高温下型钢混凝土构件粘结性能研究.pdf

5 6 低温建筑技术 2 0 1 3年第 3期( 总第 1 7 7期 ) 高温下 同皿 I 、 型钢混凝土构件粘结性能研究 徐艳 ( 同济大学建筑工程 系， 上海2 0 0 0 9 2 ) 【 摘要】 型钢混凝土柱在很多国家得到普遍使用， 本文从目前型钢混凝土国内外研究现状出发， 通过对国 内外研究学者的研究成果进行分析 ， 指出当前型钢混凝土粘结性能研究存在的不足， 进一步对型钢混凝土粘结性 能的热点问题做了研究。通过 1 1 个型钢混凝土柱试验( 包括 3个未加热试件和 8个在 I S O 8 3 5标准火灾中加热 9 0 mi n或 1 8 0 m i n试件) ， 研究了火灾下型钢混凝土的剩余粘结性能。 【 关键词】 火灾后型钢混凝土； 研究现状 ； 粘结性能 【 中图分类号】 T U 3 7 5 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 5 6 0 3 型钢混凝土结构刚度大、 强度高且有 良好的耗能性及 延性 ， 大大节约了用钢量， 经济性很明显， 在很多国家得到 了广泛使用， 包括中国、 日本和美国。型钢混凝土结构是 由 按一定 比例的型钢和混凝土两种材料组合 的承受外载构 件， 它们之间的有效粘结和剪力连接件的作用使得它们能 够共同工作， 使接触面实现应力传输变成可能。因此 ， 研究 型钢混凝土的粘结作用强度， 对优化其强度设计具有重要 意义 。 1 型钢混凝土粘结性能的研究 ( 1 ) 型钢混凝土粘结滑移试验方法。国内外对型钢 混凝土粘结强度的试验研究已有几十年， 主要试验方法有 压入试验和短柱试验。短柱试验更接近于型钢混凝土的真 实状况， 但由于试件长度与真实结构相 比要短很多， 从而使 一 部分外荷载从型钢和地面的接触面传递出去， 与真实状 况下粘结传递充分的构件有不同， 压入试验能很好地反映 粘结滑移的受力状态， 较好地确定型钢混凝土粘结强度和 刚度 ， 是型钢混凝土粘结滑移试验中常用的方法。 ( 2 ) 型钢混凝土粘结性能研究现状。很多研究学者 对型钢混凝土粘结性能做 了大量工作【 l 】 ， 等人通过对上 海 9 6层环球金融中心大厦工程作为研究背景， 对 7个混凝 土强度为 1 2 8 0的型钢混凝土柱试件放入加载装置中进行压 入试验。猜测 出型钢表面应变的是指数函数 ， 得出型钢表 面沿长度方向粘结应力的分布公式。 赵鸿铁 通过设计制作 2 0个型钢混凝土试件， 进行短 柱试验 ， 统一考虑混凝土强度、 横向配箍率及型钢埋置长度 等 4个因素对翼缘内、 外侧和腹板的粘结区别等工况， 试件 混凝土采用水平浇筑， 得出了每个因素对各状态下例如初 始滑移状态、 极限状态和水平残余状态的平均粘结强度的 影响。赵根田、 杨丽梅 等通过对 1 1 个压入试件进行加载 研究， 从型钢的应力应变状态考虑 ， 对试验结果统计 回归得 出型钢翼缘和腹板的粘结应力分布和型钢表面应变分布表 达式。文献 5 把型钢翼缘和腹板处的粘结应力区别开来， 但是它在使用上具有一定的局限性， 没有考虑型钢与混凝 土间的滑移。国内不同学者结合的型钢一混凝土粘结滑移 关系统计参数模型， 经比较分析可以看出， 不同学者建立的 型钢混凝土粘结强度的模型差异性仍然较大， 比较各 自的 优劣性以及完善统一的研究成果还有待大量的理论分析、 试验研究和工程实例验证。 2 高温下的型钢混凝土剩余粘结性能 近年来因型钢混凝土的普遍使用， 在火灾作用下的型 钢混凝土的破坏已成为不断增加的威胁之一， 故高温下型 钢混凝土的粘结性能 已成 为研究 的热点。一些试验 和分 析 对型钢混凝土的抗火性和节点的研究作了论述， 型钢混凝 土的抗火性能与其在高温下的剩余粘结性能密切相关 ， 本 文就对暴露在火中的被包裹住的型钢和混凝土的剩余粘结 性能进行了研究。一共做了 1 1 个试件， 包括 3个未加热试 件和 8个暴露于国际标准 I S O 8 3 4规定的标准火灾下 9 0 m i n 和 1 8 0 m i n ， 研究了火灾中暴露时间、 混凝土保护层厚、 混凝 土强度和箍筋布置对火灾中型钢混凝土粘结性能的影响。 型钢采用 8 0 mm X 1 4 0 ra m的工字钢， 混凝土强度采用 6 3 3 MP a和4 6 I MP a 两种混凝土， 混凝土保护层厚度采用 6 0 ra m和 8 0 m m两种混凝土保护层厚度， 箍筋配置采用 A 8 1 2 0 、 A 1 0 7 5两种形式箍筋， 通过压入试验记录了型钢 混凝土的 r s 曲线， 试件各参数见表 1 。 