型钢混凝土粘结滑移研究概况

摘要：本文总结了国内外型钢混凝土粘结性能的试验研究资料，介绍了型钢混凝土粘结滑移性能的试验成果。在此基础上，分析探讨了型钢混凝土粘结性能的主要影响因素，介绍了反复荷载作用下粘结滑移性能的研究进展及型钢混凝土粘结滑移的本构关系。结合文献综述得到的研究结论，提出了自己的看法。

关键词：型钢混凝土；粘结滑移；综述分析

中图分类号：TV331文献标识码： A

ZHU Yingjie

( Department of Building Engineering Tongji University，Shanghai 200092 )

Abstract: The bond-slip of steel reinforced concrete (SRC) is a basic problem in the structure theory, and also an important problem in the engineering area. There have been many experts have done research in this area, more is using experimental research methods, such as push-out test and short column test. Although the tests are similar in form, but the results are not the same if the test has been done in different ways and conditions. This paper reviews the previous studies on bond-slip behavior of steel reinforced concrete, and draws some conclusions.

Key words: Steel structure, bond-slip behavior, summary analysis

1 前言

型钢混凝土结构具有承载能力高、刚度大及抗震性能好等优点，在国内的多高层及大跨度结构中被广泛应用。型钢混凝土结构中混凝土和型钢依靠两者的粘结作用协同工作，它们之间的粘结性能直接影响建筑结构的受力和变形。随着现代计算技术的发展，可以采用计算机有限元技术仿真型钢混凝土结构的受力性能，并考虑型钢与混凝土间粘结滑移因素的影响，需要有相关的数学模型和分析参数，模型的建立离不开大量的试验数据的积累和总结。因此研究型钢混凝土的粘结滑移关系有重要意义[1]。

本文综述介绍了型钢混凝土粘结滑移性能的试验成果和研究进展。并在此基础上，分析了当前型钢混凝土粘结性能的国内外文献，针对研究中的一些问题提出了自己的看法，结合文献分析和工程中实际需要，提出了型钢混凝土粘结滑移研究中，需要进一步深化的几个方面。

2 型钢混凝土粘结滑移研究

2.1 型钢混凝土粘结滑移试验研究现状

日本的坪井善胜[2]等在1950年采用钢板拉拔试验对型钢与混凝土之间的粘结强度进行了研究，在试验中考虑了混凝土强度、混凝土保护层厚度和纵向钢筋数量等因素的影响，认为型钢与混凝土的粘结强度较低，建议在设计中不考虑型钢混凝土的粘结作用，这一建议在日本规范《钢骨混凝土结构设计标准及解说》中得到体现。

早期的试验大多以简支梁的形式来试图确定型钢与混凝土之间的粘结强度，然而从这些研究资料中发现，在梁端型钢与混凝土之间的相对滑移没有量测出来，并混淆了水平剪切破坏与粘结破坏，而且对破坏荷载的计算方法缺乏一致性。目前，关于型钢混凝土粘结滑移的试验研究主要有两种类型：推出试验和短柱试验（图1）。在推出试验中，粘结强度又被称为最大平均粘结应力，它的大小可以通过竖向荷载的最大值与型钢表面积（埋设在混凝土中的部分）之比来得到。在短柱试验中，竖向荷载同时由型钢混凝土的粘结作用和下部基座提供的反力共同抵抗，短柱试验中型钢与混凝土之间粘结滑移只在柱子中的上部区段发生，下部由于基座的约束，型钢与混凝土的变形协调。因此，短柱试验虽然与型钢混凝土柱的真实受力情况更相近，但是推出试验能更好地确定型钢混凝土粘结滑移刚度和粘结强度，是型钢混凝土粘结滑移研究常用的试验方法[3]。

