（工程力学专业论文）型钢混凝土柱界面粘结有限元分析.pdf

本学位论 授权北京交通 提供阅览服务 同意学校向国 ( 保密的 学位论文 签字日期 中图分类号：t u 3 9 8 9 u d c ：6 2 4 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 型钢混凝土柱界面粘结有限元分析 f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ni n t e r f a c eb o n d i ns r cc o l u m n 作者姓名：王益鹤 导师姓名：章梓茂 学位类别：工学硕士 学科专业：工程力学 学号：0 8 1 2 1 4 9 6 职称：教授 学位级别：硕士 研究方向：组合结构 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本论文的工作是在我的导师章梓茂教授的悉心指导下完成的。导师严谨的 学态度、兢兢业业的工作作风都在潜移默化地影响着我：导师为人处事的原则 人生态度同样使我获益匪浅。值此论文即将完成之际，向我的导师章梓茂教授 以最诚挚的谢意! 黄海明副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表 最诚挚的感谢。力学所所有老师在学习上和生活上也都给予了我很大的关心和 助，在此向力学所的老师们表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，刘铭轩、张罗鹏及5 1 9 工作室所有同学对 论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解、支持以及无私的奉献使我能够在学校专 心完成我的学业。 中文摘要 摘要：型钢混凝土( s t e e lr e i n f o r e e dc o n c r e t e 简称s r c ) 结构是指在混凝土中主要配 置型钢，并配有一定的构造钢筋及受力筋的结构，是钢与混凝土组合结构的一种 主要形式。 本文介绍了型钢混凝土结构的特点，描述了国内外型钢混凝土结构的发展与 应用情况；论述了型钢混凝土粘结滑移的基本问题、基本机理；详细总结了型钢 与混凝土粘结滑移本构关系的研究现状及存在的问题。 本文利用a n s y s 有限元分析软件，建立了分离式非线性型钢混凝土结构的有 限元力学模型，并详述了分析方法，探讨了a n s y s 软件分析型钢混凝土粘结滑移 的可能性。论文对1 2 个型钢混凝土柱构件在轴心受力作用下的力学行为进行了计 算模拟，得出型钢混凝土柱构件加载端荷载位移曲线、不同荷载作用下粘结应力 和滑移量的分布规律。分析了混凝土强度、混凝土保护层厚度、横向配箍率、型 钢锚固长度等因素对构件粘结滑移的影响。 本文分析结果表明，型钢与混凝土之间的粘结滑移不可忽略，采用非线性弹 簧单元c o m b i n a t i o n 3 9 能较好模拟型钢与混凝土之间的粘结滑移；加载端荷载位移 曲线可较好地反映型钢混凝土柱构件的受力过程；不同荷载作用下、不同的锚固 深度处型钢混凝土粘结应力、滑移量的分布均不相同；混凝土强度、混凝土保护 层厚度、横向配箍率、型钢锚固长度等因素对型钢混凝土粘结性能均有影响，但 影响不尽相同，需分别进行考虑。 关键词：型钢混凝土；粘结滑移；非线性有限元；弹簧单元 分类号：t u 3 9 8 9 个 a b s t r a c t ： a bs t r a c t s t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t e ( s r c ) s t n l c 咖i sat y p eo fs t r u c t u r ew h i c hr e i n f o r c e d c o n c r e t ee m b r a c e ss t e e l i ti sa l s oam a i nk i n do fs t e e la n dc o n c r e t ec o m p o s i t es t r u c t u r e t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs r cs t r u c t u r e ；s u m m a r i z e st h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fs t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e