型钢混凝土粘结滑移性能研究现状

涂木兰+��

【摘要】本文主要总结了型钢混凝土粘结滑移性能的研究形状，包括型钢混凝土粘结滑移推出试验、影响型钢混凝土粘结滑移性能的因素以及特征粘结强度的计算。

【关键词】型钢混凝土结构;粘结滑移性能;推出试验;粘结强度

Status of Bond-Slip Research on Steel Reinforced Concrete Structures

Tu Mu-lan

（Chengdu Normal University，College of Physics and EngineeringChengduSichuan611130）

【Abstract】The overview focuses on the bond-slip behavior of steel reinforced concrete structures，including push-out test of bond-slip、the factors impacting the bond-slip of steel reinforced concrete structures and calculation of bond strength.

【Key words】Steel reinforced concrete structures;Bond-slip behavior;Push-out test;Bond strength

1. 前言

（1）型钢混凝土结构即为在混凝土中配置型钢或以配型钢为主的结构。由于其承载能力高、延性好以及良好的抗震性能，近些年来，在我国的高层及超高层建筑工程应用中日益广泛。

（2）型钢混凝土结构是型钢与混凝土共同组成的组合构件，在承载过程中，型钢与混凝土协同工作、共同受力。试验表明由于型钢与混凝土材料不同，当达到一定的荷载后，型钢与混凝土之间将产生较明显的滑移，变形不能协调一致，在这种状况下，研究混凝土与型钢之间如何传递应力，如何协调变形，将不可避免地涉及粘结-滑移关系的研究。因此，粘结-滑移关系对于深入了解型钢混凝土结构受力特征、工作机理有着重要的意义。

（3）日本、欧美和前苏联对型钢混凝土结构的研究较早，应用也较为普遍，但日本的设计方法忽略了型钢与混凝土之间的共同工作，并把型钢混凝土构件的承载能力视为混凝土部分和型钢部分承载能力的叠加，这样做显然过于偏安全。而前苏联则按照型钢与混凝土完全协同工作考虑，这显然又过分夸大了型钢与混凝土之间的粘结作用，计算结构偏于不安全。欧美的设计规范主要给出的是以试验和数值分析为基础的经验公式，它也避开了型钢混凝土结构中实质的、也是难于处理的型钢与混凝土之间的粘结滑移问题而没有进行深入的探讨。

（4）我国学者自20世纪80年代开始，对型钢混凝土构件的强度、刚度及抗震承载力等方面进行了研究，并普遍认为型钢与混凝土之间的粘结滑移对型钢混凝土构件的受力性能有显著影响。同时也做了大量的试验研究和理论分析，获得了型钢与混凝土之间的粘结滑移分布及其规律、粘结滑移作用机理及各种影响因素等。

2. 型钢混凝土粘结-滑移试验

2.1型钢与混凝土之间粘结力。

型钢混凝土结构中，型钢与混凝土之间的粘结力由两部分组成，即混凝土的化学胶结力和混凝土与型钢表面的摩阻力。试验证明，加载初期主要是化学胶结力起作用;而加荷后期，胶结力遭到破坏以后，主要是混凝土界面与型钢表面的摩阻力作贡献。

2.2型钢与混凝土粘结-滑移试验。

（1）早期的试验大多是以简支梁的形式来试图确定型钢与混凝土之间的粘结强度，然而从这些研究资料中发现，在梁端型钢与混凝土之间的相对滑移量没有测出来，并混淆了水平剪切破坏与粘结破坏，而且对破坏荷载的计算方法缺乏一致性。目前的试验主要采用推出试验（图1）和短柱试验，短柱试验虽然更接近于型钢混凝土柱的真实受力情况，但是推出试验能更好地确定型钢混凝土粘结刚度和粘结强度，是较常采用的方法。

（2）由于实际工程中构件的受力性质不同，粘结滑移性能也有所区别。因此，除了进行推出试验外，尚需测定梁、柱节点等基本构件的粘结滑移性能，以便更直接地用于实际工程设计中。试验时一般应在型钢上沿着在混凝土中的埋置长度粘结电阻应变片和埋置滑移传感器，以测得沿着型钢埋置长度粘结应力的分布规律、型钢与混凝土的粘结强度以及粘结应力与粘结滑移的本构关系。

