型钢轻骨料混凝土粘结强度研究.pdf

第 3 6卷第 6期 2 0 1 0年 1 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 2 7 型钢轻骨料混凝土粘结强度研究 张建文 ， 王芳 ( 1 南 阳理工学院土木工程系 ， 河南 南阳4 7 3 0 0 0 ； 2 南阳市建筑设计研究院， 河南 南阳4 7 3 0 0 0 ) 摘要： 通过正交试验设计， 由推出试验研究了型钢轻骨料混凝土的平均粘结强度和局部粘结强度。根据试验结果 ， 拟合了 平均粘结强度表达式， 得到了局部粘结应力最大值和混凝土立方体抗压强度的关系。基于所得平均粘结强度， 推导了临界锚 固长度和极限荷载表达式。临界锚固长度计算中提出了临界锚固长度系数， 当混凝土保护层厚度、 配箍率和混凝土强度不变 时， 不同型号工字钢临界锚固长度系数取值趋于一致， 临界锚固长度系数的引入可用于计算锚固长度的上限值， 并对影响临 界锚固长度的因素进行了探讨。极限荷载的理论值和试验值吻合较好， 可用于型钢轻骨料混凝土构件自然粘结力估算。 关键词 ： 型钢 ； 轻骨料混凝土 ； 粘结强度 ； 临界锚 固长度 ； 极 限荷 载 中图分 类号 ： T U 3 7 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 2 7 0 4 Ex p e r i me n t a l s t u d y o n b o n d s t r e s s o f s t e e l r e i n f o r c e d l i g h t we i g h t c o n c r e t e Z HANG J i a n we n W ANG F a n g ( 1 D e p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e rin g ， Na n y a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y U n i v e r s i t y ， N a n y a n g 4 7 3 0 0 0， Ch i n a ； 2 N a n y a n g A r c h i t e c t u r a l D e s i g n R e s e a r c h I n s t i t u t e ， N a n y a n g 4 7 3 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： B a s e d o n t h e p u s h o u t t e s t s o f s t e e l r e i n f o r c e d l i g h t we i g h t c o n c r e t e s p e c i me n s ， a v e r a g e b o n d s t r e n g t h a n d l o c al b o n d s t r e n g t h a l e s t u di e d b y o h o g o n al e x p e rime nt a l d e s i gn Ac c o r d i ng t o t h e t e s t c o n s e q u e n ce s， e qu a t i o n s o f a v e r a g e b o n d s t r e s s， r e l a t i on s hi p b e t we e n t h e ma x i mu m l o c a l b o n d s t r e s s a n d c o n c r e t e c u b i c c o mp r e s s i o n s t r e n g t h a r e p r o p o s e d T h e c rit i c a l a n c h o r a g e l e n gth a n d u l t i ma t e l o a d f u n c t i o n s a r e d e ri v e d i n r e s p o n s e t o t h e a v e r a g e b o n d s t r e s s Th e c o e ffic i e n t o f c ri t i c a l anc h o r age l e n g t h i s i n t r o d u