si nh o m ea n da b r o a d ； d e s c r i b e st h eb a s i cp r o b l e m sa n dm e c h a n i s mo fb o n d - s l i po fs r cs t r u c t u r e s ；a n dg i v e s ad e t a i l e di n t r o d u c t i o no ft h er e s e a r c hs t a t u s ，a c h i e v e m e n t ，a n dt h ep r o b l e m se x i s t e da s t ot h eb o n d s l i pc o n s t r u c t i o n an o n l i n e a ra n ds e p a r a t et y p eo ff i n i t ee l e m e n to fm e c h a n i c a lm o d e li sb u i l t ，a n d t h em e t h o do fh a n d l i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni ss u m m a r i z e di nt h i sp a p e r t h e f e a s i b i l i t y o fu s i n ga n s y ss o f t w a r et o a n a l y z et h el i m i tb e a r i n gc a p a c i t yo ft h e b o n d s l i pc o n s t r u c t i o ni sa l s od i s c u s s e d t h i st h e s i sc a l c u l a t e st h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro f12s r cs h o r tc o l u m n so nt h e b a c k g r o u n do fa x i a lf o r c e t h er e l a t i o nb e t w e e nl o a da n dd i s p l a c e m e n t ，t h er u l eo fb o n d s t r e s sa n dt h es l i pi sg e t a n dt h ei n f l u e n c ei nt h eb o n d s l i pp r o p e r t i e sb yc o n c r e t e c o m p r e s s i o ns t r e n g t h ，t h i c k n e s so fc o n c r e t ep r o t e c t i v ec o v e r , s t i r r u pr a t i o ，a n d a n c h o r a g el e n g t hi sa l s og i v e n t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a t ：t h eb o n d s l i po fs r cs t r u c t u r e ss h o u l dn o tb e n e g l i g i b l e ，a n da d o p t i o nc o m b i n a t i o n 3 9c a ni m i t a t e st h eb o n d s l i pc o n s t i t u t i v er e l a t i o n s o ft h es r cs t r u c t u r e ；t h ed i s t r i b u t i o n so fb o n ds t r e s sa n ds l i pa l o n ga n c h o r a g el e n g t h a r ec h a n g e du n d e rd i f f e r e n tf o r c e s ；t h ei n f l u e n c eo ft h ec o n c r e t ec o m p r e s s i o ns t r e n g t h ， t h i c k n e s so fc o n c r e t ep r o t e c t i v ec o v e r , s t i r