疲劳荷载后钢管混凝土界面黏结性能试验研究

2013-09-05顾章川俞先江陈梦成许开成

铁道建筑 2013年9期

关键词：割线模量钢管

顾章川，俞先江，陈梦成，许开成

(1．江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏南京 210005;2．华东交通大学土木建筑学院，江西南昌 330013)

疲劳荷载后钢管混凝土界面黏结性能试验研究

顾章川1，俞先江1，陈梦成2，许开成2

(1．江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏南京 210005;2．华东交通大学土木建筑学院，江西南昌 330013)

对7根圆钢管混凝土试件先后进行疲劳试验和推出试验，得到荷载—滑移曲线和黏结破坏荷载，研究疲劳循环次数和应力比对钢管混凝土界面黏结性能的影响。用黏结强度和割线模量定义了黏结界面损伤变量，探讨疲劳荷载与损伤变量的关系。研究结果表明，疲劳循环次数和应力比对界面黏结性能有显著影响，导致承载力大幅度下降，且出现异常变化，对结构安全造成危害;通过黏结强度—滑移曲线的割线模量定义黏结界面的损伤变量，可以很好地描述疲劳荷载与损伤变量的关系。

钢管混凝土黏结性能疲劳荷载荷载—滑移曲线

钢管混凝土(Concrete Filled Steel Tubes)是在钢管中填充混凝土而形成的一种组合结构，通常作为受压构件。它把两种不同性质的材料结合在一起，充分发挥了钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能，具有承载力高、塑性和延性好、抗震性能优越、耐火性能强、施工方便等优点，因而，正被越来越广泛地应用于高层及超高层建筑、地铁和桥梁工程中，并取得了良好的经济效益和建筑效果［1-2］。

迄今为止，国内对钢管混凝土界面黏结性能的研究主要集中在研究钢管混凝土界面黏结强度的影响因素上，并且都是以假定界面完美黏结为前提，并未考虑钢管与核心混凝土界面损伤的影响［3-7］。对钢管混凝土界面黏结强度的研究主要是从宏观角度，并未从微观角度研究其劣化过程的机理。要充分认识黏结破坏过程，就必然要从细观和微观角度出发研究界面损伤对钢管混凝土界面黏结性能的影响。

1 试验概况

1.1 疲劳试验

为了探讨疲劳荷载对钢管混凝土黏结界面力学性能的影响，在华东交通大学结构实验室进行了试验，对核心混凝土施加疲劳荷载，随后对钢管进行推出试验，得出P－s曲线和黏结破坏荷载。

疲劳试验在数控电液伺服试验机上进行，共采用了7根圆钢管混凝土试件，疲劳荷载频率为7 Hz。试件参数及疲劳试验参数见表1。

表1 试件参数及疲劳试验参数

混凝土采用人工搅拌配制，设计强度为C40，配合比为 C∶S∶G∶W=1.00∶1.10∶2.56∶0.40。浇注时将圆钢管竖立，从顶部分层灌入混凝土，并用插入式振捣棒进行振捣。在浇注的同时，预留6块150 mm×150 mm×150 mm标准立方体试块，试件实测标准抗压强度为41.2 MPa。试件采用 Q235直缝圆钢管，按有关规定进行拉伸试验，测得钢材的弹性模量E为181 GPa，屈服强度 fy为312 MPa，抗拉强度 fu为386 MPa。

1.2 推出试验

试件受到疲劳荷载作用后，接着对钢管进行打磨，贴纵向应变片，随后对试件进行推出试验。

推出试验在500 t压力试验机上进行，数据采集采用DH3815N分布式静态应变测试系统，分级加载。应变片布置及加载示意如图1。先在加载端的混凝土面上铺上一层湿的细沙，以便于几何和物理对中，接着放置一块刚度比较大的圆形钢垫块，直径为152 mm，略小于钢管内径，两边距离钢管有2～3 mm的间隙。

图1 试件应变片布置及加载示意(单位:mm)

在试验的准备阶段，先在钢管的4个面上做好标记，画好中轴线，并在台座中央预先画好钢管放置的具体位置，使试件中心和加载中心保持在同一条垂线上，以防止试件发生偏心受压。先预先加载5 kN，使混凝土面与钢垫块之间挤压紧密，并检查试验仪器有没有异常，再采用慢速连续加载，同时开始记录数据。待准备工作完成后，在确保应变片连接无误的情况下开始加载。在加载初期，每级加载约为预计极限荷载的1/10，加载速度控制在 500 N/s，每级荷载持荷 2～3 min，当钢管与核心混凝土之间出现了明显的非线性滑动后，加载速度控制在200 N/s，缓慢连续加载直至黏结作用彻底破坏。

