钢—混凝土光滑界面粘结性能研究

刘锡军，李艳慧，杨 芳，王玉梅

（湖南科技大学 土木工程施工过程与质量安全控制湖南省普通高校重点实验室，湘潭411201）

0 前 言

随着钢混组合结构在各项工程中越来越广泛的应用，对于其性能的实验和理论研究也日趋深入和完善.两种不同材料间的粘结力是保证钢混结构共同工作的前提，所以对于钢——混凝土粘结滑移性能的研究一直是很多国内外学者不断探讨和研究的方向，目前关键要突破的是对于钢——混凝土内部（界面上）的粘结应力分布情况的研究.

钢构件与混凝土界面有光滑界面和非光滑界面之分，鉴于光圆钢筋和变形钢筋与混凝土界面粘结滑移的分析，可以简单定义光滑界面为钢构件表面光滑平整，没有横肋或斜肋，与混凝土间粘结的机械咬合力并不突出.比较典型的钢混组合结构粘结性能的研究有型钢混凝土、钢管混凝土、压型钢板混凝土三种形式.其中，型钢与混凝土界面就属于光滑界面.它们与混凝土间粘结作用都远小于钢筋与混凝土的粘结作用，国内外的试验研究表明，型钢、钢管与混凝土的粘结作用大约只相当于光圆钢筋与棍凝土的粘结作用的45%［1］，但是它们的粘结机理相类似，主要由三部分组成：混凝土中水泥胶体与型钢表面的化学胶结力、接触面上的摩擦阻力和机械咬合力.所以钢－混凝土光滑界面粘结性能研究中比较典型的就是型钢混凝土间的粘结作用.

1 试验方法

在钢混凝土组合结构性能研究中，梁式试验和柱式试验是比较常用的方法.根据组合构件对性能研究的不同要求选择适合的试验方法［2］.

从以往研究中可以发现，采用梁式试验研究型钢与混凝土之间粘结滑移性能的基础性试验较少，形式一般限于型钢混凝土梁式试验和钢混组合梁试验两种.

柱式结构在型钢混凝土结构中应用较为广泛，相关柱式试验类型也较多，常见类型及各自特点如表1所示.

表1 柱式试验常见类型

2 界面粘结应力分布

2.1 型钢——混凝土界面沿锚固长度粘结应力分布

钢——混凝土构成一种组合材料的基本条件是二者间可靠的粘结和锚固.因此，国内外对界面粘结应力作用进行了大量试验研究［3－6］，一般我们也将这种粘结作用称为界面的剪力传递作用.在早期研究中，由于试验条件和理论的不完善，粘结强度均是采用平均粘结强度代替，认为粘结应力沿整个型钢混凝土界面是均匀的，而实际上它的分布并不是均匀的，所以这种假设使得研究具有局限性，不能很好反映出粘结应力的分布规律.Roeder［3－4］首次考虑了粘结应力沿锚固长度上的变化，采用压入试验的试验方法，与其他试验不同的是他在型钢翼缘上布置了大量电阻应变片，通过粘结应力与型钢表面应力成正比的关系，得出结论，在界面发生相对滑移之前，粘结应力沿锚固长度呈指数分布；而发生滑移之后，粘结应力的分布则接近于一个常数.这一结论也在学者Wium［5］的试验中得到论证.

近年来，对于界面粘结应力分布规律有了更加深入的理论和试验研究.2009年郑山锁通过试验观测分析得出粘结应力分布模型如图1所示［6］，从图中可以看出，在粘结弹性阶段，粘结应力沿锚固长度方向呈现指数分布趋势；粘结软化阶段，界面的剪力传递作用自加载端开始逐步降低.

