型钢混凝土粘结滑移研究现状及基本问题.ppt

型钢混凝土粘结滑移 研究现状及基本问题,STATE-OF-THE ART AND BASIC PROBLEMS OF THE STUDY ON BOND-SLIP BETWEEN STEEL SHAPE AND CONCRETE IN SRC STRUCTURES 西安建筑科技大学土木工程学院 赵鸿铁,型钢混凝土粘结性能的研究意义,型钢混凝土结构中型钢与混凝土之间的自然粘结或设置剪力连接件是保证型钢混凝土结构或构件中型钢与混凝土整体共同工作的基础，正是由于型钢混凝土之间的粘结作用，型钢才能与混凝土共同工作、共同承担荷载，组合成为一种真正的“组合”结构（图1.1）。 试验研究结果表明，未设置剪力连接件的构件，在荷载约达到极限荷载的80%前，型钢与混凝土基本上能共同工作，在80%极限荷载以后，二者间有较大的相对滑移产生，变形不能协调一致。在实际工程中加设剪力连接件会加大现场施工工作量、增加现场施工工期、提高工程造价。因此，合理的确定型钢混凝土的粘结性能，在设计中主要考虑型钢混凝土之间的粘结作用，采取合理的设计计算理论，减少（或尽量避免）剪力连接件的设置，显然会大大简化施工并减小施工费用并极大地缩短现场施工工期，在经济上定将取得显而易见的效益。,型钢与混凝土之间的粘结性能将直接影响型钢混凝土结构和构件的受力性能、破坏形态、承载能力、及裂缝和变形等。同时，有限单元法的发展和完善，为各种复杂的型钢混凝土结构和构件分析提供了新的手段，但是也相应地提出了一些亟待解决的问题，其中之一就是型钢与混凝土的粘结滑移问题。因此，对于型钢混凝土结构，要合理地建立一整套的强度、刚度、变形和裂缝开展的计算理论和分析方法，并采用有限元法对复杂结构进行准确的分析计算，就必须对型钢混凝土粘结性能进行深入研究。,图1.1 型钢混凝土结构的构成示意图,型钢混凝土粘结滑移的基本概念,平均粘结强度 在型钢混凝土粘结滑移推出试验研究中，一般取外加荷载在型钢混凝土连接面总表面积上的平均值为粘结应力，对应的取外加荷载达到极限荷载时的粘结应力为型钢混凝土的粘结强度，由于试验研究结果表明型钢混凝土的实际粘结应力沿型钢埋置长度方向是变化的，因此，此粘结强度实际为沿型钢埋置长度上型钢混凝土的平均粘结强度，在工程中，一般以此强度作为型钢混凝土粘结强度。 局部最大粘结强度 一般取局部的最大粘结应力值为局部最大粘结强度，这主要是作为粘结裂缝开展的控制条件，可用于计算粘结破坏的开裂荷载104。 残余粘结强度 型钢混凝土结构中的粘结强度在型钢与混凝土之间的化学胶结力完全丧失后，只有摩擦阻力和机械咬合力作贡献，粘结强度保持一定的残余值，并不随粘结滑移的发展而降低，习惯上称此粘结强度为残余粘结强度。 粘结滑移本构关系 型钢混凝土结构和构件在受力后，由于粘结内裂缝以及混凝土劈裂裂缝的存在，在型钢混凝土的连接面区域内，应力应变状态非常复杂。为便于分析，一般都将型钢周围的这一具有特殊力学性质的混凝土层（滑移层）的变形归为型钢混凝土连接面上的相对滑移，并根据粘结应力和粘结滑移的对应关系，建立型钢混凝土的粘结滑移本构关系，粘结应力是指型钢表面剪应力，滑移为型钢与连接面上对应位置混凝土的相对位错。,钢板与混凝土粘结强度的研究,日本的坪井善勝、若林実在1950年为了配合日本规范钢骨钢筋混凝土结构设计标准及解说的编制，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、横向配箍率和纵向钢筋数量等四个因素，得出型钢混凝土粘结强度较低的结论，并建议在规范中不考虑型钢混凝土的粘结作用。 西安建筑科技大学李红进行了四组钢板拉拔梁式试件的试验，试验考虑了混凝土强度等级、混凝土保护层厚度、横向配箍率和纵向配钢率四个因素对粘结强度的影响。通过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，并通过对比计算，得出钢板与混凝土的粘结强度较小，相当于光圆钢筋60%和螺纹钢筋的30%的结论。,型钢与混凝土粘结强度的研究,国内外关于型钢混凝土粘结强度的研究试验主要有两种类型：推出试验（Push-out test）（图1.2a）和短柱试验（Short-column test）（图1.2b）。