图1推出试验示意图

3. 型钢-混凝土粘结强度的主要影响因素

3.1保护层厚度。

一些研究表明，型钢的混凝土保护层厚度是影响粘结裂缝和粘结破坏的主要因素之一。型钢与混凝土的平均粘结强度在一定范围内随着混凝土保护层厚度的增加而提高。这是因为混凝土凝固时的收缩使保护层对型钢表明产生了更大的正压力，导致两种材料之间的摩擦增大，从而提高了粘结强度;保护层厚度超过一定值后，对粘结强度的影响已经不大，这是因为滑移产生时对裂缝开展的影响不大。

3.2混凝土强度。

混凝土强度是影响粘结强度的因素之一。因为，较高强度的混凝土其化学胶结力亦较大，其抗拉强度较高。化学胶结力的大小直接关系到粘结强度的高低。抗拉强度高，抗裂性能较强，比较不容易出现粘结裂缝，对构件抗粘结劈裂破坏显然有利。

3.3配钢率。

根据试验，当配钢率较大时，随着配钢率的增大，粘结强度降低。因为较大配钢率的构件，相对周围握裹型钢的混凝土减少，因此握裹力就减小。对于同样截面大小的构件，配钢率的增多，也就意味着型钢的混凝土保护层减小，对粘结强度有一定影响。但是对于配钢率不大的构件，配钢率对粘结强度的影响不明显。因为后者具有足够多的混凝土握裹型钢，同样具有足够厚度的保护层。这与前述的保护层厚度达到一定大小以后，增加混凝土保护层厚度对粘结强度影响不明显的结论是一致的。国外型钢混凝土构件的配钢率一般较高，而我国型钢混凝土构件一般配钢率不大，因此对粘结性能影响不明显。

3.4横向钢筋配箍率。

试验证明横向钢筋配箍率的大小对初始滑移平均粘结应力及平均极限粘结强度影响不明显。但是配箍率的增加能增加对混凝土的约束，因此使残余粘结强度得到明显提高。这是因为加荷前期型钢与混凝土的粘结力主要依靠化学胶结力，而横向钢筋对化学胶结力并无多大作用。而在受荷后期，由于横向钢箍对混凝土的约束，提高了混凝土与型钢间的摩阻作用，因此使构件后期的粘结力提高。配置足够多的钢箍，对阻止型钢外围混凝土的劈裂破坏与混凝土保护层鼓出破坏是有效的。

3.5型钢埋置长度。

型钢埋置长度与粘结面大小对于构件承受总的粘结力有明显的影响。因为粘结面大，包括型钢埋置长度加大，都是增加了粘结面，因此在一定的纵向力作用下，分布于各点的粘结应力就明显减小。所以增加型钢埋置长度或采用合理的配钢方式以增加粘结面，是增强构件中型钢与混凝土粘结的有效措施。

3.6加载方式。

加载方式与型钢混凝土的粘结性能也存在着一定的关系。例如，承受均布荷载的型钢混凝土梁，由于梁上有荷载的“压迫”作用，促使型钢与混凝土之间的竖向压力和摩擦力增大，这有利于增强二者的粘结作用，减小型钢与混凝土界面上的纵向滑移，并阻止型钢外围混凝土向外鼓出。

4. 粘结强度的计算

4.1初始滑移粘结强度。

从上述可以看出，保护层厚度、混凝土强度和型钢埋置长度是影响初始滑移粘结强度的主要因素，而横向配箍率对初始滑移粘结强度的影响不明显，因此在计算时可不必考虑。由此得到初始滑移粘结强度的线性回归方程为：

s =（0.314+0.3292CSS/d-0.01821Le/d）  ft （1）

4.2极限粘结强度。

保护层厚度、混凝土强度和型钢埋置长度对极限粘结强度的影响比较明显，相对而言，横向配箍率的作用不太明显，因此只需考虑保护层厚度、混凝土强度和型钢埋置长度对极限粘结强度的影响，经回归分析得到极限粘结强度的计算公式为：