精通 M 北京： 机械工业出版社， 2 0 1 0 2 东南大学， 同济大学， 天津大学合编 混凝土结构上册混凝土 结构设计原 理( 第 四版) M 北京： 中国建筑工业 出版 社 。 2 0 0 8 3 罗旗 帜 ， 李 新平 桥 梁工 程 M 广 州 ：华 南理 工大 学 出版 社 ， 2 0 0 6 4 王伟 ， 赖永星 ， 苗 同臣等 振 动力学 与工 程应用 M 郑州 ： 郑 州大学 出版社 ， 2 0 0 4 5 郝文化， 叶裕明， 刘春山等 A N S Y S土木工程应用实例 M 中 国水利水 电出版社 ， 2 0 0 7： 2 0 4 2 3 4 收稿 日期 】 2 0 1 21 12 9 作者简 介】 李辉( 1 9 8 7一) ， 男 ， 河 北保定人 ， 硕士研究生 。 研究方向 ： 桥梁与隧道工程。 徐艳 ： 高温下型钢混凝土构件粘结性 能研究 5 7 2 1 试验安排和装置 型钢混凝土压入试验装置如图1所示 ， 试件垂直立在刚 性支撑上 ， 型钢混凝土底部与刚性基础充分接触。钢铁块 安装在型钢截面的顶部 ， 在位移控制下， 钢铁块 以位移速率 1 mm m i n向下压入。三个线性位移计布置如图 1所示， 位 移计 1 和位移计 2用来测量在加载端顶部的位移， 位移计 3 用来监测在底部 自由端的位移， 并 实时记 录型钢混凝土表 面的平均粘结应力。沿型钢核心长度变化的粘结应力没有 测量有以下两个方面原因： 一是在火灾后埋在混凝土的型 钢不能保证正常的应变状态， 另一方面这种分布在过去的 试验研究中已得到很好的解释， 大多数研究表明沿型钢长 度方向上的粘结应力符合指数分布， 并且在高温混凝土收 缩影响下 ， 型钢外表面的最大粘结应力 比在翼缘 间型钢核 心区粘结应力要大很多。 表 1 试验试件参数及结果 位 自 图l 压人试验装置 2 2 试验结果分析 ( 1 ) 试验现象和结果。在整个试验过程中， 试件外表 面没有明显的改变。在试验结束后， 在型钢外表面有一些 明显的摩擦痕迹 ， 在试件上部和底部 ， 型钢翼缘附近， 表面 横截面混凝土有几条很小的裂缝， 这些裂缝类型已被很多 研究者观察和记录， 这是由于型钢混凝土泊松效应对横向 截面的影响。对于放入火中 1 8 0 m m的试件 ， 有一到两条与 型钢腹板平行的主要裂缝 ， 该裂缝存在于型钢混凝土底部， 在试件顶部没有此类裂缝 ， 这是因为越靠近底部 ， 越大的加 载力从型钢传递到混凝土上 ， 导致出现较大的裂缝。 平均粘结应力 ， 是将加载力除以总共的外表面积， 用来 表征型钢与混凝土的粘结性能。尽管在加载端和 自由端的 滑移值在此试验中被测量 ， 还是发现在到达粘结应力极值 时存在明显的不同。用加载端的滑移值来表征型钢混凝土 的粘结性能， 试验测得最大加载力( u ) 、 最大平均粘结应力 ( r ) 、 相关极限滑移值( S 。 ) 见表 1 。 ( 2 ) 过火时间的影响。图 2显示 了过火时间对粘结 滑移曲线( rs ) 和极限粘结应力 r 的影响， 可以看出试件 暴露在火中会导致粘结强度和刚度的明显下降 ， 粘结应力 最大值会下降 6 7 3 8 9 6 。暴露在火中也对 r s曲线 的形状产生影响， 如图 2所示。对于未加热的试件， 在较小 的滑移量时粘结应力就到达最大粘结应力 ， 随后伴随着粘 结应力快速下降到一个稳定 的水平。与此相反， 过火后损 伤的混凝土极限粘结滑移较大， 下降更加平缓。图2中还显 示暴露于火中9 0 rai n到 1 8 0 ra i n ， 极限粘结应力会发生增加 ， 这是因为在温度低于 4 0 0 C时， 未加载的混凝土会发生收 缩， 而在高于 4 0 0 C时， 混凝土或发生膨胀， 而在暴露于火中 1 8 0 rai n时型钢混凝土温度会高于 4 0 0 C， 导致混凝土膨胀 ， 增加型钢与混凝土的摩擦 ， 使粘结应力提高。 ( 3 ) 混凝土保护层厚度的影响。混凝土保护层厚度 参数是影响常温型钢混凝土柱粘结性能的重要 因素。对于 过火损伤的试件， 混凝土保护层会在火灾中破坏， 其限制能 力和水平位移都会产生很大降低。从图3可发现过火后的 保护层厚度为 6 0 mm和 8 0 m m的型钢混凝土粘结强度大致 一 样 ， 混凝土保护层厚度对过火后粘结性能影响不大。 ( 4 ) 混凝土强度的影响。对于普通型钢混凝土柱 ， 粘 结应力 会随着混 凝土强 度的提 高而提高。将 图 2示 的 S R C 1 - 9 0与 S R C 4 - 9 0、 S R C 1 1 8 0与 S R C A一 1 8 0比较可以看出 不同混凝土强度对型钢混凝土粘结应力的影响， 通过反复 比较 ， 混凝土强度越高过火型钢混凝土粘结强度越低， 粘结 性能退化越明显。