c e d i n c a l c ula t i o n t h e c ri t i c a l anc h o r a g e l e n g t h ， a n d ma j o r f a c t o r s t h a t a ff e c t t h e c r i t i c al anc h o r a g e l e n gt h a r e als o a n a l y z e d T h e c o e f fi c i e n t v a r i e s i n a s m a l l r a ng e f o r d i ffe r e n t I s t e e l whe n c o n c r e t e c o v e r s t i r r u p r a t i o a n d c o n c r e t e s t r e n g t h a r e c o ns t a nt v a l u e s， t he n i t c a n be u s e d t o c alc ula t e u pp e r l i mi t o f c rit i c a l a n c ho r a g e l e ng t h Th e ult i ma t e l oa d s f r om f o r mulas a g r e e we l l wi t h t h e t e s t r e s u l t s a n d n a t ur e b o n d l o a d c a n b e e s t i ma t e d b y t h e t h e o r y f u n c t i o n Ke y wo r d s ： s h a p e d s t e e l ； l i g h t w e i g h t c o n c r e t e ； b o n d s t r e n g t h； c ri t i c a l a n c h o r a g e l e n gth； u l t i ma t e l o a d 0 引 言 型钢混凝土粘结强度是其粘结滑移性能的一项 重要指标， 国内外学者对此进行 了一些研究 ， 得到了 粘结强度表 达式、 相关影 响 因素 和机理 分析等 成 果 ， 但这些成果还未完全取得一致结论 。例如， 平均粘结强度取值、 极 限粘结强度影响因素、 局部粘 结强度表达式 、 自然粘结力估算及合理锚 固长度确 定等问题 ， 还没有好 的解决。型钢轻骨料混凝土结 构是一种新型结构形式 ， 具有质轻 、 高强、 抗震性 能 好等优点 ， 这种结构形式 同样存在粘结滑移 问题。 目前， 关于型钢轻骨料混凝土粘结滑移性能的研究 开展较少 ， 而其粘结强度和本构关系的建立是有 限 元分析和理论分析 的关键 。为推动这种结构形 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0 4 - 2 5 作者简介 ： 张建文 ( 1 9 7 3一) ， 女 ， 河 南南 阳人 ， 博士 ， 副 教授 ， 主要 从 事结构工程 研究 。 Ema i l ： h n n y z j w 1 2 6 c o m 式在理论分析和实 际工程中的应用， 需要 了解其粘 结强度及相关性能。 1 试验概况 采用正交试验设计， 设计参数为锚固长度 、 混凝 土强度、 配箍率和保护层厚度 ， 试件参数见表 1 。试 件箍筋 为 H P B 2 3 5 ， 纵筋为 HR B 3 3 5 ， 型钢采用 I l O 。 推出试验装置如图 1 所示。 表 1 试件参数 Ta bl e 1 Spe ci me n pa r a m e t e r s 2 8 四川建筑科学研究 第3 6 卷 图 1试 验装 置 F i g 1 Te s t s e t 2 平均粘结强度 2 1 平均粘结应力 一加载端滑移 S 曲线 对锚固长度为 Z 。 的试件， 平均粘结应力 可 由 总外载 P除以混凝土内型钢总表面积 f 0得到， 0为型钢截面总周长， 即平均粘结应力为 丁=P l 。 0 ( 1 ) 试验结果表明： 试件 L l ， L 2， I J 3 ， L 4， L 7 ， 发生 劈裂破坏； 试件 L 5 ， L 6和 L 9发生推出破坏 。各试 件 r 一s 曲线如图 2所示。 