,Bryson 和 Mathey 1962主要研究了型钢表面状况对型钢混凝土粘结强度的影响. Hawkins于1973年进行的型钢混凝土推出试验则主要考虑混凝土浇注位置、型钢截面尺寸和横向配箍率对型钢混凝土粘结强度的影响。,图1.2 型钢混凝土粘结试验形式,图1.3 Roeder推出试验方案,图1.4 粘结应力分布规律,Roeder在1984年所进行的型钢混凝土推出试验研究中，首次考虑了粘结应力沿型钢锚固长度上的变化，并在试验中通过在型钢翼缘密布电阻应变片的方法（见图1.3），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（见图1.4）。,(a)推出试验 (b) 短柱试验,Roeder1984年的试验结果表明： （1）Roeder根据对Bryson and Mathey 和Hawkins的试验结果进行对比分析，并用 本人试验结果进一步验证，提出型钢混凝土粘结主要由翼缘与混凝土的粘结贡 献的假定，而腹板对型钢混凝土之间的粘结几乎不作贡献，可以忽略。 （2）在使用荷载作用下，型钢混凝土粘结应力在不同的锚固深度处的分布不是相同 的，而是呈指数分布，随着荷载的逐步增加，型钢混凝土粘结应力逐渐增大， 而且在型钢混凝土连接面上出现粘结裂缝并逐渐向自由端扩张。 （3）根据试验结果，得出按翼缘与混凝土接触面积平均的局部最大粘结应力随混凝 土圆柱体抗压强度的增大而增大的规律。并得出相应的粘结应力公式 （4）为了考察型钢混凝土在风荷载和地震作用下的粘结滑移性能，Roeder还对两个 自由端已经发生滑移的试件进行了重复加载试验，试验结果表明，已经发生的 滑移对重复加载后的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（2845）%。 郑州工学院孙国良105为了考察型钢混凝土柱端部轴力的传递性能，进行了一批 推出试验，在试验中主要考察了栓钉、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。并从混凝土保护层开裂的角度，根据粘结应力的扩散原理 建立了型钢混凝土临界保护层厚度计算的经验公式，并根据此临界保护层厚 度，建立了型钢混凝土粘结强度的计算公式.,Hamdan 和 Hunaiti于1991年进行的型钢混凝土推出试验着重考察了混凝土强度、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强度对型钢混凝土粘结强度没有明显的影响，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。 Wium在1992年先后进行了型钢混凝土的推出试验和短柱试验。Wium 和 Lebet在试验中着重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。通过对试验结果进行统计分析，并采用ADINA有限元程序对各因素进行了有限元分析 。,Roeder 和 Robert. Chmielowski对型钢混凝土粘结性能的有关试验研究进行了综合分析。对以往的有关型钢混凝土粘结性能的试验研究结果进行了统计，对混凝土强度、型钢表面情况、横向配箍率、型钢锚固长度与截面高度比、混凝土截面与型钢截面面积比等因素对型钢混凝土粘结强度的影响进行了综合比较，并相应地制出各种统计图表。图1.5为统计的混凝土强度和型钢表明状况与粘结强度的关系。,通过以上归纳和分析，Roeder等进行了18个试件的推出试验，并着重考虑了混凝 土保护层厚度、横向配箍率和配箍形式、型钢截面尺寸、型钢锚固长度、偏心加 载、剪力连接件等对粘结强度的影响。并得出很多新的结论.,图1.5 混凝土强度与粘结强度关系,同济大学对高强型钢混凝土粘结滑移性能进行了一批推出试验和短柱试验，研究结果表明： （1）粘结应力分布规律为指数分布，但随荷载增加，不会趋于常数分布。 （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， 约为2 倍左右，对混凝土保护层厚度较大的试件，这种差异也越明显。 （3）随混凝土强度的提高，局部最大粘结应力（粘结强度）也相应提高。 （4）混凝土保护层厚度对粘结性能的影响主要是通过对型钢横向变形的约束来体现，混凝 土保护层厚度越大，型钢混凝土连接面上横向约束力越大，从而粘结应力也相应提高。 （5）箍筋的作用与混凝土保护层基本相同，也是通过增强对型钢的横向约束力来提高型钢 混凝土的粘结强度，而且对试件的开裂和劈裂破坏起到约束作用，同时，对于混凝土 保护层厚度较小的试件，配箍率的增加对粘结强度的影响更加明显。 （6）随着最大滑移量的增加，剪力连接件对混凝土的横向挤压力提高，从而能显著提高型 钢混凝土的粘结强度，但是对于滑移量较小的试件，剪力连接件的 对粘结强度的提高 作用不显著。 通过对上述试验研究的综合分析，可以看到，型钢混凝土粘结滑移性能是一个复杂 的课题。从1962年Bryson and Mathey到1999年Roeder 和 Robert. Chmielowski 的试验研究，其中有多个国家多位专家学者的研究，但是，这些研究成果仍存在较大 的分歧，未曾形成定论。因此，型钢混凝土粘结强度的研究还有待于进一步的深入和 完善。,型钢与混凝土粘结滑移本构关系的研究,在有限元分析中应该给出沿型钢混凝土锚固长度变化的粘结滑移本构关系曲线，但由于型钢混凝土连接面上的内部滑移比较难测定，因此，大多数试验和研究中都是采用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）的滑移之间的 关系曲线（图1.6）。,式中 为平均粘结应力（ ）；S为加载端相对滑移量（mm）。,这一本构关系只给出平均粘结应力（外加荷载在型钢面积上的平均值）与型钢混凝土推出试验加载端滑移量之间的相互关系，无法反映出粘结滑移刚度沿型钢锚固长度退化这一实际现象，同时，也不能反映出腹板和翼缘的粘结滑移刚度的差别，因此具有较大的局限性。国外主要侧重于型钢混凝土粘结强度的研究，对粘结滑移本构关系研究很少。,重庆建筑大学通过型钢混凝土推出试验，并参考国内外有关资料，拟合出工字钢和混凝土平均粘结应力与端部滑移之间的关系曲线：,图1.6 典型的 曲线,型钢混凝土粘结滑移的基本机理,已有研究成果表明，型钢与混凝土之间的粘结和光圆钢筋与混凝土之间的粘结相类似，主要由三部分组成：混凝土中水泥胶体与型钢表面的化学胶结力，型钢与混凝土接触面上的摩擦阻力和型钢表面粗糙不平的机械咬合力。化学胶结力主要存在于型钢与混凝土表面发生相对粘结滑移之前，当连接面上发生相对粘结滑移后，水泥晶体被剪断或挤碎，化学胶结力大大降低，对于型钢而言，化学胶结力在总粘结力中的比重远远大于在光圆钢筋中的比重。当化学胶结力退出工作后，粘结力就主要依靠摩擦阻力和机械咬合力来维持，摩擦阻力主要取决于型钢与混凝土界面上的正应力和摩擦系数，主要与型钢混凝土构件受力和横向约束（混凝土凝固时的收缩、混凝土保护层 厚度和横向配箍率等）及型钢的表面特性有关。机械咬合力主要取决于型钢表面状况。 由于型钢混凝土构件中型钢的几何形状与受力性能的特殊性，粘结性能又表现出很大特殊性和复杂性。与钢筋相比，型钢混凝土之间的粘结必须考虑三个方向（纵向、横向和法向）的粘结作用。同时，由于混凝土对型钢翼缘和腹板的握裹性能存在差别，相应的型钢翼缘和腹板的粘结滑移本构关系也存在差异，因此在有限元分析中，型钢翼缘和腹板与混凝土之间的粘结滑移本构关系应该分别给出。国内外试验研究表明，型钢混凝土粘结滑移刚度沿着型钢埋置长度方向上存在变化。在有限元分析中，一般是设法得到纵向粘结滑移本构关系，然后考虑一定的相互关系，确定横向和法向的粘结滑移刚度，对型钢混凝土粘结滑移进行二维或三维模拟。因此，型钢混凝土粘结滑移本构关系主要是指型钢混凝土连接面上的纵向剪应力和型钢混凝土之间的纵向相对滑移之间的相互关系。由于型钢混凝土的粘结滑移刚度随锚固位置发生变化，因此，为了确定不同锚固位置的粘结滑移刚度，必须首先研究粘结应力和相对滑移的分布规律，从而建立考虑位置变化的粘结滑移本构模型。,影响型钢混凝土粘结性能的主要因素确定,（1）混凝土强度和粘结强度的关系 一方面，Bryson 和 Mathey（1962），Hawkins（1973），Roeder（1984），孙国良（1989），李红，坪井善勝、若林実等都得出型钢混凝土粘结强度和混凝土强度有着直接的关系，其他关于型钢混凝土粘结滑移的研究以及组合梁粘结滑移性能、外包钢与混凝土粘结性能、钢管混凝土粘结性能、钢筋与混凝土粘结性能的试验研究也均表明，钢与混凝土的粘结与混凝土的强度有密切的关系。