图1短柱试验和推出试验

Bryson和Mathey[4]在1962年最早采用推出试验研究型钢表面状况及翼缘宽度对型钢混凝土粘结强度的影响。试验结果表明：现场喷砂（型钢在空气中暴露一个月后再喷砂）、喷砂后使其生锈（喷砂后一个月内用盐溶液使型钢表面锈蚀）的两种型钢表面的平均粘结强度接近，但比普通环境下锈蚀的型钢表面高出30%左右。但三者在滑移发生后的残余粘结应力值相近。研究者认为粘结应力主要出现在型钢翼缘与混凝土之间。

1973年，Hawkins[5]进行了型钢混凝土推出试验，共有22个试件。考虑混凝土浇筑位置、型钢截面尺寸和横向配箍率等对粘结强度的影响。试验结果表明：（1）在型钢埋置深度与型钢高度的比值保持不变的情况下，型钢截面尺寸对粘结性能没有影响；（2）水平浇筑的型钢混凝土构件粘结强度小于垂直浇筑构件的粘结强度；（3）型钢混凝土发生较大相对滑移前，横向配箍率的大小对型钢混凝土的粘结强度没有显著影响，但是当型钢混凝土发生粘结滑移后，粘结强度随着横向配箍率的增加而变大。

1984年，Roeder[6]进行了推出试验，考虑粘结应力沿型钢锚固长度上的变化，并通过在型钢翼缘密布电阻应变片的方法测得相应粘结应力（图2），根据粘结应力与型钢翼缘应力的相互关系，得出粘结应力的分布规律（图3）。通过对试验结果的统计回归，得到沿型钢锚固长度上的平均粘结强度与混凝土圆柱体抗压强度的线性关系：。1999年，Roeder[7]将Bryson、Mathey和Hawkins等人的试验与自己的试验结果进行分析和比较，得到典型的型钢混凝土粘结滑移关系曲线，并得出如下结论：（1）型钢与混凝土之间的粘结主要由翼缘与混凝土之间的粘结贡献，腹板与混凝土之间的粘结作用可以忽略；（2）在对两个自由端已发生滑移的试件进行了重复加载试验后，Roeder发现已经发生的滑移对重复加载后试件的粘结应力分布规律影响很大，重复加载的粘结强度比首次加载时所达到的粘结强度要降低28%~45%；（3）随着混凝土圆柱体抗压强度的增大，按翼缘与混凝土接触面积平均的局部最大粘结应力也相应增大，并得出相应的粘结应力公式为，考虑数据离散性，给出了一个保守计算公式。式中，为型钢翼缘局部最大粘结应力值，和的单位为。

图2 推出试验示意图图3 粘结应力分布规律

1989年，郑州工学院孙国良[8]对型钢与混凝土的粘结力和栓钉对于力传递扩散性能进行了研究，进行了22组压入试验，考虑了栓钉、配箍率和混凝土保护层厚度对型钢混凝土粘结强度的影响。试验结果表明：（1）型钢与混凝土之间的粘结力主要存在于型钢翼缘上。极限状态之前粘结应力在长度方向上为指数分布，达到极限荷载时趋于常数分布。配置箍筋在混凝土保护层小的情况下可以稍提高开裂荷载，并增加粘结失效的摩擦剪力，但对提高粘结力的作用不明显；（2）配置箍筋对提高扩散能力的作用不明显，但可以限制混凝土开裂后的裂缝宽度并保证摩擦力值不降低；（3）栓钉布置在翼缘板上的力扩展情况有三种破坏形式：栓钉失效、箍筋失效和混凝土斜压失效，并给出了三者对应的计算公式，取其中较小值作为计算扩散能力。