S Lmm ( a 】 劈裂破坏 0 2 4 6 8 St m ( b ) 推出破 坏 图 2 试件 r 关 系曲线 Fi g 2 Jr SL r e l a tion s h i p c ur ve o f s pe c i me ns 图 2表明： 当达到极限粘结强度时， 由于混凝土 劈裂 ， 化学胶结力完全丧失， 劈裂破坏有明显的下降 段， 直至界面机械咬合力保 留的残存粘结强度。推 出破坏达到极限粘结强度后 ， 由于混凝土受到较好 的约束 ， 界面摩擦力和机械咬合力提供 的粘结力能 够抵抗不断增大的滑移而承载力降低不多。极限荷 载对应的平均粘结应力记为丁 ， 在工程应用中 ， 一般 以此强度作为型钢轻骨料混凝土的粘结强度 ， 粘结 强度是评判结构或构件是否发生粘结破坏 的力学指 标 。 2 2粘结强度正交分析 对粘结强度进行影响因素分析 ， 可为科学地建 立粘结强度公式提供依据。为判别各影响因素对极 限粘结强度影响的重要性， 对试验结果进行正交分 析。从极差的大小可以看出哪个因素对极限粘结强 度的影响大 ， 哪个 因素影响小。锚固长度对极 限粘 结强度的极差可以达到 0 9 1 M P a ， 而保护层厚度对 极限粘结强度的极差只有 0 1 1 M P a 。因此， 锚 固长 度对平均极限粘结强度的影响最重要 ， 其次是箍筋 配置量， 再次是混凝土强度， 最后是保护层厚度。平 均极限粘结强度的确定 ， 要优先考虑锚固长度、 箍筋 配置和混凝土强度的影响。 2 3平均粘结强度公式 通过粘结强度各影响因素分析， 根据试验结果， 可拟合 出极限粘结强度 丁 计算表达式。 = ( 0 1 4 2 +0 1 5 6 C d +0 6 5 d l ) + 0 8 6 p ( 2 ) 该公式综合考虑了混凝土强度、 保护层厚度、 锚 固长度和配箍率的影响， 适用于两种破坏形式粘结 强度的计算。 3 翼缘局部最大粘结强度 根据型钢微段受力平衡 ， 由实测的型钢表面应 变可得局部粘结应力。计算分析表明 ： 型钢与轻骨 料混凝土腹板局部最大粘结应力为 1 8 3 6 M P a ； 翼缘局部最大粘结应力为 2 5 4 9 MP a ， 极限粘结 强度平均值为 0 92 8 3 MP a 。试验数据表 明： 型 钢轻骨料混凝土局部粘结应力最大值并不 比普通混 凝土低 ， 试验数据的离散性较大。型钢翼缘局部粘 结应力最大值 7 f , m a x 与混凝土立方体抗压强度 的 关系如图 3 所示 ， 本试验为轻骨料混凝土， 其他为型 钢普通混凝土 ， 可给出二者的关系式 ： 丁f = 0 o 9 f o 一0 0 5 ( 3 ) 图 3型钢翼缘局部最大粘 结应 力与 关 系 Fi g 3 Th e ma x i mu m l o c a l b o n d s t r e s s o ffl a n g e a n d curve 试验结果表明 ： 局部粘结应力最大值不仅和混 凝土强度有关 ， 而且和混凝土的约束情况及保护层 厚度有关。由于本试验数据有限 ， 还需要更多的试 验数据来进一步完善局部粘结应力最大值公式。该 翼缘部位局部粘结应力最大值公式可作为参考。 4临界锚固长度 4 1 临界锚 固长度定 义 当型钢屈服的同时粘结锚固破坏发生， 此特定 状态称为粘结锚固极限状态 ， 此时的锚 固长度定义 张建文， 等： 型钢轻骨料混凝土粘结强度研究 2 9 为临界锚固长度 z 极限状态时 ， 界面上的粘结锚 固力 P 与型钢截面的屈服力 P 相等。仅考虑 自 然粘结力时 ， P 和 P 由下式计算 ： P = ( 4 b f +2 ) Z ( 4 ) P ，。 = A ( 5 ) 式中 。为型钢屈服强度设计值 ， 计算 中取翼缘和 腹板屈服强度相等； 为极限粘结强度平均值， 按 ( 2 ) 式计算 ； A 为型钢截面面积。 4 2临界锚固长度系数 型钢混凝土组合结构技术规程规定型钢的最小 保护层厚度为 5 0 mm， 由式 ( 4 ) 和式 ( 5 ) 相等， 仅考 虑 自然粘结力做贡献时， 可计算 出不同型号工字钢 在不 同配箍率、 不 同混凝 土强度下的临界锚 固长度 2 为便于工程应用 ， 引入型钢 临界锚固长度系数 。 ，令 ： f Z 。 = J了 y , s f ( 6 ) t 式 中符号规定同前 ， 为混凝土抗拉强度设计 值， 由 z 可计算出 O t 。表 3为保护层厚度 5 0 mm， 采用 Q 2 3 5钢 ， 配箍率 为 0 2 ， 0 4 和 0 6 时不 同混凝土强度等级下的型钢锚固长度系数表。 