在混凝土加载端两侧各安装一个百分表，用来量测钢管和混凝土界面的相对滑移，在每级荷载加载结束的时候直接读出试验机上的荷载值，由此绘出荷载—滑移曲线。

2 试验结果分析

2.1 极限荷载

对7根受疲劳荷载作用后的圆钢管混凝土试件进行推出试验，得到极限荷载及其相应的滑移量，见表2。

表2 试验结果

2.2 疲劳荷载后推出试验的P－s曲线

通过试件加载端的百分表滑移值和试验机上对应的荷载值可以较准确地绘制出各个试件的P－s曲线，如图2所示。

图2 各试件不同应力比下的P－s曲线

3 钢管混凝土界面损伤模型的研究

3.1 用割线模量定义损伤变量

在钢管混凝土试件的推出试验中，可由P－s曲线得到黏结强度与滑移曲线(τ－s曲线)，该曲线与弹塑性材料的应力—应变曲线类似［8］。因此，也可以用τ－s曲线中的割线模量来描述界面损伤。定义无界面损伤状态τ－s曲线的割线模量为E0，实际损伤状态的割线模量为。则可按式(1)来定义损伤变量D

3.2 疲劳荷载后推出试验P－s曲线的割线模量

由试件的τ－s曲线可得到割线模量衰减规律，描述界面黏结的损伤演化过程。当滑移量在1 mm以内时，位移主要由核心混凝土的压缩变形产生，只有当界面相对位移＞1 mm时才能反映界面的相对位移情况，因此，可按滑移量1 mm计算割线模量，τ－s曲线滑移量为1 mm时的割线模量如表3所示。

表3 各τ－s曲线滑移量为1 mm时的割线模量

从表3中可以看出，没有受疲劳荷载作用的钢管混凝土试件的割线模量最大，随着疲劳次数的增加，割线模量减小。相同疲劳次数下，试件应力比大的，割线模量相对较小。以割线模量(E)为纵坐标，疲劳次数(x)为横坐标绘出应力比分别为0.16和0.33的E－x曲线，如图3所示。

图3 割线模量与疲劳荷载循环次数的关系曲线

根据割线模量与界面脱黏量的关系，选用E=ax+b型拟合曲线，其中a，b为系数。将试验数据代入，得到应力比为0.16和0.33的拟合方程，分别为式(2)和式(3)。

用式(2)和式(3)拟合的的相关系数分别为0.980 7和0.955 2，相关性较好。于是可得到x=0时所对应的理想无损状态钢管混凝土的割线模量E0在应力比为 0.16，0.33时分别为 0.975，1.02 GPa。

3.3 疲劳损伤演变规律

将无损状态的割线模量代入式(1)，得到应力比为0.16，0.33时的损伤变量，分别见式(4)和式(5)。

据此，通过推出试验的τ－s曲线，可得到D－s曲线，如图4所示。

图4 D－s曲线

由图4可以得到以下规律:

1)由于疲劳荷载循环次数的不同，钢管混凝土界面受损程度不同，CFST2-4，CFST2-7两根受疲劳荷载作用较多的试件，试验初始阶段损伤变量值就比较大。由于疲劳荷载的作用，上部加载端的界面处钢管与混凝土的黏结界面受损较为严重。推出试验开始时，单位滑移所需要的荷载较小，损伤变量值较大。随着试验的进行，上部混凝土压缩，下部没有受到损伤黏结面处的黏结力开始作用，损伤变量D值先变小，再逐渐变大。

2)CFST2-2，CFST2-3，CFST2-5，CFST2-6 试件，在加载过程中，随着荷载的逐渐增大，钢管壁和混凝土的相对滑移增加，黏结界面从上部加载端至底部自由端逐渐破坏，全界面逐渐受损，最终全界面产生滑移，所以损伤变量D随着荷载的增加而逐渐增大。

3)在推出试验的初始阶段，试件之间的损伤变量差值就很明显。这主要是因为疲劳荷载的作用，试件的黏结界面受损，黏结界面损伤变量随着疲劳荷载循环次数的增加而增大。

4)随着荷载的逐渐增大，试件之间的损伤变量差值逐渐减小，各试件的损伤—滑移曲线有相互叠合的趋势。这是由于所加的疲劳荷载上限值较小，仅造成试件上部加载端附近的钢管与混凝土之间产生缝隙，并没有在钢管混凝土全部黏结界面产生滑移。