1991年，Y.M.Hunaiti等[9]进行推出试验，考虑了混凝土强度、型钢表面状况和横向配箍率对型钢混凝土粘结强度的影响作用。试验结果表明：混凝土的强度对型钢混凝土粘结强度没有明显影响，而增大横向配箍率和对型钢表面进行喷砂处理可以提高型钢混凝土的粘结强度。同年，Y.M.Hunaiti[10]为了研究型钢混凝土组合柱的粘结性能，考虑槽钢截面尺寸、混凝土养护、混凝土徐变、龄期、温度等因素做了135个试件。试验结果表明：（1）随着混凝土龄期的增加，粘结强度有所降低；（2）随着钢混界面接触面积与横截面面积比的增加，粘结强度相应增加；（3）混凝土收缩徐变会导致粘结强度的降低；（4）混凝土湿养护情况下的粘结强度比干养护情况的要高；（5）温度对粘结也有影响，粘结损失随着温度升高而增加。与其他研究相比，槽钢截面的组合柱比方形和圆形的组合柱的粘结强度要低。

1992年，Wium和Lebet[11]进行了短柱试验和推出试验。试验结果表明：（1）粘结应力可分为两个阶段：在型钢与混凝土的滑移发生前，粘结力主要由化学胶结力组成，在滑移发生以后，则主要由两者间的摩擦力组成；（2）当翼缘的混凝土保护层厚度从50mm增加至150mm时，化学胶结破坏后的粘结力提高了50%；（3）尺寸相同的型钢混凝土试件，型钢的截面越小，最大平均粘结强度越高，如图4所示；（4）随着横向配箍率的增加，粘结强度也随之相应增大；（5）混凝土的收缩会使得型钢混凝土的粘结强度减小。

图5 型钢截面尺寸与粘结强度的关系

1992年，肖季秋[12]等为了研究型钢混凝土的粘结滑移性能，对9个试件进行了推出试验，并分析了影响型钢混凝土粘结强度的主要因素。试验结果表明，混凝土强度等级、型钢的埋置长度以及横向配箍率都对其粘结性能有直接影响。文章还讨论了型钢与钢筋两者在粘结性能上的差异，拟合了粘结滑移本构关系的数学表达式，提出了型钢混凝土粘结强度的计算公式。

1993年，李红等[13]进行了17个钢板拉拔拟梁式试件的试验，试验考虑了混凝土强度等级、混凝土保护层厚度、配箍率和纵向配筋率四个因素对粘结强度的影响。试验结果表明：（1）混凝土强度等级、横向配箍率以及混凝土保护层对型钢的粘结强度有较明显影响，并且随之增大，其粘结强度也增大，而縱向配箍率对型钢粘结强度基本上没有影响，通常可不考虑；（2）混凝土保护层、横向配箍率在一定范围内对型钢的粘结有显著影响，当超过某范围其影响程度基本上不变；（3）通过对试验结果的统计回归，提出了型钢混凝土的平均粘结强度、极限粘结强度和残余粘结强度的计算公式，得出钢板与混凝土的粘结强度较小，相当于光圆钢筋的50％和螺纹钢筋的30％的结论。两年后，李红和姜维山[20]通过17个不同类型的型钢混凝土试件的拟梁式拔试验，得出了试件的粘结锚固特征强度和特征滑移值，并通过位置函数、粘结滑移基本形式建立了粘结滑移的本构关系。

1993年，Khalil[14]进行了56个钢管混凝土柱的推出试验，考虑了截面形状、连接件的形式及个数、侧向支撑和试件中部加焊侧板等工况。试验结果表明：（1）圆形截面试件的剪力传递优于方形截面试件的剪力传递；（2）设置剪力连接件能有效地提高型钢与混凝土间的剪力传递，极限荷载与剪力连接件的个数基本成正比；（3）试验时设置侧向支撑的试件的极限荷载明显高于没有设置支撑的试件，但设置支撑的位置对极限荷载没有大的影响；（4）当焊的侧板长度一定时，侧板的宽度对方形截面的试件没有大的影响，但对圆形截面有较大影响，随侧板宽度的增加极限承载力也相应增加。