表 3 系数 Ta bl e 3 c o e ffi c i e nt ! ： 竺 O 2 0 710 8 O O 7 7 0 8 9 O 8 OO 9 4 O 8 0 O 9 7 O 4 0 4 20 48 0 480 5 6 0 5 00 61 0 5l0 6 4 0 6 0 3 00 3 4 O 3 5 0 4 】 0 3 70 45 0 3 8 O 48 表 3表 明： 当采用 Q 2 3 5钢 ， 保护层 为 5 0 I l l l n 时， 不 同型号工字钢在相 同配箍率和混凝土强度下 ， 锚固长度系数在某一数值范 围变化 ， 趋于相同。相 同条件下 在 I 2 2 b I 4 0 c之 间取值稍大， 两头取 值稍小 。 华 中科技大学 对型钢 ( 角 钢) 埋人混凝土 中 试件进行了一系列抗拔破坏试验 ， 建议 了配有箍筋 试件的角钢与 C 1 5 - 混凝土的最小锚 固长度计算公 式， 对 Q 2 3 5钢其锚固长度系数为 0 4 6 5 6 ， 与本文配 箍率为 0 4 ， L C 2 0混凝 土 时的锚 固系数取值 一 致 。 4 3临界锚固长度影响因素分析 图4 ， 5分别给出了临界锚 固长度系数 。 。 及相 关因素。 4 3 1混凝 土强度 图 4给出了不同配箍率下 1 1 8的临界锚固长度 系数随混凝土强度的变化图。混凝土强度提高， 平 均极限粘结强度提高 ， 临界锚固长度减小 ， 而锚 固长 度系数增大。其他型号工字钢规律相同。 l 5 2 O 25 3 0 3 5 4 0 45 5 0 5 5 ， 曲， MP a 图 4 与配箍率相 关 Fi g 4 Co r r e l at i on c ur v e of and s t i r r up r a t i o 1 5 2 0 25 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 MPa ( a ) O 2 图 5 。 。 与保护层厚度相关 Fi g 5 Cor r e l a tion c ur v e o f a nd c o nc r e t e c ov e r 4 3 2配箍 率 图4 ， 5同时表明： 随配箍率增加， 型钢锚固长度 系数明显减小 。实际工程中， 型钢混凝土构件 的配 箍率一般为 0 2 1 2 。本试验发现 ， 增大配箍 率可以提高型钢轻骨料混凝土的极限粘结强度和延 性 ， 使临界锚固长度减小。相关研究认为 ， 增大配箍 率对极 限粘结强度影 响不大 ， 但对于型钢轻骨料混 凝土而言， 增大配箍率有利于其粘结性能。本试验 建议 ， 在不影响其施工方便的条件下 ， 配箍率不宜过 小 ， 宜 大于 0 4 。 4 3 3保 护层厚 度 增加保护层厚度可提高极限粘结强度， 从而使 四川建筑科学研究 第 3 6卷 临界锚固长度系数减小。I 4 0 c临界锚 固长度系数 随保护层厚度和配箍率的变化如图 5所示。随配箍 率增加， 保护层厚度对临界锚固长度系数取值影响 减小， 不仅 浮动范 围变小， 而且在相 同混凝土强 度等级时， 3 种保护层厚度下 取值更加接近。因 此 ， 当配箍率较大 ( 大于 0 6 ) 时 ， 增加保护层厚度 对临界锚固长度意义不大， 其他型号工字钢规律相 同。 4 3 4型钢屈服 强度 采用 Q 3 4 5钢时 ， 型钢锚固长度系数 变化不 大 ， 比按 Q 2 3 5钢的平均值仅增大 0 0 2 。 工字钢型号对临界锚固长度系数 O t 影响不大 ， 但随工字钢尺寸增大临界锚 固长度增大。 4 4锚 固长 度取值 探讨 计算表明： 当采用 Q 2 3 5钢， 混凝土保护层厚 5 0 Y I I 1T I ， 配箍率为 0 4 时 ， 不 同混凝 土强度 和不 同型 号工字钢的临界锚 固长度范 围为 5 5 91 8 9 1 mm。 只靠 自然粘结作用来传递剪力所需 的传递长度较 长， 很难满足实际工程的要求。而且， 在临界传递长 度内的加载端可能会由于粘结失效而先破坏 ， 因此 ， 临界锚固长度可作为锚固长度取值上限。当在锚固 长度内的 自然粘结力满足承载力 的要求时， 可以不 设置剪力连接件。实际工程 中， 可根据需要在节点 区的型钢上设置内隔板或栓钉等构造措施， 以保证 梁端或柱脚剪力的有效传递。文献 1 ， 1 0 建议， 工 字钢锚固长度取型钢 自身断面高度。那么考虑 自然 粘结力时， 建议型钢轻骨料混凝 土构件锚固长度 Z 的合理取值范围为 ： d2 。l ( 7 ) 式 中d为型钢截面高度 ， 在此长度内可认为粘结 应力能够有效传递。 5 极 限荷载 由( 4 ) 式可计算 出各试件 的极限荷载 P 。表 4 给出了极限荷载试验值 P 、 计算值 P 及比较。 