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钢管混凝土界面抗剪粘结性能研究

发表日期:2020-01-14 11:16:41   编辑:肖盛

  摘要 本文主要综述了国内外钢管混凝土界面粘结性能的研究成果,分析了各类型参数(包括混凝土强度、内界面形式、密实度、钢管长径比和径厚比等)变化对钢管混凝土界面抗剪粘结性能的影响。根据参数对比的情况,提出改善钢管混凝土粘结性能的有效措施及现有研究亟待解决的问题。

  关键词 钢管混凝土 粘结性能 影响参数

  1 引言

  随着科学技术的不断发展,钢管混凝土已得到广泛应用。因此,钢管与混凝土之间的抗剪粘结就成为了科学研究的主要内容之一。目前,国内外也进行了相关的试验研究,主要通过应用普通碳钢管或不锈钢管,内填普通混凝土、再生混凝土及膨胀混凝土的方法,并分析对钢管混凝土粘结性能产生影响的因素来设计试件,由国内外试验研究结果发现,各类型参数对钢管与混凝土的粘结性能的影响总体上具有相似性,但也存在一定的差异性。为了进一步研究钢管混凝土粘结滑移的本构关系,本文着重阐述了国内外试验研究中参数变化对钢管混凝土粘结性能的影响。

  2 钢管对粘结强度的影响

  2.1 钢材类型

  Tao等[1]在确保其他参数不变的情况下,分别对碳钢和不锈钢粘结试件进行试验。试验结果表明,由于不锈钢与混凝土之间的摩擦系数一般较碳钢与混凝土之间的摩擦系数小,从而导致不锈钢粘结试件的粘结强度较相应的碳钢降低32%~69%。刘保材[2]也对碳钢和不锈钢粘结试件进行了四次推出试验,每次推出试验的加载过程分为两个阶段;为了在达到极限粘结强度之前得到足够多的数据,当加载端滑移量小于4mm时,采用0.005mm/s的速率加载,由于达到峰值粘结强度之后,粘结滑移曲线趋于平缓,所以当滑移量大于4mm时,加载速率改用0.025mm/s。当加载端的相对滑移量达到20 ~25mm时,停止加载,并将试件倒置重复上述试验过程。对比统计的试验数据发现,首次推出试验由于碳钢管内表面生锈和粗糙度的影响,导致碳钢管混凝土界面粘结力大于不锈钢管混凝土,其余各次推出试验由于首次推出试验导致接触面摩阻力的改变而得到了相反的结果。

  2.2 钢管截面类型

  Shakir-Khalil[3]通过改变截面从方形到多边形再到圆形来研究不同的截面形状对钢管混凝土粘结性能的影响。研究结果表明,钢管混凝土界面粘结强度是逐渐改变的、连续的、逐步增大的。这可能是由于内界面摩擦力对钢管与混凝土之间的粘结强度起控制作用,而摩擦力的大小与混凝土的收缩有关,在同等条件下,混凝土收缩量随着截面形状的渐变而减小[20]。陈宗平,刘永健[4-5]和Tao等[1]设计的圆形和方形试件并进行试验,试验发现圆钢管混凝土的粘结性能优于方钢管混凝土。

  2.3 钢管尺寸2.3.1 钢管直径 在实际工程应用中,钢管混凝土柱的尺寸比试件大得多,试验所测得的粘结强度不能完全反映结构的实际强度。因此,Tao等[1] 对大尺寸CFST柱进行了试验研究来考虑直径对抗剪粘结强度的影响,,试验发现无论是方钢管还是圆钢管,其粘结强度都随着横截面尺寸增加而显著降低。

  2.3.2 钢管长径比及径厚比刘永健、Virdi等[6-7]对不同长径比的钢管混凝土试件进行试验,结果表明钢管混凝土界面的粘结强度随长径比的增大呈增大的趋势。刘永健等[6]通过试验研究发现粘结强度随着径厚比的增大而减小,但Virdi等[7]却发现粘结强度随钢管径厚比的变化规律并不明显,且试件的粘结强度离散性较大。

  胡鲲[19]综合考虑长径比(false)和径厚比(false)的影响,对方钢管混凝土试件进行试验研究得到了试件的平均粘结应力与加载端滑移关系曲线,并建立方钢管混凝土构件沿纵向不同位置处的粘结滑移本构关系,为有限元数值模拟奠定了基础。

  3 内填混凝土对粘结强度的影响

  3.1 混凝土强度和龄期

  Tao等[1]对不同混凝土龄期(31~1176天)的钢管混凝土试件进行了试验研究,各试件的粘结强度如图1所示。试验结果表明CFST试件的粘结强度随着混凝土龄期的增加而降低。Aly等[8]对普通强度及高强混凝土,混凝土龄期在28~106天,直径为114.3mm的CFST柱进行粘结性能试验。发现普通混凝土的龄期导致粘结强度减小较少,而高强混凝土由于龄期范围较小不能得出确切结论。