r u pr a t i o ，a n da n c h o r a g el e n g t ha r ed i f f e r e n t k e y w o r d s ：s t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t e ( s r c ) ；b o n d - s l i p ；n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t ； s p r i n ge l e m e n t c l a s s n o ：t u 3 9 8 9 目录 中文摘要i i i a b s t r a c t i v 1 绪论1 1 1 型钢混凝土结构的概念及特点。1 1 1 1 型钢混凝土结构的概念1 1 1 2 型钢混凝土结构的特点2 1 2 型钢混凝土结构的研究与发展3 1 2 1 型钢混凝土结构在国外的研究与发展3 1 2 2 型钢混凝土结构在我国的研究与发展4 1 3 国内外型钢混凝土设计规程的比较4 1 3 1 国外型钢混凝土设计规程4 1 3 2 我国型钢混凝土设计规程6 1 4 型钢混凝土粘结滑移的基本问题一6 1 4 1 问题的提出6 1 4 2 型钢混凝土粘结滑移基本概念7 1 4 3 型钢混凝土粘结滑移的基本机理8 1 5 型钢混凝土粘结滑移常用试验描述9 1 6 型钢混凝土粘结强度及其影响因素1 2 1 7 本课题的主要研究任务1 4 2 型钢混凝土结构粘结滑移本构关系研究1 5 2 1 概j 盔15 2 2 型钢混凝土粘结强度的计算1 5 2 2 1 临界保护层厚度1 5 2 2 2 型钢混凝土粘结强度的计算1 6 2 2 3 粘结破坏荷载计算理论1 7 2 2 4 局部粘结破坏荷载尸f 18 2 2 5 粘结破坏极限荷载r 1 9 2 3 粘结滑移本构关系的建立2 0 2 3 1 型钢与混凝土相对滑移的确定2 0 2 3 2 型钢与混凝土粘结滑移的z q 本构方程2 0 4 1 概述3 3 4 2 建模依据3 3 4 3 单元类型3 4 4 4 材料性质3 6 4 5 实体建模3 7 4 6 本章小结4 2 5 型钢混凝土柱的数值结果分析4 3 5 1 荷载位移曲线分析4 3 5 2 粘结应力分析4 6 5 3 滑移量分析4 9 5 4 各影响因素分析5 6 5 4 1 混凝土强度影响分析5 6 5 4 2 混凝土保护层厚度影响分析5 7 5 4 3 横向配箍率影响分析5 8 5 4 4 型钢锚固长度影响分析5 9 5 5 本章小结6 0 6 结论与展望6 1 6 1 结1 沧6 1 6 2 展望6 2 参考文献6 4 作者简历6 6 独创性声明6 7 学位论文数据集6 8 1 绪论 1 1型钢混凝土结构的概念及特点 1 1 1 型钢混凝土结构的概念 型钢混凝土( s t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t e 简称s r c ) 结构是指在混凝土中主要配置 型钢，并配有一定的构造钢筋及受力筋的结构，是钢与混凝土组合结构的一种主 要形式【1 1 。 型钢混凝土结构在不同的国家有不同的叫法，日本称之为钢骨混凝土结构， 欧美等西方国家称之为混凝土包钢结构，前苏联则称之为劲性钢筋混凝土结构。 根据不同的配钢形式，型钢混凝土结构可以分为实腹式配钢型钢混凝土和空腹式 配钢型钢混凝土两大类。实腹式型钢主要有工字钢、槽钢及h 型钢等；空腹式型 钢是由角钢构成的空间桁架形式的骨架。实腹式型钢混凝土结构具有相当好的延 性及很大的耗能能力，抗震性能良好。而空腹式型钢混凝土构件的抗震性能与钢 筋混凝土结构( r c ) 基本相同。因此，目前在抗震结构中多采用实腹式型钢混凝土 构件。常用的实腹式型钢混凝土柱、梁、剪力墙和节点等构件典型截面形式见图 1 1 【i - 4 】。 鬃、桂截蕊形式剪力墙截猫形式 棱型镑 ( b ) 节点藏面形式 桎型锶 图1 1 实腹式型钢混凝土典型截面形式 f i g 1 1f o r mo fc r o s ss e c t i o no fs o l i dw e bs t e e l 画固一 画画 1 1 2 型钢混凝土结构的特点 以型钢和钢筋混凝土组成的型钢混凝土组合结构，对钢结构来说，钢筋混凝 土为新的组成部分；对钢筋混凝土结构来说，型钢是新的组成部分。相对于钢结 构和钢筋混凝土结构，型钢与混凝土组成的结构性能，既有量的改变也有质的改 变，即发挥了两种结构各自的优点，又克服了各自的缺点。 