表 4 极 限荷载 比较 Ta b l e 4 Co mp a r i s o n f o r l i mi t l o a d Pm k N 2 5 0 4 0 0 31 8 9 5 4 _4 7 3 6 1 1 6 0 3 0 7 3 7 2 ：丝 ： ! ： ! ： ： 丝 ! ： ! ： 垄 ： ! ： 极限粘结强度下的极限荷载与试验值之比的平 均值为 1 O 6 ， 标准差为 O 2 4 。因此 ， 可以用极限粘 结强度平均值对 自然粘结力提供的极限荷载进行估 算 。 6 结论 ( 1 ) 锚固长度对平均极 限粘结强度影响最大 ， 其次是箍筋配置量， 依次是混凝土强度和保护层厚 度 。由此 ， 建立了四因素影响下的平均极 限粘结强 度表达式。 ( 2 ) 给出了翼缘表面局部粘结应力最大值和混 凝土立方体抗压强度的关系。 ( 3 ) 引入临界锚固长度系数计算型钢轻骨料混 凝土的临界锚固长度。分析了混凝土强度、 配箍率、 保护层厚度和型钢屈服强度对临界锚固长度系数的 影响。该临界锚固长度可作为锚 固长度 的上限， 建 议了型钢轻骨料混凝土锚 固长度的合理取值范围。 ( 4 ) 由极限粘结强度平均值给出了极限荷载公 式 ， 该公式可用于估算 自然粘结力。 参 考 文 献： 1 R o e d e r C W， R o b e r t C S h e a r e o n n e c t o l7 r e q u i r e me n t s f o r e m b e d d e d s t e e l s e c t i o n s J J o u rnal o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ，A S C E ， 1 9 9 9 ，1 2 5 ( 2 )： 1 4 2 1 5 1 2 郑 山锁 ， 李磊 ， 邓 国专 型钢高强 高性 能混凝 土梁粘结滑 移 行为研究 J 工程力学， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 1 ) ： 1 0 4 1 1 1 3 郑山锁， 邓国专， 田 微 型钢与混凝土之间粘结强度的力学 分析 J 工程力学， 2 0 0 7 ， 2 4 ( 1 ) ： 9 6 1 0 5 4 赵根田， 李永和 型钢与混凝土的极限粘结强度 J 建筑结 构 ， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 1 ) ： 6 8 - 7 9 5 R o e d e r c W B o n d s tres s i n e m b e d d e d s t e e l s h a p e s i n c o n c rete C A S C E C o mp o s i t e a n d Mi x ed C o n s t r u c t i o n N e w Yo r k ， U S A， 1 9 8 5： 2 2 7- 2 4 0 6 Ha j l i M H N u m e ri c a l b o n d a n al y s i s u s i n g e x p e r i m e n t a l l y d e ri v ed l o c a l b o n d l a w s J J o u r n a l o f S t r u c tu r a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 7 ， 1 3 3 ( 5 ) ： 6 9 5 - 7 0 5 7 张誉 ， 李 向民， 李辉 钢骨高强混凝 土结构 的粘结性能研 究 J 建筑结构 ， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 7 ) ： 3 - 5 8 B r y s o n JO， Ma t h e y RG S u r f a c e c o n d i ti o n e ff e c t O 11 b o n d s t r e n g t h o f s t e e l b e a ms i n c o n c r e t e J J o u rna l o f A C I ， 1 9 6 2， 5 9 ( 3 ) ： 3 9 7 4 0 6 9 张仲先 ， 陆双武 型钢 混凝 土粘结性 能试验 研究 J 特种 结 构 ， 2 0 0 1 ， 1 8 ( 2 ) ： 3 3 - 3 7 1 0 肖季秋 劲性钢筋混凝土粘结性能的试验研究 J 四川建筑 科学研究 ， 1 9 9 2， 1 8 ( 4) ： 2