  图1 混凝土龄期对钢管混凝土粘结强度的影响

  刘永健等[5,6]通过试验分析了钢管混凝土界面粘结力受核心混凝土强度的影响,结果表明混凝土强度的影响并不明显。这一试验结果与薛立红[9,10]试验结果存在差异,薛立红通过试验发现粘结强度受混凝土强度影响显著,钢管混凝土界面粘结强度随核心混凝土强度提高而提高。

  3.2 混凝土的类型

  3.2.1 再生混凝土的影响

  所谓再生混凝土,是指按一定比例混合经过破碎、洗涤、分级处理的废弃混凝土,取代全部或部分砂及其他天然骨料(主要是粗集料),再加入凝胶材料和水配制而成新型混凝土。再生混凝土的使用可以在很大程度上节约资源,并且符合绿色建筑的发展趋势,因此,也有必要考虑再生混凝土的使用对粘结强度的影响。Tao等[1]分别对内填普通混凝土、再生混凝土和膨胀混凝土的粘结试件进行试验。对试验结果比分析可知,内填再生骨料的圆形试件CS120R1的极限粘结强度比内填普通混凝土提高了42.6%,而对于内填再生骨料方形试件SS120R1的极限粘结强度却比试件SS120N1低16.9%,再生骨料与钢管的粘结性能可能受到在生骨料替代率和收缩率的影响。赵强[14]对8根方钢管再生混凝土试件进行试验。结果表明再生骨料取代率越高,界面粘结强度越低,并且再生骨料的收缩率通常高于普通混凝土的收缩率[15],因此再生混凝土的使用需进一步研究。

  3.2.2 膨胀混凝土的影响

  膨胀混凝土是一种由膨胀性水泥或添加膨胀剂制成的混凝土。由于膨胀作用,混凝土体积逐渐变大,当受到钢管约束时,会产生较大的套箍力,使钢管混凝土界面粘结强度增大。Tomii等[16]采用膨胀性混凝土作为核心混凝土进行试验研究,试验结果也充分证明了这一结论。Tao[1]通过用膨胀混凝土代替普通混凝土的方法,试验测得其极限粘结强度从0.6Mpa(CC400N1)增加到1.02Mpa(CC400E1),这也能证明混凝土的侧向膨胀在钢管中产生了预应力,增强了彼此的相互作用,从而提高了粘结强度。

  4 内界面接触对粘结强度的影响

  4.1内界面形式

  薛立红等[11]通过对在钢管内焊接钢板环、钢筋环、钢筋钉抗剪连接件的18个钢管混凝土试件进行推出试验,通过荷载-滑移曲线及外观焊接处压屈变形发现,钢板环、钢筋环及钢筋钉有效地阻碍了钢管与核心混凝土之间的相对滑动,且钢筋环、钢筋钉的直径越大,其抵滑移力越大。通过试验研究得到抗剪连接件的承载力计算公式:

  false (按混凝土的局部承压计算)false (按抗剪件与核心混凝土同时承压计算)false其中,false(花瓣状分布的条形局压,对于环形局压false); false—抗剪件的承载力; false—钢管混凝土的抗压强度; false—抗剪连接件的水平投影面积; false—核心混凝土面积; false—考虑连接件柔性转动而使局部压应力非均匀分布的修正系数; false—钢管壁厚; false—钢板环的宽度或钢筋环的钢筋直径或钢筋钉的长度; false—抗剪连接件处的核心混凝土受到的平均压应力。Tao[1]通过对普通内表面、焊接内环、焊接剪力钉的不同钢管混凝土试件进行试验,其粘结强度如图2所示。对比各试件的试验结果可知,焊接剪力钉的试件CS400NS的false值(1.26Mpa)是普通界面试件CS400N1(0.23Mpa)的6倍,焊接内环的试件CS400NR的false值(2.72Mpa)是普通界面试件CS400N1的13倍,可见设置抗剪件可显著提高钢管混凝土的粘结强度。

  图2 内界面形式对钢管混凝土粘结强度的影响

  4.2 界面接触长度

  钢管混凝土粘结力由三部分组成:混凝土与钢管接触面由于凝胶材料产生的化学胶结力;混凝土与钢管粗糙的内表面产生的机械咬合力;混凝土与钢管接触面之间的摩阻力[12]。

  因此,界面接触长度可能会影响钢管和混凝土之间的粘结性能。康希良[13]也从理论上分析了钢管应力、钢管与混凝土的粘结应力及相对滑移之间的本构关系,得到了粘结滑移(false)的位置函数。陈宗平[4]通过试验研究发现界面长度对粘结强度的影响不明显。

