花纹方钢管-混凝土粘结滑移性能试验研究

戴吉祥，司天琪

（1.合肥工业大学，安徽 合肥 230009；2.新疆电力设计院，新疆 乌鲁木齐 830002）

花纹方钢管-混凝土粘结滑移性能试验研究

戴吉祥1，司天琪2

（1.合肥工业大学，安徽 合肥 230009；2.新疆电力设计院，新疆 乌鲁木齐 830002）

为研究花纹钢管与混凝土间的粘结滑移性能，进行了9个花纹方钢管混凝土试件的推出试验。通过测量荷载、加载端和自由端的钢管与混凝土间相对滑移，得出了试件受荷载过程的P-S曲线。通过对试验曲线的研究分析，结果表明花纹钢管对粘结强度有显著提高作用，为花纹钢管混凝土粘结强度的研究和应用提供依据。

花纹钢管；推出试验；P-S曲线；粘结强度

1 研究背景

钢管混凝土结构具有承载力高、塑性韧性好、抗震性能好、施工方便和经济效益好等优点[1]，近年来，其在工程中的应用逐渐增多,对钢管混凝土的理论研究也取得较大进展。钢管混凝土的钢管与核心混凝土间的协同互补作用是钢管混凝土具有一系列突出优点的根本原因，而钢管混凝土中钢管和混凝土间的粘结强度直接影响两种材料共同协同工作的程度，但是普通钢管与混凝土之间的粘结强度小，荷载作用下在二者界面上易产生相对滑移，从而降低钢管混凝土共同工作的性能并直接影响构件的承载力、变形和裂缝宽度。因此，钢管与混凝土间的粘结滑移性能一直是工程界较为关注的问题之一。

本文从施工方便、经济合理的角度，为在工程应用中能真正有效地通过钢管表面粗糙程度来增大钢管与混凝土之间的粘结强度，提出了将花纹钢板应用到钢-混凝土组合构件中的概念。设计了9个内置花纹的方钢管混凝土试件推出试验，以研究花纹方钢管和混凝土之间粘结强度与相对滑移的分布规律，以期为花纹钢板在钢-混凝土组合结构中的研究和应用提供参考。

2 试验概况

试验采用推出试验方法，具体加载装置如图1所示。试件垂直放置，试件上端钢管全截面承受自上而下的荷载，留有50mm长空钢管一端向上，凸出50mm混凝土一端向下。上端钢管用机床刨平，以减少偏心误差，并通过一块高强钢垫板与千斤顶接触，为加载端。下端混凝土与地面接触时用细砂找平，为自由端。在试验的加载端和自由端分别布置两个位移计，测量钢管相邻两个面滑移量，通过荷载传感器测外加荷载，试验结果由TDS-303便携式数据采集仪采集完成。

图1 试验加载装置

3 试验结果及分析

试验开始缓慢的加载，初期加载端与自由端均未产生滑移。荷载持续上升，大多数构件当荷载加载到20～50kN时加载端开始产生滑移，这时构件会发出微小的吱吱声。一开始加载端滑移很小，随着荷载的增加，加载端的滑移逐渐增大，而且自由端的也会产生微小的滑移。荷载继续加大，部分构件会发出“嗵”的一声响，这时就会发现在TDS-303便携式数据采集仪显示的荷载会较响声之前有所降低，此时无论是加载端还是自由端所产生的滑移都有明显的增加，分析认为是胶结力发生了破坏。部分构件没有此现象，胶结力的破坏现象不明显。随后的加载过程中，荷载可以继续上升，滑移值随着荷载增大，其增大的速度明显增大。加载到一定阶段后，荷载不再上升，而加载端和自由端的位移计读数仍在增加，此时判断可能是外包钢材与混凝土粘结界面发生了破坏，形成了极限粘结强度。到达极限荷载后，荷载开始出现下降趋势。此阶段加载端与自由端的滑移迅速增大，荷载的下降速度却相对缓慢。最后荷载趋于水平，形成一个明显的水平阶段，此时的粘结强度被称为构件的残余粘结强度，分析认为此时的粘结力是由残存的机械咬合力与界面摩阻力提供的。结束加载，试验结束，将试件卸下，观察加载完成后的试件，肉眼可以明显看到混凝土与外包钢之间发生的滑移，在构件周围发现由于摩擦挤压而形成的少许混凝土粉末，如图2所示。

图2 试件破坏形式

根据布置在推出构件加载端和自由端的力传感器和位移计，可以准确地测量出每个构件的荷载－滑移曲线（P-S曲线），如图3所示。由图3可知，试件在达到粘结破坏荷载前，具有较大的滑移刚度。

试验结果统计如表1所示。

试件几何尺寸、参数及试验结果 表1

试件粘结破坏时整个试件长度界面均发生粘结破坏，此时粘结破坏荷载Pu可认为是整个界面上的极限粘结力，因此τu可按下式计算：

式中：Pu为粘结破坏荷载；S为钢管和混凝土的接触面面积，S=4Dla，D、la分别为方钢管宽度与长度。

4 结果对比

图3 试件荷载－滑移曲线

将本次试验所得粘结强度的试验值与国内外相关规程[2-3]规定的粘结强度值进行比较，结果如图4所示,横坐标t为钢管壁厚。由图可见，采用内置花纹的方钢管可以明显提高钢管与混凝土之间的粘结破坏强度。

图4 粘结强度的比较

5 结论和展望

不同以往的试验，本次试验采用的是国标扁豆形花纹钢板。目前对于外包钢材与混凝土之间粘结滑移性能研究主要集中在光面钢板与混凝土之间的粘结性能，对于表面有花纹的钢板与混凝土之间的粘结滑移性能目前还没有相关的研究资料。试验采用花纹钢板可以有效的提高钢板与混凝土之间的粘结力，有利于充分发挥两组材料的性能，使两者更好的发挥组合作用，形成一个整体。试验结果表明，将花纹钢板引入钢管混凝土中，可显著提高钢管与混凝土界面上的粘结破坏强度，为花纹钢板在钢-混凝土组合结构中的研究和应用提供参考。

中国是一个国土面积大，但是人均自然资源相对匮乏的发展中国家。如何更好地进行可持续发展，一直是我国的基本国策。本次试验采用花纹钢板，对花纹钢板与混凝土之间的粘结滑移性能进行了研究。通过研究，可以发现采用花纹钢板作为外包钢材，可以大大提高钢材与混凝土之间的粘结力，可以大量的减少外包钢混凝土构件中抗剪连接件的数量，从而减少焊接的工作量。采用花纹钢板最为外包钢材，不但可以充分的发挥两种材料的性能，使其更好的形成一个整体，而且可以节省材料，缩短工期，减小施工难度，节约劳动力。有利于可持续发展，有利实现组合结构的住宅产业化，这与国家的政策是一致的，符合我国现在的国情。

[1]韩林海.钢管混凝土结构-理论与实践（第二版）[M].北京：科学出版社，2007.

[2]DBJ13-61-2004，钢-混凝土混合结构技术规程[S].

[3]Eurocode 4(EC4).Design of Composite Steel and Concrete Structures-Part1-1:General Rules and Rules for Buildings.Brussels：CEN, 2004.

TU317

A

1007-7359（2016）06-0137-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.052

戴吉祥（1988-），男，安徽凤阳人，毕业于合肥工业大学，硕士，助理工程师。