梁勇敢

0 引言

型鋼混凝土構(gòu)件由于承載力高、抗震和抗火性能好、造價(jià)適中,在高層與超高層建筑、大跨度公共建筑中得到廣泛的應(yīng)用。型鋼與混凝土之間的粘結(jié)性能是直接影響型鋼混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的受力性能、破壞形態(tài)、計(jì)算假定、承載能力、裂縫和變形的主要因素[1-3]。

型鋼與混凝土之間的粘結(jié)力主要由三部分組成[4,5]:混凝土中水泥膠體與型鋼表面的化學(xué)膠結(jié)力,型鋼與混凝土接觸面上的摩擦阻力和型鋼表面粗糙不平的機(jī)械咬合力。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件在受力后,由于粘結(jié)內(nèi)裂縫以及混凝土劈裂裂縫的存在,型鋼混凝土粘結(jié)破壞的機(jī)理較為復(fù)雜,在型鋼混凝土的連接面區(qū)域內(nèi),應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)非常復(fù)雜,本文首先采用結(jié)構(gòu)分析軟件 ANSYS對(duì)影響型鋼混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)滑移的因素——混凝土強(qiáng)度等級(jí)、混凝土保護(hù)層厚度、橫向配箍率和縱向配筋率等進(jìn)行分析,最后在對(duì)數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行回歸分析的基礎(chǔ)上,提出型鋼混凝土粘結(jié)滑移關(guān)系的特征方程。

1 有限元模型的建立

型鋼混凝土構(gòu)件的型鋼采用Shell181殼單元模擬,混凝土采用實(shí)體單元Solid65模擬,型鋼與混凝土界面視為各自邊界條件,采用Contac173接觸單元模擬,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中縱向鋼筋橫向箍筋采用Link8單元進(jìn)行模擬。

型鋼采用Q 345鋼,彈性模量Es=2.06×105MPa,v=0.3,混凝土根據(jù)試件采取強(qiáng)度等級(jí)確定相關(guān)參數(shù)。

模型尺寸和各項(xiàng)參數(shù)參照文獻(xiàn)[6]的取值,型鋼均為80mm×8mm的鋼板條,考慮影響型鋼混凝土粘結(jié)力的四個(gè)參數(shù):混凝土的強(qiáng)度等級(jí)、混凝土保護(hù)層厚度、配箍率sv以及縱向配鋼率s。

所有試件的錨固長(zhǎng)度均為 600mm。模型采用擬梁拉拔方式加載,荷載為單調(diào)加載P=200 kN,荷載分20個(gè)子步加載,即每次加載10 kN。

圖1為試件的有限元計(jì)算模型。

2 有限元分析結(jié)果

2.1 混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)粘結(jié)性能的影響

為分析混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)粘結(jié)性能的影響,共計(jì)算了 8個(gè)模型,如表 1所示,混凝土強(qiáng)度等級(jí)從 C15～C50,保護(hù)層厚度統(tǒng)一取為45mm,縱筋配筋率s=0.5%,配箍率sv=1.2%。

表1 混凝土強(qiáng)度等級(jí)計(jì)算模型參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

圖2為計(jì)算模型的加載端 P與加載端滑移 S的關(guān)系曲線,從圖 2可以看出,隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高,計(jì)算模型的極限破壞荷載大幅度提高,最大破壞荷載比最小破壞荷載提高了 82%,但滑移趨勢(shì)基本相同,且加載端滑移量變化不是很大。

2.2 混凝土保護(hù)層厚度對(duì)粘結(jié)性能的影響

表2 混凝土保護(hù)層厚度計(jì)算模型參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

為分析混凝土保護(hù)層厚度對(duì)粘結(jié)性能的影響,共計(jì)算了 8個(gè)模型,如表 2所示,混凝土保護(hù)層厚度從 30mm～65mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,縱筋配筋率s=0.5%,配箍率sv=0.8%。

混凝土保護(hù)層厚度對(duì)型鋼混凝土的粘結(jié)有著一定的影響,當(dāng)保護(hù)層厚度過(guò)小時(shí),型鋼混凝土的粘結(jié)破壞常因混凝土保護(hù)層開裂而影響到粘結(jié)強(qiáng)度的發(fā)展,當(dāng)保護(hù)層厚度達(dá)到一定厚度時(shí),粘結(jié)應(yīng)力的發(fā)展不會(huì)因?yàn)榛炷帘Ｗo(hù)層的較早開裂而受到限制,粘結(jié)強(qiáng)度得到相應(yīng)的提高。

2.3 橫向配箍率對(duì)粘結(jié)性能的影響

為分析橫向配箍率對(duì)粘結(jié)性能的影響,共計(jì)算了 8個(gè)模型,如表3所示,橫向配箍率從 0.2%～2.5%,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,混凝土保護(hù)層厚度為45mm,縱筋配筋率s=0.5%。