u =（0.2921+0.4593CSS/d-0.00781Le/d）  ft     （2）

当型钢的混凝土保护层厚度小于前述的临界厚度时，按实际保护层厚度计算;如果型钢的混凝土保护层厚度大于临界保护层厚度时，则取临界保护层厚度计算。

4.3水平残余粘结强度。

从推出试验中可看出，保护层厚度、混凝土强度和横向配箍率对水平残余粘结强度的影响比较明显，因此这里仅考虑保护层厚度、混凝土强度和横向配箍率的影响，建立水平残余粘结强度的线性回归方程为：

r=（-0.0117+0.3675CSS/d+0.3927ρSV）  ft       （3）

式中：     CSS——型钢的混凝土保护层厚度，mm;      d——型钢截面高度，mm;

Le——型钢埋置长度，mm;                 ρSV ——横向配箍率，%。

5. 结语

型钢与混凝土之间的粘结滑移性能不仅直接影响到型钢混凝土结构的受力性能，如构件的破坏形态、承载能力、裂缝和变形特征等，而且它与型钢混凝土构件的剪切连接、粘结锚固、耐久性设计也密切相关。同时，有限单元法和界面应力元法的发展和完善，为各种复杂的型钢混凝土结构和构件的分析提供了新的手段，但是也相应提出了一些非常重要并亟待解决的问题，如型钢与混凝土之间粘结滑移的数值模拟方法，主要表现在建立合理的粘结单元和确定合理的粘结刚度，以及粘结滑移本构模型。因此，要改进和完善现行型钢混凝土结构计算理论，并采用有限元或界面应力元方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滑移性能进行深入的研究。可以说，型钢混凝土的粘结滑移性能是型钢混凝土理论研究中最基本的问题，也是关键问题。本文主要是对现有的型钢混凝土的研究成果进行总结，包括型钢与混凝土的粘结滑移试验、影响型钢与混凝土之间粘结力的因素以及特征粘结强度的计算。由于型钢混凝土粘结性能的研究开展较晚，还有很多工作有待进一步深化。

参考文献

[1]赵鸿铁，张素梅.组合结构设计原理.北京：高等教育出版社，2005.

[2]聂建国，刘明，叶列平.钢-混凝土组合结构.北京：中国建筑工业出版社，2005.

[3]薛建阳，杨勇，赵鸿铁.型钢混凝土推出试验及其粘结强度研究.钢结构，2006.

[4]董宇光，吕西林，杨小川.钢骨与混凝土之间粘结-滑移性能研究进展.结构工程师，2005.

[文章编号]1619-2737（2014）10-20-813

3.4横向钢筋配箍率。

试验证明横向钢筋配箍率的大小对初始滑移平均粘结应力及平均极限粘结强度影响不明显。但是配箍率的增加能增加对混凝土的约束，因此使残余粘结强度得到明显提高。这是因为加荷前期型钢与混凝土的粘结力主要依靠化学胶结力，而横向钢筋对化学胶结力并无多大作用。而在受荷后期，由于横向钢箍对混凝土的约束，提高了混凝土与型钢间的摩阻作用，因此使构件后期的粘结力提高。配置足够多的钢箍，对阻止型钢外围混凝土的劈裂破坏与混凝土保护层鼓出破坏是有效的。

3.5型钢埋置长度。

型钢埋置长度与粘结面大小对于构件承受总的粘结力有明显的影响。因为粘结面大，包括型钢埋置长度加大，都是增加了粘结面，因此在一定的纵向力作用下，分布于各点的粘结应力就明显减小。所以增加型钢埋置长度或采用合理的配钢方式以增加粘结面，是增强构件中型钢与混凝土粘结的有效措施。

3.6加载方式。

加载方式与型钢混凝土的粘结性能也存在着一定的关系。例如，承受均布荷载的型钢混凝土梁，由于梁上有荷载的“压迫”作用，促使型钢与混凝土之间的竖向压力和摩擦力增大，这有利于增强二者的粘结作用，减小型钢与混凝土界面上的纵向滑移，并阻止型钢外围混凝土向外鼓出。

