型钢混凝土的粘结滑移关系研究

梁勇敢

0 引言

型钢混凝土构件由于承载力高、抗震和抗火性能好、造价适中,在高层与超高层建筑、大跨度公共建筑中得到广泛的应用。型钢与混凝土之间的粘结性能是直接影响型钢混凝土结构和构件的受力性能、破坏形态、计算假定、承载能力、裂缝和变形的主要因素[1-3]。

型钢与混凝土之间的粘结力主要由三部分组成[4,5]:混凝土中水泥胶体与型钢表面的化学胶结力,型钢与混凝土接触面上的摩擦阻力和型钢表面粗糙不平的机械咬合力。型钢混凝土结构和构件在受力后,由于粘结内裂缝以及混凝土劈裂裂缝的存在,型钢混凝土粘结破坏的机理较为复杂,在型钢混凝土的连接面区域内,应力应变状态非常复杂,本文首先采用结构分析软件 ANSYS对影响型钢混凝土结构粘结滑移的因素——混凝土强度等级、混凝土保护层厚度、横向配箍率和纵向配筋率等进行分析,最后在对数值分析结果进行回归分析的基础上,提出型钢混凝土粘结滑移关系的特征方程。

1 有限元模型的建立

型钢混凝土构件的型钢采用Shell181壳单元模拟,混凝土采用实体单元Solid65模拟,型钢与混凝土界面视为各自边界条件,采用Contac173接触单元模拟,钢筋混凝土结构中纵向钢筋横向箍筋采用Link8单元进行模拟。

型钢采用Q 345钢,弹性模量Es=2.06×105MPa,v=0.3,混凝土根据试件采取强度等级确定相关参数。

模型尺寸和各项参数参照文献[6]的取值,型钢均为80mm×8mm的钢板条,考虑影响型钢混凝土粘结力的四个参数:混凝土的强度等级、混凝土保护层厚度、配箍率sv以及纵向配钢率s。

所有试件的锚固长度均为 600mm。模型采用拟梁拉拔方式加载,荷载为单调加载P=200 kN,荷载分20个子步加载,即每次加载10 kN。

图1为试件的有限元计算模型。

2 有限元分析结果

2.1 混凝土强度等级对粘结性能的影响

为分析混凝土强度等级对粘结性能的影响,共计算了 8个模型,如表 1所示,混凝土强度等级从 C15～C50,保护层厚度统一取为45mm,纵筋配筋率s=0.5%,配箍率sv=1.2%。

表1 混凝土强度等级计算模型参数及计算结果

图2为计算模型的加载端 P与加载端滑移 S的关系曲线,从图 2可以看出,随着混凝土强度等级的提高,计算模型的极限破坏荷载大幅度提高,最大破坏荷载比最小破坏荷载提高了 82%,但滑移趋势基本相同,且加载端滑移量变化不是很大。

2.2 混凝土保护层厚度对粘结性能的影响

表2 混凝土保护层厚度计算模型参数及计算结果

为分析混凝土保护层厚度对粘结性能的影响,共计算了 8个模型,如表 2所示,混凝土保护层厚度从 30mm～65mm,混凝土强度等级为C30,纵筋配筋率s=0.5%,配箍率sv=0.8%。

混凝土保护层厚度对型钢混凝土的粘结有着一定的影响,当保护层厚度过小时,型钢混凝土的粘结破坏常因混凝土保护层开裂而影响到粘结强度的发展,当保护层厚度达到一定厚度时,粘结应力的发展不会因为混凝土保护层的较早开裂而受到限制,粘结强度得到相应的提高。

2.3 横向配箍率对粘结性能的影响

为分析横向配箍率对粘结性能的影响,共计算了 8个模型,如表3所示,横向配箍率从 0.2%～2.5%,混凝土强度等级为C30,混凝土保护层厚度为45mm,纵筋配筋率s=0.5%。

表3 横向配箍率计算模型参数及计算结果

型钢混凝土之间的粘结应力在发生滑移之前,主要由化学胶结力承受,而化学胶结力主要由混凝土的性能和型钢表面状况决定,与横向配箍率的关系不大,但在发生滑移之后,横向配箍率可以提高发生粘结滑移后的摩擦阻力和机械咬合力。

2.4 纵向配筋率对粘结性能的影响

为分析纵向配筋率对粘结性能的影响,共计算了 8个模型,如表4所示,纵向配筋率从 0.2%～2.5%,混凝土强度等级为C30,混凝土保护层厚度为45mm,横向配箍率sv=0.8%。

表4 纵向配筋率计算模型参数及计算结果

图3为计算模型的加载端P与加载端滑移S的关系曲线,从图 3可以看出,其受力过程一样可以分为上升段、下降段和水平收敛段 3个阶段,8个计算模型的荷载—滑移曲线基本上重合,表明纵向配筋率对极限破坏荷载提高很小,对型钢混凝土的粘结滑移影响很小。

3 粘结滑移关系

根据上述关于型钢混凝土粘结滑移的数值模拟分析,各试件由于参数不同,荷载—加载端滑移曲线(P—S曲线)表现出一定的差异,从加载端开始出现滑移至荷载达到极限值这一区间(统称为上升段)的粘结滑移性能和本构关系,直接影响型钢混凝土结构和构件的受力性能、破坏形态、承载能力、裂缝和变形等。

图4为有限元数值模拟得到的加载端P与加载端滑移S关系的典型曲线,由图 4可以看出,其受力过程大致可以分为上升段、下降段和水平收敛段 3个阶段,定义 3个特征荷载:即初始滑移荷载 Ps——化学胶结力逐步丧失,加载端开始产生滑移;极限荷载 Pu——化学胶结力全部丧失,摩擦力和机械咬合力发挥主要作用,达到荷载极限;残余荷载 Pr——机械咬合力全部丧失,型钢混凝土连接面趋于光滑,P—S下降端的终点和水平残余端的起点。将荷载分别除以型钢与混凝土连接面的总面积,相应得到三个特征粘结强度初始滑移粘结强度 ¯τs、极限粘结强度¯τu和残余粘结强度¯τr。

通过对 32个不同类型的型钢混凝土试件的拟梁式拉拔数值模拟分析,对各种因素进行统计回归,可以得到表 5的分析结果。

表5 粘结滑移特征方程

4 结语

1)混凝土强度等级对型钢混凝土粘结滑移性能影响很大;混凝土保护层厚度、横向配箍率和纵向配筋率对极限破坏荷载提高作用不明显,但对滑移发生后的粘结强度有一定的提高。

2)在有限元参数分析的基础上,分析了型钢混凝土荷载—加载端滑移曲线,回归出型钢混凝土粘结滑移关系的特征方程。

[1] 薛立红,蔡绍怀.钢管混凝土柱组合界面的粘结强度(上) [J].建筑科学,1996(3):22-28.

[2] 薛立红,蔡绍怀.钢管混凝土柱组合界面的粘结强度(下) [J].建筑科学,1996(4):19-23.

[3] 姜绍飞,韩林海,乔景川.钢管混凝土中钢与混凝土粘结问题初探[J].哈尔滨建筑大学学报,2000(2):24-28.

[4] 薛建阳,杨 勇,赵鸿铁,等.型钢混凝土粘结滑移性能研究综述分析[J].结构工程师,2002(4):51-58.

[5] 赵鸿铁,杨 勇,薛建阳,等.型钢混凝土粘结滑移力学性能研究及基本问题[J].力学进展,2003,33(1):74-86.

[6] 李 红,姜维山.型钢与混凝土粘结本构关系的试验研究[J].西北建筑工程学院学报,1995(3):16-22.