型钢混凝土结构与纯钢结构相比的优点【卜剐： ( 1 ) 外包钢筋混凝土能够承受拉、压、弯、剪能力，并且能够约束型钢或钢板， 有效防止其局部屈曲的发生，提高整体构件的刚度，使得强度的利用更为充分， 从而节约钢材，降低结构的建造成本。 ( 2 ) 纯钢结构的整体刚度偏小，尤其是侧向刚度，因此抗侧移能力差，即使在 结构体系中施加一定的抗侧支撑或减震系统也难免在大风或地震时使结构产生较 大的振动，不易满足建筑物稳定性和舒适度等要求。但型钢混凝土结构刚度大， 容易满足水平变位限制的要求。 ( 3 ) 纯钢结构的结构阻尼比较小( 约为0 0 1 ) ，而型钢混凝土结构相对来说阻尼 比大，并具有良好的延性。因此，型钢混凝土结构有利于改善结构的自振特性， 具有良好的抗震性能，适合应用于高层和超高层建筑结构。 ( 4 ) 防火耐久性能好。根据试验，混凝土的耐火性能优于钢结构。当s r c 柱 的混凝土保护层厚度达到4 0 m m 时，可以耐火3 h ，而一般s r c 组合结构中混凝土 保护层厚度均大于4 0 m m ，因此只需保证一定的保护层厚度，就可以达到很好的抗 火性能。此外，外包混凝土有利于提高结构的耐久性能，省去了钢结构的防护层。 这些性能对建筑的安全来说至关重要。 型钢混凝土结构与钢筋混凝土结构相比的优剧9 1 0 】： ( 1 ) 受力合理，材料利用充分。型钢混凝土构件充分利用混凝土的抗压性能和 钢材的抗拉压性能，钢筋混凝土与型钢形成整体，共同受力。因此，型钢混凝土 构件的承载力可以高出同样横截面的钢筋混凝土构件一倍以上；换句话说，同样 承载力的构件，其截面尺寸可以减小，因而不会形成“肥梁胖柱”，有利于建筑物 内部空间的利用。 ( 2 ) 抗震性能好。与混凝土结构相比，型钢混凝土结构的延性和滞回耗能有很 大提高，尤其是配置实腹式型钢的型钢混凝土组合结构构件的延性性能、承载力、 刚度更优于配置空腹型钢的型钢混凝土组合结构构件。因此，在强地震中，实腹 式结构构件呈现出良好的抗震性能。在设计时，型钢混凝土组合结构的阻尼比略 低于钢筋混凝土的结构，因而能使结构优化；此外，较小的结构自重也有利于高 层建筑的减震与抗震设计，通过设置消能机构减小地震反应，以达到明显的抗震 2 效果。 ( 3 ) 在施工方面，型钢骨架可作为临时的支架承担上面若干层施工荷载，从而 有利于节省施工费用，缩短施工周期。 1 2型钢混凝土结构的研究与发展 1 2 1 型钢混凝土结构在国外的研究与发展 自1 8 5 6 年发明了转炉和平炉炼钢法，钢结构以其材料强度高、重量轻等优点 被广泛应用于土木和建筑结构中，特别是在其应用于高层及大跨度结构中后，钢 结构得到了飞速的发展。而钢结构的耐火、耐久性差及刚度小、受压易失稳等问 题促使着人们不断地研究，以期改善性能【】。 组合结构最早在1 9 世纪末开始存在，最早出现的钢与混凝土组合结构主要是 为了防火和防锈蚀。英，美等国在钢梁与钢柱外面包裹混凝土形成组合梁，组合 柱，当时只考虑混凝土外壳对钢结构的防火与防护作用，并没有意识到要利用钢 与混凝土组合以后新增的强度和刚度。其虽已形成了型钢混凝土结构，但没有考 虑两者之间的组合作用，没有考虑混凝土对构件承载能力的提高，仍按钢结构来 计算。 随着组合结构在工程实践中的应用，人们开始意识到钢与混凝土组合以后可 以提高构件的承载能力和刚度。1 9 0 8 年b u r r 在纽约做了空腹式型钢混凝土柱的试 验，发现型钢外包混凝土后，强度和刚度大大提高。后来，s t a n g 和f a b e r 所做的 试验又进一步证实了b u r r 的发现。日本从1 9 2 0 年以后即开始研究型钢混凝土结构。 1 9 2 8 年齐田时太郎作了中心受压柱试验，1 9 2 9 年滨田稔作了偏心受压柱试验，1 9 3 2 年内滕多仲作了梁柱节点试验，1 9 3 7 年棚桥谅进行了梁的试验。1 9 5 1 年日本建筑 学会成立了型钢混凝土结构分会，进行了大量试验研究。 日本及西方国家在2 0 世纪初开始应用组合结构f 1 2 1 3 】。最早的大型组合结构是 1 9 1 8 年的旧东京海上大楼( 地上7 层) ，柱及内部大梁的钢骨均外包了混凝土。1 9 2 1 年内滕多仲进行了日本兴业银行( 地上7 层、地下1 层) 的结构设计，是真正意义上 的型钢混凝土结构。1 9 2 3 年日本关东大地震，在房屋高度约为3 0 m 的建筑中，外 包砖砌体钢结构、混凝土结构、砖石结构等受害较为严重，而已建成的几幢型钢 混凝土结构建筑物所受损伤极其轻微。从此，型钢混凝土结构被认为抗震是安全 的。之后，在日本，6 层以上的建筑物开始广泛采用型钢混凝土结构并逐渐发展成 为日本所独特的一种结构。 3 1 2 2 型钢混凝土结构在我国的研究与发展 我国对型钢混凝土结构的研究起步较晚，5 0 年代初，我国从前苏联引进了型 钢混凝土结构。