钢管混凝土界面黏结力的组成试验研究.pdf

1 32 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 文章编 号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 1 ) 1 1 0 1 3 2 0 3 钢管混凝土界面黏结力的组成试验研究 许开成 ， 陈梦成 ， 顾章) T 1 ( 1 南 昌大学 建筑工程学 院， 南昌 3 3 0 0 3 1 ； 2 华东交通大学 土木建筑学院 ， 南 昌 3 3 0 0 1 3 ) 摘要 ： 为 了探 索钢管混凝土界面黏 结力的大小及组成情况 ， 通过对 7根钢管内表面涂抹不同比例黄油的 钢管混凝土试件 的推 出试验， 对钢管混凝土中的界 面破坏机理、 黏结强度、 黏结力的组成情况进行研 究。 根据试验结果 ， 给 出了各个试件的荷载一 滑移曲线； 分析了钢 管混凝土黏结滑移变化过程和黏结力组成 情况； 得到了黏结力的大小及组成情况。 关键词 ： 钢 管混 凝 土 界 面 黏 结 力 荷载一 滑移 曲线 中 图分 类 号 ： T U 3 9 2 3 文献标 识码 ： A 钢管混凝土是钢与混凝土组合结构的一种主要结 构形式 ， 常用作受压构件。它把两种不 同性质的材料 结合在一起共同工作 ， 充分发挥了钢材受拉性能高和 混凝土受压性能好 的优点。它具有承载力高 、 塑性和 韧性好 、 抗震性能好、 经济效益显著和施工简便等许多 优点 ， 因而在工程 中得 到广 泛的应用 。 。钢管与核 心混凝土间的协同工作是钢管混凝土具有一系列突出 优点的前提 ， 而钢管和混凝土之间的黏结强度直接影 响到两种材料能否共 同协 同工作。在钢 管混凝土柱 上 ， 节点处传来的剪力也是通过界面黏结力从钢管传 到核心混凝土上。已有众多学者在黏结强度的影响因 素及机理方面进行 了研究 ， 本文从黏结应力 的组成方 面 进行 研究 。 1 界 面黏 结力 钢管混凝土组合界面的抗剪黏结力与钢筋和混凝 土之间的抗滑黏结力一样 ， 也是由三部分组成 ： 1 )水泥凝胶体 与钢管接触 表面之间的化学胶结 力 。胶结力是混凝土与钢管 内表 面的吸附力 ， 胶结强 度与混凝土 的性质有很大的关系， 如水泥用量 、 水灰比 等 。在钢管和混凝土发生 明显滑移之前 ， 主要是胶结 力起作用。混凝 土与钢 管表面之间的化学胶结力很 小 ， 在剪力不大的情况下就可 以使混凝土和钢管之 间 的胶结作用破坏， 当钢管和混凝土之间出现滑移后 ， 这 种胶结作用丧失并无法恢复。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 1 1 5； 修回 日期 ： 2 0 1 1 - 0 8 - 1 2 基 金项目 ： 国家 自然科学基 金 ( 5 0 9 6 8 0 0 6) ； 江西省基 金( 2 0 0 9 G Z C 0 0 2 1 2 0 1 0 E H A 0 1 7 0 0 ) ； 江西省教育厅项 目( G J J 0 8 0 5 0 1 ， G J J 0 9 6 6 4) 。 作者简介 ： 许 开成( 1 9 7 3 一) ， 男， 安徽东至人 ， 副教授， 博士研究生 。 2 ) 凹凸不平 的钢管 内表面与混凝 土之间的机械 咬合力。机械咬合力是钢管表面粗糙不平的部分被核 心混凝土楔入其 间， 由钢管与混 凝土咬合而实现 的。 因此， 其大小取决于钢管表面的粗糙程度和混凝土的 抗 剪强 度 。 3 )钢管与混凝土接触面之间的摩阻力。当钢管 与混凝土之间发生相对滑动后 ， 界面上的摩擦阻力开 始发挥作用 ， 摩擦力与接触面上 的法向应力及界面的 摩擦系数成正 比， 而界面上的摩擦系数则和钢管表面 的粗糙程度有关。 为 了研究 钢管 混凝 土界 面黏结力 的大 小及组 成情 况 ， 共进行了 7个钢管混凝土短柱的推出试验。 2 试验概 况 2 1试 验方 案 为了得到钢管与混凝土间黏结力三个部分的组成 情况， 共设计了 7个 圆钢管混凝土试件， 分别在钢管内 壁 不 同位置 ， 按 黏 结 界 面 长 度 的 0 ， 1 0 ， 2 0 ， 3 0 ， 5 0 ， 7 5 和 1 0 0 比例涂抹黄油， 以消除界面的胶结 力和机械咬合力。