伍 凱， 徐佳楠， 陳 峰， 徐 超,3， 柴志剛

(1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 江蘇 南京 210024； 2.新加坡國(guó)立大學(xué) 土木與環(huán)境工程系， 新加坡 117576；3.銅陵學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 安徽 銅陵 244000)

組合結(jié)構(gòu)是橋梁工程[1-2]與建筑工程[3-4]中的常見結(jié)構(gòu)形式.型鋼混凝土[5]，外文文獻(xiàn)中也常稱為concrete encased steel[6-7]，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注的組合結(jié)構(gòu).基于型鋼與混凝土界面的黏結(jié)[8]，2種材料共同工作、協(xié)同受力，表現(xiàn)出良好的組合效應(yīng)，特別適用于重載結(jié)構(gòu).經(jīng)過數(shù)次地震檢驗(yàn)[9]，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，且型鋼的外包混凝土有利于提升抗火性能[10]、延長(zhǎng)耐火極限，因此型鋼混凝土也經(jīng)常用于抗火要求較高的高層和超高層結(jié)構(gòu)體系.

鋼纖維混凝土可應(yīng)用于路面工程[11]與建筑工程[12].將型鋼混凝土中的鋼筋籠離散化，用鋼纖維替代鋼筋籠，形成無配筋型鋼-鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu).在無配筋的型鋼-鋼纖維混凝土組合結(jié)構(gòu)中，型鋼與鋼纖維混凝土界面的黏結(jié)性能直接決定了組合效應(yīng)的強(qiáng)弱，是影響承載能力的重要性能指標(biāo).圓形與矩形是橋梁工程和建筑工程中常見的截面形式，本文設(shè)計(jì)了8根圓形、8根方形截面試件，采用標(biāo)準(zhǔn)推出試驗(yàn)，研究了在不設(shè)置鋼筋籠的情況下，型鋼與鋼纖維混凝土之間的黏結(jié)性能與界面損傷全過程，對(duì)比分析了矩形截面與圓形截面的性能差異，著重研究了黏結(jié)界面長(zhǎng)度與鋼纖維混凝土保護(hù)層厚度對(duì)黏結(jié)性能的耦合影響.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了8根圓形、8根方形截面試件，截面示意圖如圖1所示.試件內(nèi)置型鋼為10號(hào)工字鋼；鋼纖維為國(guó)產(chǎn)剪切型鋼纖維，長(zhǎng)度為30mm，等效直徑為 0.6mm，長(zhǎng)徑比為50，抗拉強(qiáng)度為670MPa.表1給出了試件的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括鋼纖維的體積分?jǐn)?shù)φsf、鋼纖維混凝土保護(hù)層厚度Css、黏結(jié)界面長(zhǎng)度Le、試件長(zhǎng)徑比Le/D(D0)(將方形截面構(gòu)件等效成面積相同的圓形截面，所對(duì)應(yīng)的直徑為等效直徑D0)等.對(duì)于圓形截面與矩形截面試件，鋼纖維混凝土保護(hù)層厚度Css如圖1所示，均為型鋼到鋼纖維混凝土外表面的最小距離.

圖1 試件截面示意圖Fig.1 Cross section of specimens

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)
Table 1 Design parameters of specimen

Specimenφsf/%Le/mmD(b(D0))/mmLe/D(D0)Css/mmSectionC0-2-200320160219.5CircularC2-2-202320160219.5CircularC2-2-402400200239.5CircularC2-3-402600200339.5CircularC2-4-402800200439.5CircularC2-1-652250250164.5CircularC2-2-652500250264.5CircularC2-3-652750250364.5CircularS0-2-200320140(158)220.0SquareS2-2-202320140(158)220.0SquareS2-2-402400180(203)240.0SquareS2-3-402600180(203)340.0SquareS2-4-402800180(203)440.0SquareS2-1-602250220(248)165.0SquareS2-2-602500220(248)265.0SquareS2-3-602750220(248)365.0Square

由表1可見：C0-2-20和S0-2-20為對(duì)比試件，鋼纖維的體積分?jǐn)?shù)為0%；根據(jù)對(duì)已完成的型鋼混凝土黏結(jié)試驗(yàn)及型鋼混凝土實(shí)際工程的調(diào)研[13-15]，大多數(shù)情況下主筋和箍筋的體積分?jǐn)?shù)之和約為2%，因此其余14根試件的鋼纖維體積分?jǐn)?shù)統(tǒng)一設(shè)定為2%.