包头电厂的主厂房和鞍山钢铁公司的混铁炉基础都是由前苏联设 计、由我国施工的型钢混凝土结构。后来我国设计人员也按前苏联规范设计了型 钢混凝土结构，如郑州铝厂的蒸发车间等。6 0 年代后期由于片面强调节约钢材， 这种结构几乎停止使用。2 0 世纪8 0 年代后期，随着我国经济的发展，型钢混凝 土结构也越来越受到我国工程界的重视，开始进行较为系统的研究，取得了一系 列研究成果，并在一些高层建筑和桥梁工程中采用。原冶金部建筑研究总院、清 华大学、湖南大学、西安建筑科技大学等科研院所系统研究了各种配钢方式的型 钢混凝土梁、柱、节点等各种构件的基本性能。进而于2 0 世纪9 0 年代又进行了 型钢混凝土框架结构的模拟地震振动台试验，深入研究了结构的静、动力特性与 分析方法，在我国自己的试验研究基础上制定了一套较完整的设计计算理论。 目前，我国已兴建了许多型钢混凝土结构高层建筑【l 训。如1 9 9 5 年建成的北京 香格里拉饭店，地上2 4 层，高度8 3 m ；1 9 9 2 年建成的深圳八一大楼，地上8 l 层， 高度2 8 8 m ；1 9 9 3 年建成的上海浦东国际金融大厦，地上5 3 层，高度2 2 1 m ；1 9 9 4 年建成的上海世界金融大厦，地上4 3 层，高度1 7 4 m1 9 9 8 年建成的广州汽车大 厦，地上4 0 层，高度1 7 5 m 。此外还有沈阳福林广场大厦，地上3 0 层，高度9 9 m ； 陕西信息大厦，地上5 2 层，高度1 8 9 m ；上海环球金融中心大厦，地上9 5 层，高 度4 6 0 m ；南宁宝都大厦，地上主楼4 8 层，高度1 6 9 m ；香港中环东北大楼，地上 主楼8 8 层，高度4 2 0 m ；上海金茂大厦，地上主楼8 8 层，建筑总高度4 2 1 m ；中 国台北国际金融大厦，地上主楼1 0 1 层，建筑总高度为4 4 8 m 。以上高层建筑均采 用了型钢混凝土结构，但总的来说，同国外相比应用相差较远，如日本6 层以上 的建筑物采用型钢混凝土结构的建筑面积占总建筑面积的6 2 8 ，而我国型钢混凝 土结构占总建筑面积不足千分之一。由此可以看出，在将来很久一段时间内，型 钢混凝土结构在我国仍旧有着非常广阔的发展前景。 1 3 国内外型钢混凝土设计规程的比较 1 3 1 国外型钢混凝土设计规程 从2 0 世纪5 0 年代开始，对于型钢混凝土( s r c ) 结构性能的研究逐渐形成体系。 很多学者在计算模型、计算和分析方法及简化计算等方面做了大量工作，提出了 很多风格各异的、适合本国国情的理论和方法，但概括起来不外乎钢结构和钢筋 4 混凝土结构两个方向。所谓的钢结构方向是指源于钢结构，以允许应力理论强度 为设计依据的s r c 结构设计方法。所谓钢筋混凝土方向则指源于钢筋混凝土结构， 以极限强度理论为设计依据的设计方法，两者各具特色。两种理论不同之处主要 体现在对型钢和混凝土共同作用的问题。 s r c 结构在日本的应用与研究比较广泛。1 9 5 8 年出版了钢骨钢筋混凝土计 算标准及其说明。1 9 6 3 年进行了修订，并增加了轻骨料混凝土内容。1 9 7 5 年出 版了第二次修订版，引入了强剪弱弯的计算方法。1 9 8 7 年，日本建筑学会出版了 s r c 结构设计规范第三版( a u s r c ) 。此规范除了保留了以往的容许应力设计法 外，还增加了水平承载力验算的条款，并给出了梁柱节点、连接、柱脚及剪力墙 等的计算公式。但日本以强度叠加法作为理论基础。强度叠加法有两种，一种是 “简单叠加法”，即不考虑构件轴向力的作用而简单地将型钢和钢筋混凝土所分别 承担的弯矩叠加；一种是“一般叠加法”，即将型钢和混凝土所分别承担的弯矩同 时考虑构件轴力的影响，前一种方法计算简单，但结果偏于保守，后一种方法计 算较为困难，但设计较为经济【”_ 1 。7 1 。 欧美国家的计算理论基于钢结构的计算方法，建立以试验与数值分析为基础 的经验公式。美国有关型钢混凝土结构的设计在混凝土结构设计规范a c i 和钢结 构设计规范a i s c - - l r f d 中均有规定。在a c i 规范中将型钢视为等值钢筋，然后 再以钢筋混凝土结构的设计方法进行型钢混凝土构件的设计。在a i s c - - l r f d 规 范中以钢结构计算方法为基础，根据型钢混凝土结构大量的试验结果，经数值分 析计算，引入一定的参数加以调整建立经验公式。但此方法是否准确符合构件的 实际受力行为，仍有待于进一步探讨【l 5 1 。 以前苏联为代表的极限强度理论认为型钢与混凝土完全共同工作，并认为在 极限荷载下，型钢是完全屈服的。