为模拟实际工况 ， 混凝土浇筑前 ， 对 钢管内壁进行 了简单的人工除锈。 采用人工搅拌配制混凝土， 设计强度为 C 4 0 ， 混凝 土配合 比为水泥： 砂： 碎石： 水 = 1 ： 1 1 0 ： 2 5 6 ： 0 4 0 。 浇筑时， 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 筑 的同时， 预 留 6块 1 5 0 m m1 5 0 m m1 5 0 m m标准立方体试块 ， 试件实 测标准抗压强度为 4 1 2 MP a 。试件采用 Q 2 3 5的直缝 圆钢管， 材料性质按有关规定进行拉伸试验测得 ， 钢材 的弹性模 量 E为 1 8 1 G P a ， 钢管屈 服强度 为 3 1 2 MP a ， 钢管极 限强度 为 3 8 6 MP a 。试件参数见表 1 。 2 0 1 1年第 1 l期 钢管混凝土界面黏结力 的组成试 验研 究 表 1 试件参数 2 2试验加载装置 试 验 在 华 东交 通 大学 结 构 实 验 室 5 0 0 0 k N 压 力 试验机上进行 ， 数据采集利用的是 D H 3 8 1 5 N分布式静 态应 变 测试 系统 。试 验 采 用 分 级加 载 ， 推 出试 验 的装 置如图 1所示 。在加载端的混凝土面上铺上一层湿 的 ( a ) 加载 示意 细沙 ， 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 1 5 2 mm， 略小于钢管 内径 ， 两边 距离钢管有 2 3 m m的间隙。 2 3加载 方法 在试验的准备阶段 ， 先在钢管的 四个面上做好标 记， 画好中轴线 ， 并且在台座中央也预先画好钢管放置 的具体位置 ， 使试件 中心和加载 中心保持在 同一条中 垂线上 ， 以防止试件发生偏心受压。加载时 ， 先预先加 载 5 k N， 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 ， 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 1 0， 加载速度控制在 5 0 0 N s ， 每级荷载持 荷 2 3 m i n ， 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 2 0 0 N s ， 缓慢连续加 载直至黏结作用彻底破坏。 图 1 试 验加 载装 置 在混凝土加载端两侧分别布置 了一个百分表 ， 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 载一 滑 移 曲线 。 3试验结果分析 3 1 荷载 滑移 P s曲线 钢管混凝土 推 出试件 荷 载一滑移 曲线 ( P s曲 线 ) 如图 2所示。从 图 2可 以看 出， P s曲线 由直线 上升段 、 曲线上升段 、 曲线下降段和平稳段 四部分 组 成 。 1 ) 直线上升段。在荷载 的作用下 ， 核心混凝土受 压而横 向膨胀 ， 外钢管会对其起 约束作用， 因此 ， 能一 定程度地提供使钢管与核心混凝土产生黏结作用所需 ( b 1 试验实况 藿 1 O 2 O 3 O s mm 图 2 推 出试验 的 P s曲线 要的压应力 ， 使 界面上 的混凝土与外钢管接触紧密 。 在荷载较小时 ， 界面端部的滑移量很小 ， 而在试件 中 部 ， 钢管与混凝土之间还没产生滑移 ， 此时 ， 界面黏结 力主要由化学胶结力和部分机械咬合力组成。钢管与 混凝土的相对滑移主要是界面层的剪切变形 ， 且黏结 二 二 = 1 3 4 铁道建筑 应力随界面层剪切变形 的增加而线性增加。随着界面 脱黏 比例的增加 ， 此 阶段曲线 的斜率呈下 降趋势。其 主要是 由于界面涂抹黄油使化学胶结力无法存在 。 2 ) 曲线上升段 。当荷载增 加到某一值 时， 钢管与 混凝土界面层混凝土被剪断或挤碎 ， 破损混凝土的体 积因含有间隙而较原来完好混凝土层的大， 从而在界 面上 ， 钢管对核心混凝土产生提供黏结作用的压应力。 随着荷载的增大 ， 混凝土界面上的破损层厚度 、 颗粒大 小均发生改变， 混凝土与钢管之间的压应力也 随之改 变。