1.2 試驗(yàn)加載

標(biāo)準(zhǔn)推出試驗(yàn)是研究型鋼與混凝土界面黏結(jié)性能的通用方法[16]，其加載如圖2所示.通過電液壓試驗(yàn)機(jī)將軸向荷載施加在鋼纖維混凝土底部(加載端)，上部的支撐荷載則作用在型鋼頂面(自由端)；特制的加載板上開有比10號(hào)工字鋼各邊尺寸略大的H型洞口，從而使型鋼與鋼纖維混凝土發(fā)生不受干擾的滑移；鋼纖維混凝土頂面與底面分別對(duì)稱布置2個(gè)位移傳感器(LVDT)，監(jiān)測(cè)自由端與加載端之間型鋼與鋼纖維混凝土之間的滑移，取對(duì)稱布置的2個(gè)位移傳感器讀數(shù)的平均值作為該位置處的滑移.加載過程中首先采用荷載控制至峰值荷載，再采用位移控制，荷載衰減達(dá)到恒定或滑移值達(dá)到 20mm 時(shí)結(jié)束加載.

圖2 標(biāo)準(zhǔn)推出試驗(yàn)加載示意圖Fig.2 Loading diagram of push-out testing

2 名義黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線

圖3為型鋼-鋼纖維混凝土試件的名義黏結(jié)應(yīng)力(τ)-滑移(S)曲線，同時(shí)給出了具有代表性的裂縫發(fā)展過程.

(1)

式中：τ為名義黏結(jié)應(yīng)力，即界面上的黏結(jié)應(yīng)力平均值；P為試件承受的外荷載；A為型鋼與鋼纖維混凝土界面的黏結(jié)面積.

圖3 型鋼-鋼纖維混凝土試件的名義黏結(jié)應(yīng)力(τ)-滑移(S)曲線Fig.3 Nominal bond stress-slip curves of shape steel and steel fiber reinforced concrete specimens

由圖3可見：對(duì)于未配置鋼纖維的試件，C0-2-20、S0-2-20的混凝土表面裂縫出現(xiàn)較早，由于缺乏鋼纖維對(duì)裂縫發(fā)展的控制，因此裂縫發(fā)展迅速，最終導(dǎo)致型鋼與混凝土界面?zhèn)髁Φ耐耆?，殘余黏結(jié)強(qiáng)度基本降為0MPa；C0-2-20在滑移達(dá)到 0.73mm 時(shí)已有貫通的表面裂縫，并在1.13mm時(shí)裂縫已具有相當(dāng)?shù)膶挾龋藭r(shí)荷載達(dá)到了最大值；S0-2-20在加載端位移達(dá)到1.38mm時(shí)，混凝土表面出現(xiàn)了多條裂縫，但此時(shí)尚未形成貫通縫，而當(dāng)荷載達(dá)到最大值時(shí)表面裂縫形成貫通，此時(shí)加載端位移為 1.45mm；對(duì)于其余14根設(shè)置鋼纖維的試件，由于受到鋼纖維的控制，裂縫的發(fā)展緩慢，裂縫的整個(gè)發(fā)展過程能更清晰地呈現(xiàn)；除個(gè)別試件外，絕大多數(shù)試件的首條表面裂縫出現(xiàn)在自由端，并且隨著滑移的增大，裂縫沿試件的長(zhǎng)度方向向加載端發(fā)展；在試件的橫截面內(nèi)，裂縫沿鋼纖維混凝土保護(hù)層厚度最小的方向發(fā)展；圓形截面試件的表面裂縫主要發(fā)生在型鋼翼緣肢尖位置，并且沿斜向發(fā)展；方形截面試件的表面裂縫主要出現(xiàn)在型鋼翼緣中部區(qū)域，裂縫發(fā)展方向與翼緣垂直，部分試件在型鋼翼緣肢尖處出現(xiàn)了由內(nèi)向外發(fā)展的斜向裂縫，但由于該方向鋼纖維混凝土保護(hù)層較厚，因此該類型的裂縫并未延伸貫通至試件的側(cè)立面；隨著荷載的增大，型鋼與鋼纖維混凝土之間在加載端與自由端之間的滑移并不同步增長(zhǎng)；型鋼與鋼纖維混凝土界面的滑移在加載端發(fā)生得相對(duì)較早，加載端的滑移始終領(lǐng)先于自由端，加載端曲線與自由端曲線始終存在一定的差異性，曲線的差異性反應(yīng)了加載端與自由端受力并不同步，也反映出型鋼與鋼纖維混凝土界面的黏結(jié)受力并不均衡.

