埋入式钢板-混凝土界面抗剪性能试验研究

范 亮，何 骏

(重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074)



埋入式钢板-混凝土界面抗剪性能试验研究

范 亮，何 骏

(重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074)

钢板与混凝土界面抗剪强度和剪力-滑移关系是钢-混凝土组合结构全过程受力分析中的重要依据。在典型剪力键剪力-滑移本构模型的基础上，建立埋入式钢板-混凝土界面抗剪本构模型。通过一组21个试件的抗剪试验，得到了考虑混凝土强度和钢板表面粗糙度的埋入式钢板-混凝土界面抗剪强度和典型黏结滑移曲线，建立了埋入式钢板-混凝土界面抗剪强度计算公式，确定了钢板-混凝土剪力滑移本构方程。研究表明：埋入式钢板-混凝土界面抗剪强度弱于钢管混凝土及型钢混凝土结构。

桥梁工程；钢-混凝土组合结构；界面；抗剪强度；本构方程

0 引 言

钢-混凝土组合结构中钢板与混凝土之间的粘结滑移性能是影响结构受力性能、破坏形态、承载能力、裂缝和变形的重要因素，确定钢板-混凝土剪力滑移本构关系是钢-混凝土组合结构和构件非线性有限元精确分析的关键问题之一[1]。到目前为止，钢-混凝土组合结构粘结性能的研究主要集中于钢管混凝土[2]和型钢混凝土[3]上，有关钢板与混凝土粘结性能的研究较少且集中于两者的粘结强度，未见埋入式钢板与混凝土界面全过程本构方程的研究成果。此外，钢筋混凝土的粘结破坏机理研究也是针对类似问题，不过由于钢筋混凝土结构的特点，其研究的重点主要在于带肋钢筋与混凝土间的粘结滑移问题，而针对主要为光圆钢筋的箍筋结构，研究中与钢筋骨架的形状构造有较大影响[4]。因此，现有研究并不适用于针对类似钢板埋入混凝土内部，通过钢板与混凝土间粘结力传递剪力的结构。

所谓埋入式钢板，是指钢板两侧均埋入混凝土内部，其混凝土保护层厚度足够大，界面滑移时不致发生混凝土劈裂，此时钢板与混凝土间界面剪力抵抗性能即为埋入式钢板-混凝土抗剪性能。埋入式钢板广泛用于预埋钢板(钢接头)、PBL剪力键等结构局部分析中。在进行精细化有限元分析[5]时，有时需要对埋入式钢板与混凝土界面粘结滑移过程进行模拟。由于埋入式钢板-混凝土与钢管混凝土、型钢混凝土等在力学行为上有所不同，因此，从试验和理论角度对埋入式钢板-混凝土滑移本构方程进行分析和探讨是必要的。

1 钢板-混凝土粘结原理及本构方程模型的选取

目前，国内外土木从业人员针对型钢混凝土中的型钢与混凝土间[6-7]及钢管混凝土中的钢管与混凝土之间[8]界面粘结性能开展了较多的理论与试验研究。研究表明型钢、钢管与混凝土间的粘结应力主要由胶结力、摩擦力及机械咬合力三部分组成。

1)胶结力

混凝土中未完全水化反应的水泥凝胶体附着在钢板表面，形成化学吸附力，该力在钢板与混凝土间发生局部滑移后即基本消失。

2)摩擦力

混凝土在硬化过程中将发生体积收缩，对混凝土内部的钢板形成径向握裹力，该径向握裹力在钢材与混凝土发生相对位移时产生阻止变形的摩擦力。

3)机械咬合力

钢板表面在细观尺寸下表现有一定的粗糙不平，表面糙点将与混凝土之间形成机械咬合作用，在钢材与混凝土间发生相对滑移时提供纵向分力。当滑移发生后，钢板相接触处的凹凸点被磨平时，机械咬合力将逐渐降低。

薛立红，等[2]定性分析了钢管混凝土柱组合界面的粘结强度，根据其推导的钢板-混凝土粘结滑移的发展过程绘出示意图(如图1)。

图1 钢板-混凝土粘结滑移发展过程示

在钢板与混凝土界面抗剪过程中，最先参与抗剪的部位为界面两端咬合力〔图1(1)〕，随着剪力增大，参与受力的部位逐渐向中部发展，但直到界面咬合力全部参与工作，界面上钢板与混凝土间仍未产生相对滑动〔图1(2)～图1(4)〕，直至咬合力不足以抵抗后摩擦力参与抗剪〔图1(5)～图1(6)〕。

钢板与混凝土间主要通过传递剪力协调受力。在分析埋入式钢板与混凝土间的界面抗剪粘结滑移本构时，可以将钢板与混凝土表面的连接方式看成某种最为简单的钢-混凝土组合结构剪力键，钢板与混凝土间界面剪力-滑移本构与剪力键是类似的，只是其参数的大小不一样。图2为典型钢-混凝土组合结构中剪力-滑移曲线形式。在剪力Q作用下，钢板和混凝土之间产生的相对滑移量Δ与Q的关系可以用式(1)表示[9]：

(1)

式中：Qu为单个剪力键的界面抗剪强度；α为该型剪力键常数，表征抗剪刚度。

图2 典型剪力键剪力-滑移曲线

笔者拟借用式(1)模拟埋入式钢板与混凝土间的界面剪切-滑移关系，通过埋入式钢板-混凝土黏结剪切推出试验确定系数α及Qu，从而确定埋入式钢板-混凝土界面研究时精细化模拟钢板与混凝土间的剪切-滑移规律。