1994年，Wium和Lebet[15]的推出试验考察了型钢混凝土的保护层厚度、横向配箍率、型钢的截面尺寸和混凝土的收缩等四个因素对型钢混凝土粘结强度的影响。试验结果表明：（1）当型钢与混凝土之间的化学粘结破坏后，对于强度为HEB200的型钢，混凝土保护层厚度增大，剪力传递能力也相应增大。但对于强度为HEB400的型钢，当混凝土保护层增大时，剪力传递能力并未增大；（2）横向配箍率对化学胶结力丧失以后的剪力传递有较大影响，但这种情况随着配箍率的增加，并没有很明显的规律性；（3）在试验中，作者发现在试件总截面相同的情况下，型钢截面尺寸越大，混凝土开裂越严重，从而导致剪力传递能力下降；（4）混凝土的收缩会减小型钢混凝土上下翼缘之间区域内的剪力传递，在6个月内减小10%。

1998年，同济大学张誉等[16]以上海环球金融中心大厦工程为背景，进行推出试验和短柱试验，研究型钢和高强混凝土之间的粘结性能。试验结果表明：（1）混凝土保护层厚度能够对型钢的横向变形起到约束的作用，厚度越大，则横向约束作用越强，型钢-混凝土的界面压力越大，从而粘结应力越高。配有箍筋时试件裂缝出现较晚，开展比较缓慢，提高了试件的粘结力。配有箍筋或混凝土保护层较大的试件其最大粘结力要明显高于无箍筋或保护层较小的试件，配有箍筋试件的下降段较平缓，残余粘结力明显高于无箍筋的试件；（2）型钢翼缘外表面的粘结应力均高于相应翼缘内表面和腹板表面的粘结应力值，约高出1倍左右。这说明沿着型钢横截面周长粘结应力的分布并不完全相同；（3）随着混凝土强度等级的提高，最大粘结应力也提高；（4）型钢受压时的横向膨胀，会使型钢外包混凝土产生拉应力，从而导致构件粘结劈裂破坏的主要原因。

1999年，Roeder[7]对之前进行的大约120个型钢混凝土粘结滑移试验的结果进行了统计分析，虽然这些试验结果有很大的离散性，但可以得知的是型钢截面尺寸、混凝土保护层厚度以及粘结锚固长度都是影响粘结锚固性能的主要因素。（1）在Roeder之前的试验研究中，认为型钢表面状况会影响粘结性能，但是在综合其他研究者的试验结果后，这一结论并不成立；（2）综合之前的试验结论，Roeder认为型钢混凝土粘结强度与混凝土强度等级之间的关系不明显；（3）横向配箍率对型钢混凝土的最大粘结强度的影响不显著，但随着配箍率的提高，却能改善型钢混凝土滑移发生后的粘结性能；（4）在反复荷载作用下，若荷载小于初始粘结强度（约为极限粘结强度的40%），则不会出现粘结退化；但是在超过初始粘结强度后，界面粘结退化现象将会变得明显；（5）在型钢翼缘布置剪力键会对混凝土造成局部变形和应力集中，由此产生的裂缝会加速粘结退化。因此，Roeder认为荷载传递要单方面依靠型钢混凝土间的粘结作用或剪力键作用，而不考虑两者共同工作。

2003年，西安建筑科技大学杨勇[17]通过20个型钢混凝土推出试件的试验，对型钢混凝土的粘结滑移性能进行了详细的理论和试验研究。试验结果表明：（1）由于粘结力引起的内裂、劈裂、挤压都与混凝土的性能有关，因此型钢混凝土的平均粘结强度与混凝土强度基本上具有线性关系，粘结强度随着混凝土强度增大而相应提高；（2）文章给出了平均粘结强度与相对保护层厚度的关系，随着保护层厚度的增加，平均粘结强度也相应线性增加；（3）相同截面的情况下，随着型钢配钢率的增加，粘结强度降低，因为配钢率的增加，相当于握裹混凝土减少，引起混凝土对型钢的握裹作用降低，继而导致粘结强度降低；（4）横向配箍率对初始滑移状态的平均粘结强度作用不明显，对极限状态的平均粘结强度的影响相对前者有提高的趋势，但也不明显；而横向配箍率最明显的作用是对水平残余阶段的作用，在发生劈裂破坏后，横向配箍率能够加强混凝土对型钢的侧向和横向约束，从而提高水平残余阶段的残余粘结强度。