界面层产生的微裂缝随荷 载增加而发展， 导致界 面黏结滑移 刚度开始退化。一旦界 面层发生剪切破 坏， 钢管与混凝土在整个传递长度上发生相对滑移 ， 胶 结力即全部丧失。此时 ， 界面黏结力 由机械咬合力和 摩阻力承担 ， 界面黏结应力达到局部黏结强度 ， 对应此 阶段的界面相对滑移包括界面层的剪切变形和钢与混 凝土之间的微动。随着脱黏比例 的增加， 极限承载力 越小 ， 全部抹油试件的极 限承载力只有未抹油试件 的 1 4 ， 主要是 由于抹 油部分的摩擦 系数很小 ， 黄油填充 了钢管与混凝土上的凹凸， 机械咬合力较小。 3 ) 曲线 下降段 。随着荷 载 的增 加 ， 滑移继 续增 大 ， 在接点处 ， 较硬微凸峰挤压较软微 凸峰 ， 使其发生 断裂 ， 较软面受 到磨损而形成磨 屑， 且沉积在硬表 面 上 ， 界面摩擦系数下降。随着荷载的进一步增加 ， 软微 凸峰不断断裂 ， 磨屑越积越多， 机械咬合力逐渐丧失 ， 界面黏结力将转为由钢管与混凝土之间的摩阻力和残 存的机械咬合力负担 ， 随着滑移的增大 ， 机械咬合力最 终全部失效 ， 界面上 的黏结力全部 由摩阻力承担。此 阶段 ， 脱黏 比例较少的试件下降得速度较快 ， 而脱黏比 例较大的部分下降得比较平缓。 4 ) 平稳段 。此阶段 ， 钢管与混凝土界面摩擦磨损 已基本稳定 ， 界面上的正应力以及 由其引起 的摩擦阻 力接近于恒值 ， 黏结应力趋 于稳定 ， 但滑移继续增加。 尸 一s曲线接近于水平直线。 3 2 界 面黏 结 力的大 小与组 成 钢管混凝 土推出试件极限荷载及平均界面黏结强 度及黏结力 的组成如表 2所示 。其 中， P 为极限荷 载， r 为平均黏结强度 ， z 为黏结界面黏结长度 。试验 中， 界面抹油的部分化学胶结力可忽略不计 ， 只有 摩擦力 和机械咬合力 P ， 未抹油的试件界面黏结力 由化学胶结力 P 、 摩擦力 P 和机械咬合力 P 组成 ， D 为钢 管直径 。胶 结力 在 黏 结力 中所 占 比例 很 小 ， 当界 面有相对滑动后 ， 胶结力即失效 ， 在试验的黏结强度中 主要有界面摩擦力和机械咬合力 的贡献。 表 2 试验结果及界面黏结力的组成 从试验结果来看 ， 机械咬合力在黏结力中所 占的 比例在 2 0 3 0 之间 ， 摩擦力在界面黏结力中 占主 要部分。随着界面脱 黏比例的增加 ， 咬合力 占黏结力 的比例有减少的趋势。根据表 2可知 ， 不经过处理 的 钢管与混凝土界面平均摩擦应力为 0 8 0 9 MP a ， 涂 抹黄油的界面摩擦应力为 0 2 0 3 MP a 。 4 结论 通过对 7根不同初始脱黏的钢管混凝土试件 的推 出试验及承载力组成分析 ， 得到如下结论 ： 1 ) 钢管混凝土界面黏结力由化学胶结力、 摩擦力和 机械咬合力三部分组成， 化学胶结力在有相对滑移时即 消失， 摩擦力 占主要部分， 机械咬合力占2 0 3 0 。 2 ) 不经处理 的钢管混凝土界面平均黏结强度为 1 2 1 3 MPa。 3 ) 随着钢管内壁与混凝土脱黏比例的增加， 界面黏 结强度越小 ， 界面全部脱黏的钢管混凝土构件 ， 界面上 只有摩擦力存在， 平均黏结强度为 0 3 0 4 M P a 。 参 考 文 献 1 赵 鸿 铁 钢 与 混 凝 土组 合 结 构 M 北 京 ： 科 学 出版 社 ， 2 001 2 钟 善桐 钢管混凝土结构 ( 第三版 ) M 北 京 ： 清华 大学 出 版社 ， 2 0 0 3 3 吕西林 ， 金 国芳 ， 吴 晓函 钢 筋混凝土结 构非线 性有限元 理 论及分析 M 上海 ： 同济大学出版社 ， 1 9 9 7 4 蔡绍怀 现代钢 管混凝土结构 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 03 5 康希 良， 赵鸿铁， 薛建阳， 等 钢管混凝土黏结滑移问题综述 分析 J 西安建筑科技大学 学报(自然 科学版 ) ， 2 0 0 6 ， 3 8 ( 3 ) ： 3 21 3 25 6 陈志华 ， 曲秀妹 ， 王小盾 ， 等 方钢管混凝土界面承载力 的试 验研 究 J 哈尔滨工业 大学学报 ， 2 0 0 9 ， 4 2 ( 1 0 ) ： 2 7 3 2 ( 责任审编 白敏华)