3 名義黏結(jié)強(qiáng)度

名義黏結(jié)強(qiáng)度τu是外荷載達(dá)到最大時(shí)，型鋼與鋼纖維混凝土界面上的平均黏結(jié)應(yīng)力，是名義黏結(jié)應(yīng)力的最大值.名義黏結(jié)強(qiáng)度的大小受到鋼纖維摻量、黏結(jié)界面長(zhǎng)度、混凝土保護(hù)層厚度的耦合影響.圖4為名義黏結(jié)強(qiáng)度隨黏結(jié)界面長(zhǎng)度的變化曲線.由圖4可見：隨著黏結(jié)界面長(zhǎng)度的增大，雖然試件所能承受的最大荷載有一定的提升，但是由于黏結(jié)界面的應(yīng)力分布不均勻，因此實(shí)測(cè)名義黏結(jié)強(qiáng)度反而有規(guī)律地逐漸減?。辉诒Ｗo(hù)層厚度相同的情況下，由于黏結(jié)界面長(zhǎng)度變化而導(dǎo)致的名義黏結(jié)強(qiáng)度降低幅度最大可達(dá)40%；相較于方形截面試件，圓形截面試件的名義黏結(jié)強(qiáng)度更容易受到黏結(jié)界面長(zhǎng)度的影響.

圖4 名義黏結(jié)強(qiáng)度隨黏結(jié)界面長(zhǎng)度的變化曲線Fig.4 Variation curves of nominal bonding strength with thebonding interface length

圖5為名義黏結(jié)強(qiáng)度隨混凝土保護(hù)層厚度的變化曲線.由圖5可見：隨著保護(hù)層厚度的增大，名義黏結(jié)強(qiáng)度明顯增大；在同等設(shè)計(jì)條件下，圓形截面試件的名義黏結(jié)強(qiáng)度大于方形截面試件.鋼纖維通過約束裂縫發(fā)展提升型鋼與鋼纖維混凝土界面的黏結(jié)性能，在設(shè)置相似保護(hù)層厚度的情況下，型鋼與鋼纖維混凝土的名義黏結(jié)強(qiáng)度低于型鋼混凝土，但二者差異較小.因此，黏結(jié)性能與共同工作方面，利用鋼纖維替代型鋼混凝土中的鋼筋籠具有較高的可行性[17-18].

圖5 名義黏結(jié)強(qiáng)度隨混凝土保護(hù)層厚度的變化曲線Fig.5 Variation curves of normal bonding strength with the thickness of concrete protective layer

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，名義黏結(jié)強(qiáng)度的下限τu,min隨鋼纖維混凝土保護(hù)層厚度的增大而線性增長(zhǎng)，名義黏結(jié)強(qiáng)度的上限τu,max隨保護(hù)層厚度的增大表現(xiàn)出曲線形增長(zhǎng)的規(guī)律.