1 9 5 1 年前苏联电力建设部出版了s r c 结构的设 计规范，该规范是以空腹式型钢的梁和柱及框架结构为主要对象的设计规范，没 有设置箍筋和钢筋。1 9 7 8 年前苏联又出版了s r c 结构设计指南c n 3 7 8 ，其内容 主要是以实腹式型钢为主，并强调了箍筋和纵向钢筋的作用，认为型钢与混凝土 之间具有可靠的粘结力，即将型钢与混凝土视为一个整体，其设计方法几乎是完 全套用钢筋混凝土结构的设计方法。计算结果偏于不安全【l 5 1 。 综上所述，目前型钢混凝土结构设计的三种基本思路是：采用累加原理，将 型钢和钢筋混凝土部分的承载力累加，日本规范采用这种方法；考虑外包混凝土 的折算刚度，按钢结构设计方法计算，这种方法主要在欧美国家应用，适用于用 钢量较大的情况；考虑型钢应力分布的影响后，按钢筋混凝土结构设计方法，前 苏联采用这种方法。 5 1 3 2 我国型钢混凝土设计规程 为了指导我国型钢混凝土结构的发展，1 9 9 8 年原冶金部参考了日本钢骨规范 主持制定和颁布了我国第一部钢骨混凝土结构设计规程( y b 9 0 8 2 - - - 9 7 ) 【墙】；2 0 0 2 年建设部又颁布了型钢混凝土组合结构技术规程( j g j l 3 8 2 0 0 l v l 9 】，对型钢 混凝土压弯构件承载力的计算引入了平截面假定。对受压区混凝土的应力简化为 等效的矩形应力图形，其高度取按平截面假定所规定的中和轴高度乘以系数o 8 ， 型钢腹板的应力图形为拉、压梯形图形，设计计算时简化为等效矩形应力图形。 见图1 2 所示。 r csr cs 图1 2 极限状态时应力图形 f i g 1 2l i m i ts t a t eo fs t r e s s 该规程中规定的方法仍然是一种基于钢筋混凝土结构的设计方法。但在引入 平截面假定后，对型钢的承载力计算加以调整，承载力计算结果居于日本规程与 前苏联规程二者之间。 1 4型钢混凝土粘结滑移的基本问题 1 4 1问题的提出 型钢混凝土组合结构具有承载能力高、延性好、刚度大及抗震性能优越等特 点，结合了钢结构和普通混凝土结构的优点。而型钢混凝土结构良好的性能是以 型钢和混凝土在保证粘结性能下协同工作为前提的。正是由于这种粘结作用，使 型钢与混凝土界面实现应力传递，建立起结构承载所需的工作应力，以共同抵抗 各种外部作用效应，组成一种真正的“组合 结构。型钢与混凝土之间的粘结作 6 用力直接影响着型钢混凝土结构和构件的承载能力、力学性能、破坏形态、计算 理论、裂缝和变形及耐久性。 根据国内外学者的试验研究，型钢与混凝土之间的粘结强度远远小于钢筋混 凝土结构中钢筋与混凝土的粘结强度【2 0 1 。日本学者根据其试验测得的粘结强度， 认为只有光圆钢筋与混凝土粘结强度的4 5 ，而国内学者认为只有其6 0 。另一 方面，国内外学者在型钢混凝土梁柱的试验中发现，在达到构件的极限强度的8 0 以前，混凝土与型钢滑移较小，平截面假定基本成立。而达到加载后期，特别是 构件临近破坏前，型钢与混凝土之间的滑移相当明显，不可忽略，此时平截面假 定不再成立。只有按照完全剪切计算设置剪切连接件的构件，才可认为型钢与混 凝土之间完全协同工作。因此，对于不设置剪切连接件的构件必须考虑粘结滑移 的影响。 有限元法在结构计算上的发展和完善，为各种复杂的结构和构件的分析提供 了新的手段。已有许多学者用有限元法来计算型钢混凝土结构与构件，并取得了 许多比较成熟的研究成果。但对于型钢与混凝土的粘结问题，仍缺乏本质的深入 研究，主要表现在建立合理的粘结单元，确定合理的粘结刚度以及粘结滑移本构 模型。因此在型钢混凝土结构的计算中不可能获得理想的精确结果。所以，提出 合理的粘结滑移模型，确定粘结滑移破坏准则，进而建立粘结滑移本构关系的计 算公式，并利用有限元知识进行研究分析，是发展型钢混凝土结构计算理论的基 本前提。 总之，型钢混凝土的粘结是型钢混凝土结构理论中最重要的基本问题。而目 前各国规范对型钢混凝土结构构件的计算方法，都简化或避开了对型钢与混凝土 之间的粘结滑移问题的精确处理。因此，开展型钢混凝土粘结滑移性能的研究是 非常有意义和迫切的。 1 4 2 型钢混凝土粘结滑移基本概念 在研究及工程设计中，最常用的概念便是粘结强度及粘结滑移本构关系【2 1 1 。 1 平均粘结强度 在型钢混凝土粘结滑移推出试验研究中，般取外加荷载作用时，在型钢混 凝土连接面总表面积上的粘结应力平均值( 外加荷载除以总表面积) 为平均粘结应 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 于型钢混凝土的实际粘结应力沿型钢埋置长度是变化分布的，因此，所取的粘结 强度为型钢混凝土平均粘结强度。平均粘结强度可作为实用设计中强度计算的依 据。 