表3 橫向配箍率計(jì)算模型參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

型鋼混凝土之間的粘結(jié)應(yīng)力在發(fā)生滑移之前,主要由化學(xué)膠結(jié)力承受,而化學(xué)膠結(jié)力主要由混凝土的性能和型鋼表面狀況決定,與橫向配箍率的關(guān)系不大,但在發(fā)生滑移之后,橫向配箍率可以提高發(fā)生粘結(jié)滑移后的摩擦阻力和機(jī)械咬合力。

2.4 縱向配筋率對(duì)粘結(jié)性能的影響

為分析縱向配筋率對(duì)粘結(jié)性能的影響,共計(jì)算了 8個(gè)模型,如表4所示,縱向配筋率從 0.2%～2.5%,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,混凝土保護(hù)層厚度為45mm,橫向配箍率sv=0.8%。

表4 縱向配筋率計(jì)算模型參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

圖3為計(jì)算模型的加載端P與加載端滑移S的關(guān)系曲線,從圖 3可以看出,其受力過(guò)程一樣可以分為上升段、下降段和水平收斂段 3個(gè)階段,8個(gè)計(jì)算模型的荷載—滑移曲線基本上重合,表明縱向配筋率對(duì)極限破壞荷載提高很小,對(duì)型鋼混凝土的粘結(jié)滑移影響很小。

3 粘結(jié)滑移關(guān)系

根據(jù)上述關(guān)于型鋼混凝土粘結(jié)滑移的數(shù)值模擬分析,各試件由于參數(shù)不同,荷載—加載端滑移曲線(P—S曲線)表現(xiàn)出一定的差異,從加載端開始出現(xiàn)滑移至荷載達(dá)到極限值這一區(qū)間(統(tǒng)稱為上升段)的粘結(jié)滑移性能和本構(gòu)關(guān)系,直接影響型鋼混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的受力性能、破壞形態(tài)、承載能力、裂縫和變形等。

圖4為有限元數(shù)值模擬得到的加載端P與加載端滑移S關(guān)系的典型曲線,由圖 4可以看出,其受力過(guò)程大致可以分為上升段、下降段和水平收斂段 3個(gè)階段,定義 3個(gè)特征荷載:即初始滑移荷載 Ps——化學(xué)膠結(jié)力逐步喪失,加載端開始產(chǎn)生滑移;極限荷載 Pu——化學(xué)膠結(jié)力全部喪失,摩擦力和機(jī)械咬合力發(fā)揮主要作用,達(dá)到荷載極限;殘余荷載 Pr——機(jī)械咬合力全部喪失,型鋼混凝土連接面趨于光滑,P—S下降端的終點(diǎn)和水平殘余端的起點(diǎn)。將荷載分別除以型鋼與混凝土連接面的總面積,相應(yīng)得到三個(gè)特征粘結(jié)強(qiáng)度初始滑移粘結(jié)強(qiáng)度 ˉτs、極限粘結(jié)強(qiáng)度ˉτu和殘余粘結(jié)強(qiáng)度ˉτr。

通過(guò)對(duì) 32個(gè)不同類型的型鋼混凝土試件的擬梁式拉拔數(shù)值模擬分析,對(duì)各種因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸,可以得到表 5的分析結(jié)果。

表5 粘結(jié)滑移特征方程

4 結(jié)語(yǔ)

1)混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)型鋼混凝土粘結(jié)滑移性能影響很大;混凝土保護(hù)層厚度、橫向配箍率和縱向配筋率對(duì)極限破壞荷載提高作用不明顯,但對(duì)滑移發(fā)生后的粘結(jié)強(qiáng)度有一定的提高。

2)在有限元參數(shù)分析的基礎(chǔ)上,分析了型鋼混凝土荷載—加載端滑移曲線,回歸出型鋼混凝土粘結(jié)滑移關(guān)系的特征方程。

[1] 薛立紅,蔡紹懷.鋼管混凝土柱組合界面的粘結(jié)強(qiáng)度(上) [J].建筑科學(xué),1996(3):22-28.

[2] 薛立紅,蔡紹懷.鋼管混凝土柱組合界面的粘結(jié)強(qiáng)度(下) [J].建筑科學(xué),1996(4):19-23.

[3] 姜紹飛,韓林海,喬景川.鋼管混凝土中鋼與混凝土粘結(jié)問(wèn)題初探[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2000(2):24-28.

[4] 薛建陽(yáng),楊 勇,趙鴻鐵,等.型鋼混凝土粘結(jié)滑移性能研究綜述分析[J].結(jié)構(gòu)工程師,2002(4):51-58.

[5] 趙鴻鐵,楊 勇,薛建陽(yáng),等.型鋼混凝土粘結(jié)滑移力學(xué)性能研究及基本問(wèn)題[J].力學(xué)進(jìn)展,2003,33(1):74-86.

[6] 李 紅,姜維山.型鋼與混凝土粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系的試驗(yàn)研究[J].西北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),1995(3):16-22.