保護(hù)層厚度較小時(shí)，其對(duì)名義黏結(jié)強(qiáng)度的影響更明顯，而當(dāng)保護(hù)層厚度增大到65mm以后，其影響變得越來越有限.當(dāng)保護(hù)層厚度達(dá)到120mm時(shí)，名義黏結(jié)強(qiáng)度上限和下限的擬合曲線交匯于一點(diǎn)，說明此時(shí)鋼纖維摻量、黏結(jié)界面長(zhǎng)度等指標(biāo)對(duì)名義黏結(jié)強(qiáng)度已經(jīng)基本沒有影響，繼續(xù)增大保護(hù)層厚度無法進(jìn)一步提升名義黏結(jié)強(qiáng)度.

4 界面損傷度

4.1 Dk損傷度

在型鋼-鋼纖維混凝土推出試驗(yàn)中，型鋼與鋼纖維混凝土黏結(jié)界面在荷載作用下由初始的黏結(jié)良好到最終破壞的全過程中，其實(shí)質(zhì)是界面損傷發(fā)展與累積的過程.試驗(yàn)初期，在外荷載作用下黏結(jié)界面會(huì)積累一定的彈性變形能，但界面尚未發(fā)生損傷，黏結(jié)性能保持在最佳狀態(tài)，處于無損狀態(tài)；當(dāng)滑移增大到一定程度后，型鋼與鋼纖維混凝土的界面開始出現(xiàn)損傷，鋼纖維混凝土內(nèi)部也開始出現(xiàn)微裂縫，微裂縫逐漸擴(kuò)展并延伸，形成可視裂縫，界面損傷與鋼纖維混凝土損傷導(dǎo)致黏結(jié)性能退化.為了定量描述型鋼與鋼纖維混凝土界面的黏結(jié)損傷，采用損傷度Dk進(jìn)行損傷分析[19].

(2)

式中：K0為黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線彈性階段的切線剛度，稱為初始黏結(jié)剛度；Ki為黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線上任意點(diǎn)與殘余黏結(jié)強(qiáng)度τr在彈性階段對(duì)應(yīng)點(diǎn)的割線剛度.

τ-S曲線中Dk的計(jì)算示意圖見圖6.圖6中，Su、Si、Sr分別為最大黏結(jié)強(qiáng)度τu、任意點(diǎn)黏結(jié)強(qiáng)度τi、殘余黏結(jié)強(qiáng)度τr對(duì)應(yīng)的滑移量.

圖6 τ -S曲線中損傷度Dk的計(jì)算Fig.6 Calculation of damage degree Dk in τ -S curve

當(dāng)黏結(jié)界面完全失效后，界面僅依靠相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力繼續(xù)維持有限的界面剪切傳力，此時(shí)的黏結(jié)強(qiáng)度被定義為殘余黏結(jié)強(qiáng)度τr，界面完全損傷，Dk達(dá)到最大值1.0.

4.2 Dτ損傷度

以圖7所示的典型τ-S曲線為例，解釋說明損傷導(dǎo)致的黏結(jié)強(qiáng)度損失[20].由圖7可見：直線OEA為完全彈性黏結(jié)的τ-S曲線，黏結(jié)應(yīng)力隨著滑移的增大而線性增長(zhǎng)，反映了全無損狀態(tài)下的τ-S相關(guān)性；而曲線OEBC為考慮材料損傷與界面損傷的實(shí)測(cè)曲線，隨著滑移的增大，黏結(jié)應(yīng)力先增大后減小，反映了損傷發(fā)展對(duì)黏結(jié)性能的影響.2條曲線縱坐標(biāo)的差值τΔi表示了無損狀態(tài)與有損狀態(tài)下當(dāng)滑移達(dá)到Si時(shí)的黏結(jié)強(qiáng)度差異，反映了損傷導(dǎo)致的黏結(jié)強(qiáng)度損失；隨著滑移的增大，材料損傷與界面損傷同時(shí)增加，因此τΔi逐漸增大，損傷導(dǎo)致的黏結(jié)強(qiáng)度衰減越來越顯著.為了定量分析因損傷而導(dǎo)致的黏結(jié)強(qiáng)度損失，提出了以殘余黏結(jié)強(qiáng)度τr為基準(zhǔn)的損傷度Dτ.