7 2 局部最大粘结强度 局部最大粘结强度一般取达到极限状态时，沿型钢埋置长度各点处的最大粘 结应力值为局部最大粘结强度。局部最大粘结强度主要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。 3 残余粘结强度 在型钢混凝土粘结滑移推出试验研究中，外加荷载持续增大，型钢与混凝土 之间的化学胶结力完全丧失后，粘结力主要靠摩擦阻力和机械咬合力提供。此时 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，称此粘结强度为残 余粘结强度。 4 粘结滑移本构关系 型钢混凝土结构和构件在受力后，由于粘结裂缝及混凝土劈裂裂缝的存在， 在型钢与混凝土的界面上，应力应变状态变得异常复杂。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界 面上的相对滑移，并根据粘结应力f 和粘结滑移量s 的对应关系，建立型钢混凝土 的粘结滑移本构关系，一般简称为粘结滑移的卜$ 关系，粘结应力是指型钢表面 的切向应力，滑移为型钢与其连接面上对应位置混凝土的相对位错。 1 4 3 型钢混凝土粘结滑移的基本机理 在型钢混凝土结构中，型钢与混凝土两种性能不同的材料能够共同受力是由 于它们之间存在粘结作用。这种作用使型钢混凝土连接面上型钢与混凝土能实现 应力传递，从而建立起结构承载所需的工作应力。主要由三部分组成【2 2 27 j ：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。化学胶结力是水泥浆体产生的两种材料界面上的 化学吸附力，它是由水泥浆体向型钢表面氧化层渗透及养护过程中水泥胶体的生 长硬化决定的。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，水泥胶体被剪断或挤碎，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。 在化学胶结力退出工作之后，型钢与混凝土主要靠相互之间的摩擦阻力和机械咬 合力来维持共同工作。摩擦阻力主要取决于型钢与混凝土界面上的j 下应力和摩擦 系数，主要与型钢混凝土构件的受力和横向约束( 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 面状况和混凝土强度，对于未在型钢表面加设剪切连接件的构件，机械咬合力在 总粘结力中所占比重较小。 个 个i 豳臣圃 图1 3 型钢混凝土结构的构成示意图 f i g 1 3t h ec o n s t i t u t i o no fr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e 与钢筋混凝土构件中钢筋不同，型钢混凝土构件中型钢的几何形状与受力性 能具有特殊性，故其粘结性能表现出很大的特殊性和复杂性。型钢与混凝土的接 触面积大，截面形状相对复杂，因此严格来讲，型钢混凝土之间的粘结必须考虑 纵向、横向和法向三个方向的作用。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刚度也存在差异，另一方面， 粘结滑移刚度还将沿着型钢埋置长度退化。在有限元分析中，一般是设法得到纵 向的粘结滑移本构关系，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。 1 5型钢混凝土粘结滑移常用试验描述 型钢混凝土的粘结滑移基本性能一般采用推出试验( p u s h o u tt e s t ) 和短柱试验 ( s h o r t c o l u m nt e s t ) 获得。推出试验能够较好地模拟粘结滑移时的受力状态，便于测 试与确定型钢与混凝土之间的粘结滑移刚度和粘结强度，是如今研究中常用的一 种方法。短柱试验更接近于工程实际情况，但不便于粘结滑移的测试，常作为补 充试验方法。故本课题仅介绍推出试验。 9 弱圈 空 ( a ) 推出试验 b ) 短疆试验 图1 4 型钢混凝士粘结性能常用试验方法 f i g 1 4t e s to fb o n ds t r e n g t h 文献 2 1 对2 0 个型钢混凝土短柱进行了推出试验。其考虑到工字钢的特殊性 以及型钢翼缘和腹板的粘结滑移刚度的差异，采用组合h 型钢束模拟型钢，并通 过开槽内贴电阻应变片的办法分别测量型钢翼缘和腹扳部位的应变，进而得出平 均粘结应力的大小及分布。加载方式如图1 5 所示。 