，通常認為型鋼周圍的混凝土層具有特殊的力學性能，混凝土層的變形也是由于型鋼連接面上的相對滑動所造成的，各國研究者為進一步研究試驗建立了型鋼混凝土結構相關的粘結滑移本構關系，并對型鋼混凝土結構的粘結滑移本構關系進行了試驗分析。

2 SRC結構粘結滑移的研究現狀

型鋼與混凝土的相互作用是由于型鋼與混凝土之間的粘結能力。型鋼混凝土結構工作時，混凝土會發生相對滑動。因此，型鋼與混凝土之間的粘結能力成為研究者們的重要研究方向。20世紀50年以來，隨著型鋼混凝土結構的迅速發展和廣泛應用，國內外研究者就型鋼混凝土結構的粘結滑移問題進行了大量的試驗。

1950年，坪井善勝[1]進行了多組鋼板拉拔測試，通過混凝土強度、橫向配箍率等多個方面研究型鋼混凝土的粘結性能并分析了型鋼與混凝土之間粘結性能偏差的主要因素，提出了相應的改進措施。 推薦在規范當中可以不考慮混凝土的粘結效果。在1984年，Roeder[2]首次提出沿型鋼長度方向的荷載對型鋼混凝土粘結性能的影響并獲得粘結性能的分布規律。Richard[3]根據應力擴散原理，系統地得出影響構件粘結能力的主要因素，提出在壓縮試驗條件下鋼骨混凝土發生局部破和極限狀態下承受荷載的計算方式，并給出了在臨界狀態下理論上混凝土保護層厚度的計算公式。Hunaiti和Hamdan[4]設計了135根型鋼混凝土組合柱，并考慮了在型鋼混凝土結構中混凝土強度對于粘結強度所造成的影響，得出結構的粘結強度與結構中混凝土的強度并沒有顯著影響。Wium[5]為了研究型鋼截面大小、橫向配箍率、混凝土保護層的厚度以及混凝土發生收縮狀態下對粘結強度的影響多次進行了有關型鋼混凝土推出和短柱試驗，并利用ADINA有限元程序進行結果分析。Roider[6]利用型鋼混凝土結構粘結滑移相關試驗進行了綜合分析，還進行了18個試件的壓痕試驗，得出粘結能力主要由試件的長高比和型鋼截面面積與構件截面面積的比值決定。

在型鋼混凝土以及鋼板混凝土的粘結滑移試驗，國內研究者也做出了重要貢獻。孫國良等[7]通過控制螺栓在結構中的數量和位置，得出螺栓對粘結能力的影響，分析了型鋼混凝土結構的軸力傳遞性能。李紅[8]通過四組鋼板拉出式試件的對比試驗，同時考慮了縱向配箍率等多個方面對鋼板混凝土粘結作用的影響，提出了鋼板混凝土結構粘結性能的計算公式，得出鋼板與混凝土粘結性能較差。劉燦，何益斌[9]已經進行了22次擠壓、梁式和拉拔試驗。 結果表明，主要由化學粘結力和摩擦力組成了型鋼與混凝土之間的粘結力，加載端附近區域的化學粘結力需要承受壓力與推力。 當化學粘結力退出工作時，粘結力主要靠摩擦力維持。薛健陽[10]進行了16個型鋼混凝土推出試件，通過觀察試驗現象及結果，分析試件的應力-滑移圖像，得到了在試驗初始狀態下和極限狀態下試件的粘結效果以及水平殘余粘結效果的試驗結果，研究了混凝土保護層厚度等四個方面與特征粘結性能的關系，提出了混凝土臨界狀態下保護層厚度的定義，在大量的試驗數據下，建立了在多種影響因素下型鋼混凝土粘結強度的計算公式。采用李俊華[11]的方法，研究SRC柱在剪力、軸力和彎矩的共同作用下所產生的粘結性能。 從而得到了粘結應力-滑移曲線以及特征狀態下粘結強度和相對滑移的計算公式。

3 SRC結構粘結性能的主要影響因素

3.1 型鋼表面條件

Bryson和 Mathey[12]試驗研究了型鋼表面條件對型鋼粘結性能的影響。結果表明，噴砂后型鋼的平均粘結強度與銹蝕型鋼相似，但二者的平均粘結能力依舊比普通型鋼發生銹蝕高30% 。

3.2 混凝土強度

坪井善勝及Bryson等的試驗結果表明混凝土自身強度直接影響型鋼與混凝土之間的粘結性能，但同時，Roeder和Robert.Chmielowsk也通過統計文獻研究得出型鋼混凝土的粘結性能與混凝土自身強度并沒有明顯影響。

3.3 混凝土保護層厚度

薛健陽等[10]發現隨著混凝土保護層厚度的增加，型鋼混凝土結構的粘結強度也會隨之發生線性增加。但如果保護層厚度超出臨界保護層厚度時，混凝土將不再開展裂紋，同時構件的粘結能力也將不再持續增加。

3.4 橫向配箍率

試驗結果表明，箍筋在構件中所起的作用與混凝土保護層大致一樣，可以抑制試件的開裂破壞，在發生滑移前效果不明顯，當截面鋼筋存在粘結滑移時，粘結強度可以大大提高，同時，如果試件的保護層厚度較小，箍筋比對于粘結能力具有更大的影響。

3.5 其他因素

除了上述四個主要影響因素外，還有截面鋼連接件、混凝土澆筑技術、混凝土水灰比、鋼材截面尺寸、錨固程度等諸多方面對型鋼混凝土的粘結作用都有一定的影響。

4 結 語

型鋼與混凝土發生滑移時的粘結性能不僅會直接影響SRC結構的承載能力，而且與混凝土保護層強度和型鋼混凝土構件的錨固程度密切相關，因此，國內外研究者對SRC結構的研究越發重視，但由于SRC結構的應用和發展起步較晚，同時，各國研究者對型鋼混凝土結構都有自己的研究方向，由于測試手段不夠精確，測試難度大，各國對于結構粘結滑移的研究還不夠深入，國內外研究者對于SRC結構粘結強度的主要影響因素仍具有較大差異，尚未得出明確的結論，因此，為推動型鋼混凝土結構的發展以及研究型鋼混凝土結構的粘結滑移，建立一套完整的型鋼混凝土結構計算理論都具有重要意義。

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