圖7 典型的τ -S曲線Fig.7 Typical τ -S curve

(3)

式中：τRi為i點(diǎn)處的有損狀態(tài)下的黏結(jié)強(qiáng)度與殘余黏結(jié)強(qiáng)度的差值，反映了以τr為基準(zhǔn)的實(shí)測(cè)剩余黏結(jié)強(qiáng)度；τEi為無損狀態(tài)下以τr為基準(zhǔn)的理想彈性黏結(jié)強(qiáng)度，τEi=τRi+τΔi.

當(dāng)界面的黏結(jié)強(qiáng)度退化至殘余黏結(jié)強(qiáng)度τr時(shí)，τRi降低至0MPa，Dτ達(dá)到最大值1.0，此時(shí)型鋼與鋼纖維混凝土的界面黏結(jié)完全失效.與此同時(shí)，定義曲線上升段的E點(diǎn)為界面損傷原點(diǎn).

4.3 損傷分析

圖8、9分別給出了型鋼-鋼纖維混凝土試件的Dk-S、Dτ-S損傷曲線.由圖8、9可見：C0-2-20、S0-2-20和S2-4-40的Dτ發(fā)展快于Dk，其余13根試件的Dk和Dτ發(fā)展基本同步；對(duì)于未設(shè)置鋼纖維的試件，在滑移較小的情況下，試件開始出現(xiàn)界面損傷，并且損傷隨界面滑移的增長(zhǎng)速率最快；鋼纖維的應(yīng)用明顯延緩了界面的黏結(jié)損傷.雖然個(gè)別試件的損傷過程表現(xiàn)出一定的離散性，但14個(gè)配置鋼纖維試件的損傷依然表現(xiàn)出了以下規(guī)律：

(1)方形截面試件抵抗界面損傷的能力強(qiáng)于圓形截面試件.以Dk-S損傷曲線為例：當(dāng)界面的滑移達(dá)到2.00mm時(shí)，7個(gè)圓形截面試件中的6個(gè)已經(jīng)發(fā)生界面損傷，而此時(shí)僅4個(gè)方形截面開始損傷；當(dāng)界面的滑移達(dá)到4.00mm時(shí)，所有圓形截面試件的損傷度均超過0.70，可以認(rèn)為界面已經(jīng)進(jìn)入破壞階段，而在同等情況下僅有4根配有鋼纖維的方形截面試件的損傷度超過0.70，特別是試件S2-4-40此時(shí)剛剛出現(xiàn)初始損傷.

(2)保護(hù)層越厚，界面在試驗(yàn)中后期的損傷發(fā)展越緩慢.鋼纖維混凝土對(duì)型鋼的握裹作用可以延緩界面的相對(duì)滑動(dòng)，減緩損傷積累，也正是因?yàn)槲展饔?，具有較厚保護(hù)層厚度試件的黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線的下降段更為平緩，殘余黏結(jié)強(qiáng)度相對(duì)更大.