围定不动 f 可；| ；i 一 向上加载命向上加载疆 图1 5 试验加载方案 f i g 1 5p u s h - o u tt e s ts e t - u p 在图1 5 的加载装置中，混凝土上端固定不动，下端自由，型钢承受自下而上 的推力荷载。滑移首先发生在下部，再逐渐传递至上部。 通过对荷载滑移曲线的分析研究可得，推出试验的荷载滑移曲线可归纳为图 1 6 中的两种典型情况。分别以p 表示加载端荷载，西表示加载端滑移。并且可将 其分为五个受力阶段： l o o 。5 ( 毪+ b ) s 拍s h 8 r ) o 。5 倪+ 琏) s 粕s u s f 图1 6p - s t 曲线的两种典型情况 f i g 1 6t w ot y p i c a lp - s ic u r v e s ( 1 ) 无滑移阶段( o - a 段) ：加载初期，化学胶结力在发挥主要作用，加载端和 自由端均不发生明显滑移。 ( 2 ) 滑移段似- a 段) ：加载至一定的荷载( 4 卜8 0 的极限荷载) 时，加载端发生 滑移，自由端一般仍然不发生滑移，瑚曲线表现出一定的非线性。 ( 3 ) 破坏段口，b 段) ：随着荷载的逐步加大，加载端滑移发展加快，自由端开 始滑移，荷载接近极限荷载时，加载端出现裂缝，自由端滑移增大。 ( 4 ) 下降段佃一c 段) ：荷载达到峰值后，加载端和自由端滑移大幅度发展，裂 缝全面展开。 ( 5 ) 残余段( co 段) ：滑移达到一定阶段后，荷载不再下降，稳定在一定荷载 水平。 加载端荷载位移曲线可以折算成平均粘结应力位移曲线，能够反映其本构关 系的基本特征，从而可以确定各特征粘结强度值。对应于试验实测的间曲线的 五个受力阶段，需要定义以下特征值来进行描述。 三个特征荷载值： ( 1 ) 初始滑移荷载只：化学胶结力逐步丧失，加载端开始产生滑移。 ( 2 ) 极限荷载r ：化学胶结力完全丧失，摩擦力和机械咬合力发挥主要作用， 达到荷载极限。 ( 3 ) 残余荷载p ，：机械咬合力全部丧失，型钢混凝土连接面趋于光滑，间 曲线下降端的终点和水平残余端的起点。 同时定义三个特征滑移值： ( 1 ) 转折点滑移值足越：为点彳对应的滑移值。 ( 2 ) 极限状态滑移值：极限状态对应的滑移值。 ( 3 ) 残余阶段初始滑移值s ：水平残余阶段的起始点对应的滑移值。 1 6型钢混凝土粘结强度及其影响因素 影响型钢混凝土粘结性能的因素很多，根据国内外一系列研究成果，并结合前 文关于型钢混凝土粘结机理的分析，可得出以下几个方面： 1 混凝土强度 研究表明【2 8 1 ，型钢与混凝土连接面上化学胶结力的大小直接关系到粘结强度 的高低。提高混凝土的强度等级，可增加型钢与混凝土之间的化学胶结力，从而 使其粘结强度得到相应的提高。而且粘结破坏大多是由于连接面上混凝土的开裂 加快粘结滑移的发展甚至引起胶结滑脱，从而降低粘结应力并导致粘结滑移沿型 钢锚固长度方向的扩展，其后虽然有摩擦阻力和机械咬合力产生，但其量值在总 粘结力中所占比例较小。故混凝土的强度等级对型钢混凝土的最大粘结强度有较 大的影响。因此提高混凝土强度等级，使其抗裂性能增强，则可有效地抑制粘结 裂缝的出现，提高型钢与混凝土之间的平均粘结强度。所以混凝土的强度等级是 影响型钢与混凝土之间粘结强度的主要因素。 2 混凝土保护层厚度 混凝土保护层厚度对型钢混凝土的粘结性能的影响主要是通过其对型钢横向 变形的约束作用来体现的。当混凝土保护层厚度不足时，粘结破坏常因保护层的 开裂而影响粘结强度的发展【2 引。试验表明，在一定范围内，混凝土保护层厚度越 厚，则对型钢的约束作用越强，在型钢与混凝土界面上形成的正应力及相应的摩 擦阻力愈大，从而粘结强度愈高；但当保护层达到某一临界值时，最大粘结强度 并不随保护层的增大而变大，即粘结应力的发展不受保护层开裂的限制，此时型 钢混凝土发生粘结滑移破坏，粘结强度提高有限。因此仅靠增加保护层厚度提高 型钢与混凝土的粘结强度是不经济的。保护层厚度对粘结强度的影响具体如下： 当混凝土保护层厚度 6 0 m m 时，型钢混凝土粘结强度并无明显提高；但当保 护层厚度 6 0 m m ，尤其 c c r ) ，保护层不开裂时的粘结强度 当型钢混凝土保护层厚度大于临界保护层厚度时，型钢混凝土粘结强度主要 与混凝土强度和型钢表面状况有关，因此取型钢混凝土粘结强度为： = o 0 5 6 4 4 k l f ：= 0 3 4 0 k l f l 5i ，1 ，、 勺= o 0 9 0 k , f = o 5 4 4 k l f l 5i 、 ( 2 ) 混凝土保护层小于临界保护层厚度( g 加 g 时， p ：兰( 笠竺! 鱼 k 4 k l ( b i + 1 ) 0 5 4 4 l 。 。 k 2 1 7 6 k ，( b ，+ 以) 乞 。 k 当c m 加s c