另一方面，Roeder 和 Robert. Chmielowski在文献中通过统计有关文献的试验研究结果，得到混凝土强度对型钢混凝土粘结强度无明显影响的结果，但是由于各试验研究的结果本身存在的不可避免的误差，而且各试验研究在试验条件上不尽相同，并且图中的数据具有较大的离散性，所以，文献中的结论不具完全的说服力。 （2）型钢表面状况与粘结性能的关系 Bryson 和 Mathey（1962）专门研究了型钢表面状况对粘结强度的影响情况， 发现经过喷砂处理的型钢表面，其与混凝土的粘结性能有较大提高，但是在文献的试验结果的综合中，却又得不到相似的结论，这也有待于进一步试验研究。 （3）横向配箍率与粘结性能的关系 大多数试验研究都得到横向配箍率虽然不能明显提高型钢混凝土在滑移前的粘结强度，但能大大提高滑移发生后的粘结强度。但是，横向配箍率和型钢混凝土滑移发生后的粘结强度的确定关系却没有明确的结论，而且，关于配箍形式对粘结强度的影响的研究也很少。,（4）混凝土保护层厚度与粘结性能的关系 孙国良在文献中发现，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，型钢混凝土保护层厚度对粘结强度有较大的影响；而当混凝土保护层厚度较大时，保护层厚度对粘结强度的影响不明显。李红在文献中也得出相似的结论。但是，文献建立的两个型钢混凝土临界保护层厚度计算方法都未曾考虑混凝土强度、横向配箍率等因素的影响，存在一定的缺陷，建立的临界保护层厚度计算方法也有待于进一步试验研究。 （5）影响型钢混凝土粘结性能的其它影响因素 除了混凝土强度、型钢表面状况、横向配箍率、混凝土保护层厚度和剪力连接件这些研究比较普遍的五个因素对型钢混凝土粘结强度的影响没有最终形成定论外，对其他因素的研究也较少，比如，型钢截面尺寸、型钢锚固长度、混凝土浇注位置、混凝土的水灰比、骨料级配、龄期等等，而这些因素在个别试验研究中却表现出对型钢混凝土粘结性能有较大的影响。,型钢混凝土粘结滑移本构关系的确定 由于型钢混凝土连接面上的内部滑移比较难测定，因此，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）的滑移之间的关系曲线，并以此作为型钢混凝土有限元分析的粘结滑移本构关系。这种粘结滑移本构关系无法反映出粘结滑移刚度沿型钢锚固长度退化这一实际现象，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。因此，建立一个完善的型钢混凝土粘结滑移本构关系是迫切和具有理论与实际意义的。,型钢混凝土结构和构件计算理论,在型钢混凝土结构中，由于粘结滑移的存在将直接影响到构件的受力性能、破坏形态、构件承载能力、裂缝和变形计算。而正是由于对型钢混凝土粘结滑移的不同的考虑，各国关于型钢混凝土结构的规范和规程存在较大的差异。 西安建筑科技大学在1985年1991年期间进行了型钢混凝土梁、柱及节点等112个试件的试验（这些试件除了梁端配置少量剪力连接件外，基本上都是未设置剪力连接件的试件），对型钢混凝土梁、柱及节点正截面和斜截面承载力计算等内容进行了研究，并进行了非线性全过程分析。研究结果表明，型钢混凝土构件破坏时平截面假定不再成立。冶金部建筑研究总院也对型钢混凝土梁和柱进行了试验研究，指出当荷载达到极限荷载的80%以前，型钢与混凝土之间的粘结滑移相对较小，之后则出现较大的粘结滑移，平截面假定已经显然不能成立。,此外其他科研单位也对型钢混凝土结构进行了开拓性的研究工作，并取得较多的研究成果。他们在研究中都普遍承认型钢与混凝土之间存在滑移，而且对型钢混凝土构件受力性能有显著影响。因此，通过试验研究，对受荷后期的受力性能、破坏形态、承载能力、计算假定、裂缝和变形计算采用考虑滑移的计算理论或修正平截面假定（见图1.7），建立理论依据充分的型钢混凝土计算理论和方法，是必要的。,图1.7 修正平截面假定示意图,型钢混凝土构件中剪力传递问题,在高层和超高层建筑的型钢混凝土框架结构中，作用在梁上的竖向荷载（包括静荷载和活荷载）是通过型钢与混凝土之间的粘结作用将剪力传递到混凝土中，最终使型钢与混凝土共同承载受力（见图1.8），梁上的内力也是通过型钢与混凝土