4. 粘结强度的计算

4.1初始滑移粘结强度。

从上述可以看出，保护层厚度、混凝土强度和型钢埋置长度是影响初始滑移粘结强度的主要因素，而横向配箍率对初始滑移粘结强度的影响不明显，因此在计算时可不必考虑。由此得到初始滑移粘结强度的线性回归方程为：

s =（0.314+0.3292CSS/d-0.01821Le/d）  ft （1）

4.2极限粘结强度。

保护层厚度、混凝土强度和型钢埋置长度对极限粘结强度的影响比较明显，相对而言，横向配箍率的作用不太明显，因此只需考虑保护层厚度、混凝土强度和型钢埋置长度对极限粘结强度的影响，经回归分析得到极限粘结强度的计算公式为：

u =（0.2921+0.4593CSS/d-0.00781Le/d）  ft     （2）

当型钢的混凝土保护层厚度小于前述的临界厚度时，按实际保护层厚度计算;如果型钢的混凝土保护层厚度大于临界保护层厚度时，则取临界保护层厚度计算。

4.3水平残余粘结强度。

从推出试验中可看出，保护层厚度、混凝土强度和横向配箍率对水平残余粘结强度的影响比较明显，因此这里仅考虑保护层厚度、混凝土强度和横向配箍率的影响，建立水平残余粘结强度的线性回归方程为：

r=（-0.0117+0.3675CSS/d+0.3927ρSV）  ft       （3）

式中：     CSS——型钢的混凝土保护层厚度，mm;      d——型钢截面高度，mm;

Le——型钢埋置长度，mm;                 ρSV ——横向配箍率，%。

5. 结语

型钢与混凝土之间的粘结滑移性能不仅直接影响到型钢混凝土结构的受力性能，如构件的破坏形态、承载能力、裂缝和变形特征等，而且它与型钢混凝土构件的剪切连接、粘结锚固、耐久性设计也密切相关。同时，有限单元法和界面应力元法的发展和完善，为各种复杂的型钢混凝土结构和构件的分析提供了新的手段，但是也相应提出了一些非常重要并亟待解决的问题，如型钢与混凝土之间粘结滑移的数值模拟方法，主要表现在建立合理的粘结单元和确定合理的粘结刚度，以及粘结滑移本构模型。因此，要改进和完善现行型钢混凝土结构计算理论，并采用有限元或界面应力元方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滑移性能进行深入的研究。可以说，型钢混凝土的粘结滑移性能是型钢混凝土理论研究中最基本的问题，也是关键问题。本文主要是对现有的型钢混凝土的研究成果进行总结，包括型钢与混凝土的粘结滑移试验、影响型钢与混凝土之间粘结力的因素以及特征粘结强度的计算。由于型钢混凝土粘结性能的研究开展较晚，还有很多工作有待进一步深化。

参考文献

[1]赵鸿铁，张素梅.组合结构设计原理.北京：高等教育出版社，2005.

[2]聂建国，刘明，叶列平.钢-混凝土组合结构.北京：中国建筑工业出版社，2005.

[3]薛建阳，杨勇，赵鸿铁.型钢混凝土推出试验及其粘结强度研究.钢结构，2006.

[4]董宇光，吕西林，杨小川.钢骨与混凝土之间粘结-滑移性能研究进展.结构工程师，2005.

[文章编号]1619-2737（2014）10-20-813

3.4横向钢筋配箍率。

试验证明横向钢筋配箍率的大小对初始滑移平均粘结应力及平均极限粘结强度影响不明显。但是配箍率的增加能增加对混凝土的约束，因此使残余粘结强度得到明显提高。这是因为加荷前期型钢与混凝土的粘结力主要依靠化学胶结力，而横向钢筋对化学胶结力并无多大作用。而在受荷后期，由于横向钢箍对混凝土的约束，提高了混凝土与型钢间的摩阻作用，因此使构件后期的粘结力提高。配置足够多的钢箍，对阻止型钢外围混凝土的劈裂破坏与混凝土保护层鼓出破坏是有效的。