图1 粘结应力分布模型

对于加载初期，粘结应力呈指数分布的理论分析中，郑山锁［7］、赵根田［8］采用了拉拔试验方法研究型钢混凝土粘结滑移性能，通过材料力学理论推得界面粘结应力沿锚固长度分布公式：

其中，As、u为型钢各部分的平均面积和周长；Es为型钢弹性模量；εmax为试件加载端（即锚固长度x＝0）处的型钢表面的局部最大应变值；k1为粘结应变指数特征值.郑建议取k1＝0.0130－0.005l0（l0单位 m）；赵建议k1取值0.0059.

相对比，殷小溦［9］则是运用推出试验方法，通过对型钢单元体进行受力分析，采用最小势能原理从理论上进行推导，根据平衡方程及推导得到的相对滑移公式确定具体参数，最终得到弹性范围内型钢混凝土滑移曲线沿试件纵长的分布规律及其数学表达式：

A、B为待定系数，由（3）式和（4）式联立确定.

其中，S（L）、S（0）分别为自由端滑移、加载端滑移

Es、As为型钢的弹性模量和横截面积；Cs为型钢横截面周长；Ec、Ac为混凝土的弹性模量和横截面积；

2.2 两种公式的比较与分析

文献［10］研究和探讨了型钢混凝土结构中型钢与混凝土之间的相互作用和粘结滑移机理，做了大量推出试验，得出了很多有效的试验数据及理论参数，我们将取其中两组数据对两种公式下粘结应力分布曲线进行分析比较.

理论参数有：Ec＝32500N／mm2，Es＝209000 N／mm2，Ac＝71638mm2，As＝3211mm2，Cs＝547 mm，L＝740mm.

运用MATLAB绘图如下：

图2 p＝205kN荷载下粘结应力分布

图3 p＝410kN荷载下粘结应力分布

从图2和图3可以看出，两种不同荷载作用下，按赵所建议的k1值时绘制曲线与实测曲线吻合较好.所以在两公式比较时k1取值0.0059.

将公式（1）和能量法计算公式（2）比较如图4所示.

图4 粘结应力分布曲线

对图4进行分析可以得出以下结论：

（1）两种公式绘制的沿锚固长度粘结应力的分布规律曲线与实测结果拟合曲线形式上基本一致，但能量法公式与实际吻合程度最优，低荷载作用下几乎完全吻合.

（2）赵所推公式在低荷载作用时也能较好反应粘结应力分布情况，但随着荷载上升，曲线加载端粘结应力与实测值偏离较大.

（3）由此可以初步得出结论：在加载初期，即弹性工作阶段，不论是推出试验还是拉拔试验采用能量法理论所推公式计算沿锚固长度粘结应力的分布更为合理.

［1］ 赵鸿铁.钢与混凝土组合结构［M］.北京：科学出版社，2001.

［2］ 邓国专.型钢混凝土结构粘结滑移性能试验研究与基本理论分析［D］.西安建筑科技大学硕士论文，2005.

［3］ Roeder Charles W.Composite and Mixed Construction［M］.Published by ASCE，1984.

［4］ Roeder Charles W，Chmielowski Robert，Brown Colin B Shear Connector Requirements for Embedment Stee Sections［J］.Journal of Structural Engineering，ASCE 1999，125（2）：142―151.

［5］ Wium Jan A，Lebet Jean－Paul.Simplified Calculation Method for Force Transfer in Composite Columns［J］.Journal of Structural Engineering，ASCE，1992，120（3）728―745.

［6］ 郑山锁，李 磊，王 斌，等.型钢与混凝土界面剪力传递能力［J］.工程力学，2009，（3）.

［7］ 郑山锁，邓国专，杨 勇.型钢混凝土结构粘结滑移性能试验研究［J］.工程力学，2003，20（5）：63―69.

［8］ 赵根田，李永和，杨丽梅.型钢与混凝土的粘结性能研究［J］.包头钢铁学院学报，2004，（4）.

［9］ 殷小溦.型钢混凝土粘结－滑移推出试验的理论分析［J］.结构工程师，2010，（3）.

［10］薛建阳，赵鸿铁.型钢混凝土粘结滑移理论及其工程应用［M］.北京：科学出版社，2007.