2007年，西安建筑科技大学李俊华[18]进行了20个型钢混凝土柱在反复荷载作用下的粘结强度试验研究。试验结果表明：（1）型钢混凝土柱在轴力和水平荷载共同作用下，滑移沿柱高大致呈指数分布，柱根处的滑移量最大，由柱根向柱顶逐渐减小。与钢筋混凝土构件相比，型钢混凝土的荷载-滑移滞回曲线更为丰满，整个加载过程呈不明显的“捏拢”现象；（2）随着荷载循环次数的增加，型钢与混凝土之间的粘结应力不断减小，滑移不断增大，表现出明显的粘结退化现象；（3）在反复荷载作用下，型钢混凝土柱的粘结退化系数比普通混凝土构件的要小，粘结退化现象更为显著。

2.2 型钢混凝土粘结滑移分析探讨

2.2.1型钢混凝土粘结滑移的影响因素

在型钢混凝土结构中，可能影响型钢混凝土粘结性能的因素包括：型钢表面状况、混凝土强度、混凝土保护层厚度、横向配箍率等。具体总结如下：

（1）型钢表面状况Bryson和Mathey [4]研究了型钢表面现场喷砂、喷砂后生赤锈、自然锈蚀情况下对型钢混凝土粘结性能的影响，发现喷砂处理后的型钢表面，与混凝土间的粘结强度有所提高；Hunaiti[19]的试验研究表明，在对型钢表面进行喷砂处理后可以提高型钢混凝土的粘结强度。孙国良[8]经研究提出，工程中使用剪力连接件能提高型钢混凝土的粘结强度；而Roeder[7]在研究中观察到剪力连接件的加设降低了型钢混凝土的平均粘结强度，减弱了试件的延性。尤其在发生滑移后，设置了剪力键的试件粘结强度大为减弱。

（2）混凝土强度Bryson和Mathey[4]；Hawkins[5]；Roeder[6]；Hamdan和Hunaiti[9] [10] 李辉等[16]都在试验中进行过相关的研究，并拟合了混凝土抗压强度与粘结强度的关系，也有人认为粘结强度与混凝土抗拉强度成函数关系，而Wium和Lebet[11]的研究结果则表明混凝土强度对型钢粘结强度的影响并不明显。Roeder[7]的统计结果显示，关于型钢混凝土粘结强度与混凝土强度关系的数据较为离散，如图5所示。

图5 平均粘结强度与混凝土抗压强度的关系

（3）混凝土保护层厚度孙国良等[8]在研究中发现，当混凝土保护层厚度较小时，粘结强度随保护层厚度的增加而增加，型钢混凝土的保护层对粘结强度有较大的影响；而当混凝土保护层厚度超过某一界限值时，保护层厚度对粘结强度的影响变得不明显。李红[13]也曾得出相似的结论。但是他们建立的两个型钢混凝土临界保护层厚度的计算方法都未考虑混凝土强度、横向配箍率等因素的影响，存在一定的缺陷。

（4）横向配箍率Wium和Lebet[11]；Hamdan和Hunaiti[9]；李辉[16]都通过推出试验发现横向配箍率的增大能提高型钢混凝土的粘结性能。而Roeder[7]和杨勇[17]则认为横向配箍率对型钢混凝土在滑移前的粘结强度影响并不显著，但能改善滑移发生后的粘结性能。目前尚没有得出横向配箍率与型钢混凝土滑移发生后的粘结强度之间存在的确定性关系，而且关于配箍形式对粘结强度影响的研究也很少。