3.5型钢埋置长度。

型钢埋置长度与粘结面大小对于构件承受总的粘结力有明显的影响。因为粘结面大，包括型钢埋置长度加大，都是增加了粘结面，因此在一定的纵向力作用下，分布于各点的粘结应力就明显减小。所以增加型钢埋置长度或采用合理的配钢方式以增加粘结面，是增强构件中型钢与混凝土粘结的有效措施。

3.6加载方式。

加载方式与型钢混凝土的粘结性能也存在着一定的关系。例如，承受均布荷载的型钢混凝土梁，由于梁上有荷载的“压迫”作用，促使型钢与混凝土之间的竖向压力和摩擦力增大，这有利于增强二者的粘结作用，减小型钢与混凝土界面上的纵向滑移，并阻止型钢外围混凝土向外鼓出。

4. 粘结强度的计算

4.1初始滑移粘结强度。

从上述可以看出，保护层厚度、混凝土强度和型钢埋置长度是影响初始滑移粘结强度的主要因素，而横向配箍率对初始滑移粘结强度的影响不明显，因此在计算时可不必考虑。由此得到初始滑移粘结强度的线性回归方程为：

s =（0.314+0.3292CSS/d-0.01821Le/d）  ft （1）

4.2极限粘结强度。

保护层厚度、混凝土强度和型钢埋置长度对极限粘结强度的影响比较明显，相对而言，横向配箍率的作用不太明显，因此只需考虑保护层厚度、混凝土强度和型钢埋置长度对极限粘结强度的影响，经回归分析得到极限粘结强度的计算公式为：

u =（0.2921+0.4593CSS/d-0.00781Le/d）  ft     （2）

当型钢的混凝土保护层厚度小于前述的临界厚度时，按实际保护层厚度计算;如果型钢的混凝土保护层厚度大于临界保护层厚度时，则取临界保护层厚度计算。

4.3水平残余粘结强度。

从推出试验中可看出，保护层厚度、混凝土强度和横向配箍率对水平残余粘结强度的影响比较明显，因此这里仅考虑保护层厚度、混凝土强度和横向配箍率的影响，建立水平残余粘结强度的线性回归方程为：

r=（-0.0117+0.3675CSS/d+0.3927ρSV）  ft       （3）

式中：     CSS——型钢的混凝土保护层厚度，mm;      d——型钢截面高度，mm;

Le——型钢埋置长度，mm;                 ρSV ——横向配箍率，%。

5. 结语

型钢与混凝土之间的粘结滑移性能不仅直接影响到型钢混凝土结构的受力性能，如构件的破坏形态、承载能力、裂缝和变形特征等，而且它与型钢混凝土构件的剪切连接、粘结锚固、耐久性设计也密切相关。同时，有限单元法和界面应力元法的发展和完善，为各种复杂的型钢混凝土结构和构件的分析提供了新的手段，但是也相应提出了一些非常重要并亟待解决的问题，如型钢与混凝土之间粘结滑移的数值模拟方法，主要表现在建立合理的粘结单元和确定合理的粘结刚度，以及粘结滑移本构模型。因此，要改进和完善现行型钢混凝土结构计算理论，并采用有限元或界面应力元方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滑移性能进行深入的研究。可以说，型钢混凝土的粘结滑移性能是型钢混凝土理论研究中最基本的问题，也是关键问题。本文主要是对现有的型钢混凝土的研究成果进行总结，包括型钢与混凝土的粘结滑移试验、影响型钢与混凝土之间粘结力的因素以及特征粘结强度的计算。由于型钢混凝土粘结性能的研究开展较晚，还有很多工作有待进一步深化。

参考文献

[1]赵鸿铁，张素梅.组合结构设计原理.北京：高等教育出版社，2005.

[2]聂建国，刘明，叶列平.钢-混凝土组合结构.北京：中国建筑工业出版社，2005.

[3]薛建阳，杨勇，赵鸿铁.型钢混凝土推出试验及其粘结强度研究.钢结构，2006.

[4]董宇光，吕西林，杨小川.钢骨与混凝土之间粘结-滑移性能研究进展.结构工程师，2005.

[文章编号]1619-2737（2014）10-20-813