型钢混凝土粘结滑移 研究现状及基本问题 STATE-OF-THEART AND BASIC PROBLEMS OF THESTUDY ON BOND-SLIP BETWEEN STEEL SHAPE AND CONCRETEIN 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
型钢凝土结性能的研究意义 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 学 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” 机械咬合力 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%极园凝→[自然粘结作用 限荷载以后,二者间有较大的相对滑移产生,变形不能协调 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 连接作用 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 陲接材相切连接伯 并减小施工费用并极大地缩短现场图1.1型钢混凝土结构的构成示意图 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 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 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
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 混凝土 自然粘结作用 连接作用 化 学 胶 结 力 机 械 咬 合 力 摩 擦 阻 力 型 钢 混 凝 土 构 件 型 钢 混 凝 土 结 构 连接材料 剪切连接件 • 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
型钢混凝土粉结滑移的基本概念 平均粘结强度在型钢混凝土粘结滑移推岀试验硏究中,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[0o4, 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, 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
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m 日本的坪井善勝、若林寒在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
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
型钢与混凝上结强度的究 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)(k1.2b) Bryson和 Mathey1962主要研究了型钢表面状况对型钢混 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 预留空隙g 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 (a)推出试验 短柱试验 图1.2型钢混凝土粘结试验形式 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 30%Pu 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 1002003004005006007 关系,得出粘结应力的分 距加载端距离/mm 布规律(见图1.4) 图1.3 Roeder推出试验方案图1.4粘结应力分布规律
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。 P 预留空隙 P 图1.2 型钢混凝土粘结试验形式 P 距加载端距离/mm 30%Pu 75%Pu Pu 2.0 粘结应力/MPa 0.4 200 0.0 0 100 0.2 300 400 500 0.6 0.8 1.2 1.0 1.4 1.8 1.6 600 700 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