  5 试件制作工艺对粘结强度的影响5.1 混凝土浇筑方式 为了研究混凝土密实度对钢管混凝土抗剪粘结性能的影响,Virdi等[7]采用了四种不同的振捣方式,即:完全振捣;轻微振捣;分三次灌入振捣,每次振捣40下;分三次灌入振捣,每次20下。试验结果表明,振捣越充分,核心混凝土就越密实,钢管混凝土抗剪粘结强度越大。5.2 养护条件 Virdi等[7]考虑试件的养护条件对钢管混凝土粘结强度的影响,分别对干燥和潮湿条件下养护的粘结试件进行试验。试验结果表明,在潮湿环境下养护的试件测得的平均粘结强度较干燥环境下养护的低。薛立红[9]通过对自然养护和蜡封密闭养护的试件进行推出试验,发现自然养护下的钢管混凝土界面抗剪粘结强度较蜡封密闭养护的高,这与前者的结论相一致。6 钢管混凝土受力状态对粘结强度的影响

  6.1 轴压比

  一般情况下,梁柱节点处都要考虑上部结构传来的轴压力,由于“套箍强化”,在轴压力的作用下,混凝土向外膨胀,提高了接触界面的摩擦力。薛立红[17]在考虑钢管混凝土粘结强度可能受轴压比的影响的情况下进行了试验研究,结果表明,钢管混凝土界面粘结强度与轴压比成正比,并推出如下公式:

  false式中:false—代表钢管混凝土的界面抗剪粘结强度;

  false—代表当轴压比为 0 时,钢管混凝土试件的平均抗剪粘结强度;

  false—代表核心混凝土的压应力;false—混凝土轴心抗压强度。

  6.2 偏心率

  在实际工程当中,钢管混凝土柱更多呈压弯受力状态,从而使得柱产生侧向扰曲,沿构件纵向,可局部提高钢管与混凝土的摩阻力,薛立红[18]研究了不同偏心率作用下对圆钢管混凝土试件界面粘结性能的影响,试验结果表明:

  在长细比相同的条件下,钢管混凝土界面粘结强度随着偏心率的增大而增大,由试验数据推出粘结强度与偏心率之间的关系公式:

  false在偏心率相同的条件下,钢管混凝土界面粘结强度随着试件长细比的减小而略有增大,推出抗剪粘结强度与长细比之间关系公式:

  false式中:false—试件偏心率; false—试件长细比;

  false—偏心受压推出试验的实测界面抗剪粘结强度;

  false—轴心受压推出试验的界面抗剪粘结强度;

  false—试件高度;false—钢管外径;

  false—核心混凝土半径;false—偏心距。

  6 结论与展望

  对国内外关于钢管混凝土抗剪粘结性能的试验研究进行对比分析可知:

  (1)碳钢管混凝土的粘结性能优于不锈钢管混凝土;圆钢管混凝土的粘结性能优于方钢管混凝土;钢管直径越大,粘结强度越小;径厚比对粘结强度没有明显的影响,但粘结强度随着长径比的增大而增大;

  (2)钢管混凝土粘结强度随着龄期的增加而降低,而混凝土强度的影响并不明显;使用再生混凝土和膨胀混凝土一般可提高钢管混凝土的粘结性能;

  (3)钢管内部焊接抗剪件可提高钢管混凝土的粘结性能,而界面接触长度对粘结性能的影响并不明显;

  (4)核心混凝土密实度越大,钢管混凝土粘结强度越高;养护条件对粘结强度也存在显著影响;(5)钢管混凝土的粘结强度与构件轴压比成正比,当为压弯构件时,粘结强度随着偏心率的增大而增大;

  (6)为了提高钢管混凝土粘结性能,在内界面焊接抗剪件是最有效的措施;

  (7)现阶段对于钢管混凝土粘结性能的试验方法主要包括推出试验和推离试验,推出试验更能反映承载能力状态下的极限粘结强度,而推离试验主要反映正常使用状态下的粘结滑移关系,可以考虑在同等条件下,利用两种方法进行试验,结合试验数据分析两者的差异性,以获得分别在两种状态下粘结强度的计算公式。(8)目前,还没有针对考虑钢材强度影响的试验研究;

  (9)随着工程结构的革新,钢管混凝土不断的被运用到实际工程当中,而现阶段对于圆不锈钢管与再生混凝土粘结性能的科学研究很少,同时为了满足绿色建筑的要求,还需要进行更多的试验研究。

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