角鋼混凝土界面黏結性能研究

李曉霞

(山西省建筑安裝技工學校，山西 太原 030006)

0 引言

鋼筋混凝土因其具有良好的強度、剛度和穩定性能，在工程中的應用越來越多，而鋼筋與混凝土之間的黏結力是這兩種材料可以共同的基礎，許多研究人員對此做了一系列研究。

李斌等[1]研究了鋼筋銹蝕對黏結強度的影響，通過系數試驗，分析了鋼筋坑蝕深度對黏結強度的影響規律。陳夢成等[2]對目前常用的幾種黏結應力計算方法進行了對比，并利用有限元軟件進行了理論驗證和細致分析。張彤等[3]對混凝土開裂前的黏結力方程進行了推導，并對相關參數進行了敏感性分析?；诖?，楊海峰等[4]研究了再生混凝土骨料與鋼筋的黏結作用，探究了不同條件下的鋼筋混凝土荷載-滑移曲線以及鋼筋應變情況。蔣德穩和邱洪興[5]結合鋼筋混凝土實際工作狀態，對反復荷載作用下鋼筋混凝土的疲勞特性做了研究。洪芳和張錚[6]通過外黏貼對鋼筋混凝土結構進行了加固，通過ANSYS軟件進行模擬對加固效果進行了評價，結果表明，該加固方法能較好地提高鋼筋混凝土界面的黏結強度。

本文采用正交試驗，對影響角鋼-混凝土界面黏結強度的因素進行了分析，通過極差分析法，確定了各因素對黏結強度的影響效果。利用有限元軟件建立了角鋼-混凝土三維模型，并利用本文試驗結果驗證了模型的有效性，對比了與試驗結果的差異，對角鋼混凝土的破壞形式和黏結強度與滑移量變化關系的不同階段進行了推導。

1 試驗概況

1.1 試件尺寸及性能

參考相關文獻以及實際工程應用，試驗用到的角鋼混凝土試件尺寸設置為150 mm×150 mm×150 mm(長×寬×高)，圖1展示了試件的模型簡圖。為了研究角鋼混凝土界面黏結性能的影響因素，對保護層厚度、混凝土強度以及黏結長度進行了正交試驗。

選用三種規格的角鋼，分別為L40×4，L50×5和L63×6，前者表示等邊角鋼的肢長，后者表示角鋼厚度，單位均為mm。三種角鋼對應的保護層厚度分別為46 mm,39 mm和30 mm，保護層厚度規定為角鋼邊緣與混凝土外邊緣距離的最小值?；炷翉姸鹊燃夁x用C30，C40和C50三個等級。黏結長度選用50 mm，100 mm和150 mm。為了便于表示，以角鋼型號L40×4、混凝土強度等級C30，黏結長度50 mm為例，試樣編號為C30-L40×4-B50。共設置了9組正交試驗。

試驗用到的角鋼力學參數見表1。為了保證在試驗時角鋼受力均勻，減少試驗誤差，將角鋼的加載端進行磨平處理。表2展示了混凝土的配合比情況。試驗選用了3種強度等級的混凝土，在正交試驗前參考相關標準，制作了18個標準立方體混凝土試塊，表3展示了養護28 d之后的混凝土強度實測值。

表1 角鋼力學指標

表2 混凝土配合比 kg/m3

表3 混凝土立方體抗壓強度 MPa

1.2 加載方式

試驗時對角鋼上端進行加載，采用1 000 kN的伺服液壓機，加載控制方式選擇位移控制方式。試驗時設置4個位移監測點以測量支座沉降，試件下放置兩塊環形鋼墊塊支撐。圖2為加載裝置簡圖。

2 試驗結果分析

2.1 荷載-滑移曲線

圖3展示了角鋼混凝土試樣的荷載-滑移曲線。從圖3中可以看出，隨著試驗的進行，滑移量逐漸增加，在試驗初期，試驗施加的荷載隨滑移量S的增加而增大逐漸達到峰值點，普遍在滑移量超過1 mm之后，隨著滑移量的增加加載的荷載減小，荷載與位移呈現負相關關系。峰值荷載最大的為C50-L40×4-B150編號的試樣，且其在試驗末期的殘余荷載值最大。

2.2 極限黏結強度的影響因素

假定黏結長度方向上的橫截面在加載時的應力相同，那么可以通過平均黏結強度來作為標準，用以分析混凝土強度、黏結長度以及保護層厚度對角鋼混凝土黏結界面的影響。平均黏結強度τ可通過式(1)得出[7]：

(1)

其中，P為試驗時施加的荷載；la為黏結長度；Ca為角鋼的橫截面周長。

表4給出了各試樣的黏結滑移特征值。從表4可以看出，Po/Pu為0.78～0.94之間，峰值滑移荷載對應的滑移量Su最大為0.63 mm。因此，應當重視角鋼與混凝土之間的滑移，因為一旦角鋼的初始滑移荷載出現，則很快就會演變成全截面滑移，在結構中形成較大的安全隱患。

表4 黏結滑移特征值

基于極差分析法，分析了在正交試驗中各因素對角鋼-混凝土界面的極限黏結強度的影響。以前三種試樣為例，圖4展示了三種試樣下的黏結強度、保護層厚度和混凝土強度的黏結強度效應。由黏結長度和極限黏結強度的相關性可以看出，黏結長度與極限黏結強度呈負相關關系，隨著黏結長度的增大，極限黏結強度減小，且在50 mm～100 mm黏結長度范圍內的極限黏結強度的減小速率大于在100 mm～150 mm黏結長度范圍內的極限黏結強度的減小速率。