（5）型钢截面尺寸 Hawkins在认为在试验条件相同的情况下，型钢截面尺寸对粘结性能没有影响。Wium和Lebet的结论则是相同尺寸的混凝土试件，型钢界面尺寸小，平均粘结强度越高；型钢截面尺寸越大，外包混凝土开裂越严重，造成粘结强度下降，杨勇在试验中也得到了相同的结论。

2.2.2 反复荷载下型钢混凝土粘结滑移的研究

型钢混凝土结构与钢结构或混凝土结构相比，具有更高的承载力和刚度。因此常被应用于高层建筑中，抵抗地震力和风荷载的作用，因此反复荷载作用下的粘结滑移性能研究具有重要的意义和价值。Roeder[7]在1999年的试验研究中，用三个推出试件研究重复荷载下型钢混凝土粘结滑移性能，他将发生滑移的试件，卸载后再进行加载，以观察到一些重估加载下的试验现象，给出了重复加载下推出试件粘结滑移的一些感性认识，然而因其不是严格意义上的低周往复加载试验，以及未能给出数据化的粘结滑移滞回曲线及数学模型，因此试验成果距实用有限元分析还有一定的差距。

2.2.3 型钢混凝土粘结滑移的本构关系

肖季秋等[12]通过9个推出试件的试验数据，拟合出四次多项式表示的型钢混凝土本构关系，即，式中的单位为，的单位为。作者曾将其用于型钢混凝土梁非线性有限元分析中，并且取得了良好的效果。以往试验和研究中都只得到型钢混凝土平均粘结应力与型钢混凝土外部（加载端或自由端）滑移之间的关系曲线，并以此作为型钢混凝土有限元分析时的粘结滑移本构关系。而实际上，这种粘结滑移本构关系无法反映出粘结刚度沿型钢锚固长度退化这一现象，同时也不能反映出腹板和翼缘二者粘结滑移刚度的差别，具有较大的局限性。李红和杨勇等根据试验结果，对型钢混凝土粘结应力沿锚固长度的分布规律进行了分析，建立了粘结应力和滑移量的数学模型，同时，引入了位置函数以考虑沿锚固长度粘结应力与滑移关系的变化。

2.2.4 型钢混凝土粘结滑移研究展望

从1962年Bryson至今，型钢混凝土粘结滑移性能的研究多采用推出试验的方式。由于试验模式固定，给出的是有一定锚固长度的试验模式。而在实际工程应用中，常常会有复杂多样的受力情况（如受弯构件、节点区等），有待提出更加合理有效的试验方式进行研究；在型钢混凝土构件中，会有预应力筋、箍筋等造成型钢与混凝土处于复杂应力状态。而由此出现的，如侧向受压或受拉的状态，需要探讨；型钢混凝土正被大量地应用于高层和大跨度结构，因此，研究其抵抗地震作用和风荷载的能力，反复荷载下的粘结滑移本构关系有实际应用夹着，而这方面的试验还较少，需要进一步完善；随着材料科学的发展，有越来越多的新材料应用于建筑结构中，如高强混凝土、轻骨料混凝土、钢纤维混凝土等等，为拓宽应用范围，满足实际工程需要，型钢与这些新型混凝土的粘结性能研究也有重要意义。

3 总结

本文总结了国内外关于型钢混凝土粘结性能的试验研究成果，并在此基础上，分析探讨了型钢混凝土粘结滑移性能的主要影响因素；介绍了反复荷载作用下粘结滑移性能的研究进展及型钢混凝土粘结滑移的本构关系。通过综合文献可以看到，虽然至今已进行了不少试验研究，但仍有许多方面未得出令人信服的结果，存在较多问题值得继续探讨，未能形成一套完整的型钢混凝土粘结滑移理论。因此，对于型钢混凝土粘结滑移性能的研究还有待进一步完善。

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作者简介：朱瀛杰（1989-），男，上海崇明人，硕士研究生，主要研究方向：预应力型钢混凝土结构。