圖8 型鋼-鋼纖維混凝土試件的Dk-S損傷曲線Fig.8 Dk-S damage curves of shape steel and steel fiber reinforced concrete specimens

圖9 型鋼-鋼纖維混凝土試件的Dτ-S損傷曲線Fig.9 Dτ-S damage curves of shape steel and steel fiber reinforced concrete specimens

(3)黏結(jié)界面長(zhǎng)度同樣對(duì)界面損傷過程有較大影響.黏結(jié)界面長(zhǎng)度越大的試件，受力過程中界面能夠儲(chǔ)存更大的彈性變形能，因此界面損傷積累相對(duì)緩慢，損傷度的增長(zhǎng)速率低于黏結(jié)界面長(zhǎng)度較小試件.以黏結(jié)界面長(zhǎng)度相差2倍的S2-1-60與S2-3-60為例進(jìn)行對(duì)比：S2-1-60在界面發(fā)生大約1.20mm滑移時(shí)出現(xiàn)初始損傷，當(dāng)滑移增長(zhǎng)到約2.10mm時(shí)損傷度升至0.70，期間僅經(jīng)歷了0.90mm的滑移增量；而S2-3-60則在1.60mm時(shí)界面才開始損傷， 2.1mm 時(shí)損傷度也僅為0.15，直至5.10mm時(shí)損傷度才升至0.7，期間經(jīng)歷了3.00mm的滑移增量.

5 結(jié)論

(1)標(biāo)準(zhǔn)推出試驗(yàn)過程中，裂縫沿鋼纖維混凝土保護(hù)層厚度最小的方向發(fā)展.圓形截面試件的表面裂縫主要發(fā)生在型鋼翼緣肢尖位置，并且沿斜向發(fā)展；方形截面試件的表面裂縫主要出現(xiàn)在型鋼翼緣中部區(qū)域，裂縫發(fā)展方向與翼緣垂直.由于界面黏結(jié)受力的不均衡，型鋼與鋼纖維混凝土之間在加載端與自由端的滑移并未隨荷載的增大而同步增長(zhǎng).型鋼與鋼纖維混凝土界面的滑移在加載端發(fā)生的相對(duì)較早，加載端的滑移始終領(lǐng)先于自由端，加載端曲線與自由端曲線始終存在一定的差異性.

(2)名義黏結(jié)強(qiáng)度的大小受到鋼纖維摻量、黏結(jié)界面長(zhǎng)度、鋼纖維混凝土保護(hù)層厚度的耦合影響.鋼纖維通過約束裂縫發(fā)展提升型鋼與鋼纖維混凝土界面的黏結(jié)性能.隨著黏結(jié)界面長(zhǎng)度的增大，雖然試件所能承受的最大荷載有一定的提升，但由于黏結(jié)界面的應(yīng)力分布更趨于不均勻，因此實(shí)測(cè)名義黏結(jié)強(qiáng)度反而有規(guī)律的逐漸減小.隨著保護(hù)層厚度的增大，名義黏結(jié)強(qiáng)度明顯增長(zhǎng).名義黏結(jié)強(qiáng)度的下限隨混凝土保護(hù)層厚度的增大而線性增長(zhǎng)，名義黏結(jié)強(qiáng)度的上限則表現(xiàn)出曲線形增長(zhǎng)的規(guī)律，并在保護(hù)層厚度達(dá)到120mm時(shí)交匯于一點(diǎn)，說明此時(shí)鋼纖維摻量、黏結(jié)界面長(zhǎng)度等參數(shù)對(duì)名義黏結(jié)強(qiáng)度已經(jīng)基本沒有影響，繼續(xù)增大保護(hù)層厚度無法進(jìn)一步提升名義黏結(jié)強(qiáng)度.

(3)保護(hù)層越厚，界面在試驗(yàn)中后期的損傷發(fā)展越緩慢，鋼纖維混凝土對(duì)型鋼的握裹作用可以延緩界面的相對(duì)滑動(dòng)，減緩損傷積累.黏結(jié)界面長(zhǎng)度越大的試件，受力過程中界面能夠儲(chǔ)存更大的彈性變形能，界面損傷積累相對(duì)緩慢，損傷度的增長(zhǎng)速率低于黏結(jié)界面長(zhǎng)度較小試件.