Path Planning of Unmanned Surface Vehicle Based on Variable Mesh Improved Genetic Algorithm

由保護層厚度與極限黏結強度的相關性可以看出，混凝土保護層厚度與極限黏結強度為正相關關系，隨著混凝土保護層厚度的增加，極限黏結強度亦增大，且在30 mm～39 mm保護層厚度范圍內的極限黏結強度的增大速率大于在39 mm～46 mm保護層范圍內的極限黏結強度的增大速率。

由混凝土強度等級與極限黏結強度的相關性可以看出，混凝土強度等級與極限黏結強度為正相關關系，隨著混凝土保護層厚度的增加，極限黏結強度顯著提高。與保護層與極限黏結強度的關系類似，極限黏結強度的增大速率隨混凝土極限抗壓強度的增加而逐漸減小。這是由于增大混凝土極限抗壓強度，會增大混凝土對角鋼的環箍作用，使得角鋼不易與混凝土產生相對滑移，因而使得極限黏結強度顯著提高。

3 有限元計算

為了增加分析的可靠性，以及進一步對角鋼-混凝土界面的黏結作用分析，本文利用有限元軟件建立了角鋼混凝土模型，并與試驗結果進行對比以驗證模型的有效性，并根據驗證過的模型對角鋼混凝土界面黏結效應的喪失過程進行動態模擬。

3.1 有限元模型建立

根據相關模擬研究，并結合實際工程經驗，利用摩爾庫侖柔性結構模型模擬混凝土，角鋼通過軟件內置的剛性板單元進行模擬。混凝土與角鋼界面通過設置接觸單元進行模擬。界面之間的摩擦效應參考庫侖摩擦模型來進行實現，其中的摩擦系數μ初值設置為0.45。

為了在保證計算精度的前提下兼顧計算效率，在網格劃分時對角鋼與混凝土接觸界面進行局部網格加密處理，其他部分網格劃分為細，共劃分出166 314個10節點有限元網格。上端邊界條件設置為自由，其余方向邊界條件均設為固定端。圖5展示了有限元網格模型。

3.2 模擬結果與試驗結果的比較

圖6～圖8分別展示了L40×4型號角鋼、L50×5角鋼和L63×6角鋼的有限元模擬結果與試驗結果對比情況。從圖中可以看出，有限元數值模擬結果與試驗結果較為吻合，趨勢和數值均較為接近，說明有限元模型的建立具有一定的合理性。

此外，從圖6可以看出，在試驗的初期階段，滑移量比較小時，數值模擬結果小于試驗結果，而峰值點過后，數值模擬結果均大于試驗結果，這是由于數值模型的材料破壞過程為線性，以及摩擦力變化形式在前期為線性遞增，在試驗中后期一直保持一個定值，并且未能考慮實際材料的不均勻性和各向異性，而是采用了均勻性和各向同性假設，與實際情況仍然存在些差異，因此在破壞階段與試驗結果存在一定的出入。這種情況在圖8中表現得更為明顯。這也說明，雖然數值模擬是一種高效的工具，可以降低計算難度和計算量，但不能僅以此作為工程評判問題的唯一依據。

3.3 黏結機理分析

根據以上通過試驗方法和有限元方法對黏結強度與滑移量關系的研究，對角鋼混凝土的破壞形式做了總結。角鋼混凝土的破壞形式可歸納為推出破壞形式和劈裂破壞形式。圖9展示了加載端荷載與滑移量的關系曲線。從圖9中可以看出，加載端荷載-滑移曲線若發生推出破壞可分為四個階段：第一階段為Oa膠結段，第二階段為ab上升階段，第三階段為bc下降階段，最后為cd殘余階段。而劈裂破壞是在試驗過程中，混凝土發生開裂而導致的脆性破壞，因此僅存在膠結階段和上升階段，到達峰值之后黏結強度迅速下降，試件發生破壞。

4 結論

本文采用正交試驗，對影響角鋼-混凝土界面黏結強度的因素進行了分析，通過極差分析法，確定了各因素對黏結強度的影響效果?；诖?，利用有限元軟件建立了角鋼-混凝土三維模型，并利用本文試驗結果驗證了模型的有效性，對比了與試驗結果的差異，推導出了角鋼混凝土破壞的兩種形式以及對應階段，得出主要結論如下：

1)黏結長度與極限黏結強度呈負相關關系，隨著黏結長度的增大，極限黏結強度減小，且在50 mm～100 mm黏結長度范圍內的極限黏結強度的減小速率大于在100 mm～150 mm黏結長度范圍內的極限黏結強度的減小速率。

2)混凝土保護層厚度以及混凝土強度均與極限黏結強度為正相關關系，隨著混凝土保護層厚度和混凝土強度的增加，極限黏結強度亦增大，且增大速率逐漸減緩。

3)有限元數值模擬結果與試驗結果較為吻合，趨勢和數值均較為接近。在破壞階段，有限元模擬結果與試驗結果相比略大，這是由于數值模擬采用了材料均勻性和各向異性的假設，使得模擬結果與試驗結果存在差異。

4)角鋼混凝土的破壞形式可歸納為推出破壞形式和劈裂破壞形式。若發生推出破壞可分為四個階段，分別為膠結階段、上升階段、下降階段和殘余階段。而劈裂破壞僅存在膠結階段和上升階段。