2 埋入式钢板-混凝土推出抗剪试验

为了确定埋入式钢板与混凝土抗剪本构模型参数，笔者开展了埋入式钢板与混凝土的推出抗剪试验。试验考察的参数包括钢板表面处置、混凝土强度、粘结面积，以确定钢板与混凝土间剪力键常数。

本次试验共21个推出试件，混凝土强度分别为C40，C50及C60。埋入式钢板分别进行了三种不同的表面处置：喷砂粒径40 μm的喷砂表面钢板(A)、未处理光面钢板(B)及锈蚀表面钢板(C)。钢板与混凝土的粘结高度分别为10，30，50，70，90 mm，分别对应编号1，3，5，7，9，粘结宽度均为60 mm。表1为各试件的具体参数，图3为试件的具体构造及尺寸，图4为本次试验的加载装置及测试情况。

表1 埋入式钢板与混凝土的粘结剪切试验参数

图3 埋入式钢板与混凝土的粘结剪切试验

图4 钢板与混凝土的粘结剪切试验加载示意

3 试验结果分析

3.1 极限承载力

各试件的极限承载力见表2。

表2 试验实测极限抗剪强度

从表2可以看出：

1)在相同参数条件时，粘结面积越大，极限承载力越高，但极限承载力与粘结面积不成线性增长关系，相对而言，粘结范围越大，平均粘结强度越低。结合图1分析，钢板两端参与受力程度较中部大，当粘结长度较长时，钢板与混凝土粘结范围较大，界面上处于中部区域的粘结程度较弱的范围也较大，导致粘结范围内的平均粘结应力越低。

2)在相同参数条件时，混凝土强度对界面抗剪极限承载力影响不显著。

3)在同等条件下，喷砂处置钢板的承载力明显大于其它两种，有效试件试验结果中，喷砂处置钢板试验(A类)的极限抗剪应力在0.63～1.01 MPa(平均值0.82 MPa)，未处置表面试件(B类)的极限抗剪应力在0.34～0.43 MPa(平均值0.39 MPa)，锈蚀表面试件(C类)的极限抗剪应力在0.38～0.47 MPa(平均值0.43 MPa)，C类试验略高于B类。这是因为钢板表面粗糙度越高，钢板与混凝土间的摩擦力越强，表现出的界面抗剪能力越高。

3.2 荷载-板端滑移曲线

图5为典型埋入式钢板与混凝土的推出试验中的剪力-板端滑移曲线。该剪应力-滑移曲线表现为明显的两个阶段，在0～0.8τu段，曲线刚度较大，滑移量较小；0.8τu～破坏阶段，曲线发生明显弯曲，刚度突然下降，滑移量迅速增加。

图5 埋入式钢板-混凝土推出试验典型界面剪应力-钢板滑移曲线

4 埋入式钢板-混凝土界面抗剪本构方程

4.1 埋入式钢板-混凝土界面抗剪承载力

胡波，等[10]针对钢管混凝土结构，在试验研究的基础上，利用有限元对钢管与混凝土间的黏结-滑移相互作用进行了数值模拟，并得出了混凝土强度、截面形式、钢管表面粗糙程度及荷载偏心率影响下的极限抗剪应力表达式，如式(2)：

τu=0.1kskfke(fcu)0.4

(2)

式中：ks为截面形式影响系数；kf为钢管表面粗糙程度影响系数；ke为荷载偏心率影响系数；fcu为混凝土抗拉强度。

郑山锁，等[11]针对型钢混凝土结构，从保护层开裂的角度，根据力扩散角度原理，提出了型钢混凝土极限抗剪承载力的计算公式，如式(3)：

Qu=1.360k1(bf+hf)le(ft)1.5

(3)

式中：Qu为型钢混凝土极限抗剪承载力；k1为型钢表面状况影响系数；bf为型钢翼缘宽度；hf为型钢翼缘厚度；ft为混凝土轴心抗拉强度。

笔者在文献[10-11]关于钢管混凝土及型钢混凝土界面滑移研究的基础上，结合表1试验数据建立埋入式钢板-混凝土界面粘结极限抗剪承载力计算公式，如式(4)：

(4)

式中：ke为钢板表面粗糙程度影响系数；Ae为粘结面积；ft为混凝土轴心抗拉强度。

根据埋入式钢板-混凝土推出抗剪试验结果，当钢板表面未处置时，ke=1.0；当钢板表面进行喷砂处置时，ke=2.1；当锈蚀钢板时，ke=1.1。

将试验数据代入式(2)～式(4)进行对比分析，见表3。

表3 各种结构公式计算值与实测值对比

式(4)试件抗剪强度计算值与实测值的比值的平均值为1.009，表明针对埋入式钢板-混凝土界面粘结抗剪承载力而言，式(4)可以较好计算。埋入式钢板-混凝土界面与现有的钢管混凝土、型钢混凝土等情况有所不同，文献[10]试件计算值与实测值比值的平均值为1.2，表明钢管混凝土中的钢管与混凝土界面粘结强度略大于埋入式钢板与混凝土。其原因主要为钢管混凝土受力时，钢管内核心混凝土受到的抱箍效应增强了界面摩擦力和咬合力的作用。文献[11]试件计算值与实测值比值的平均值为4.93，表明型钢混凝土的钢-混凝土界面粘结性能明显优于埋入式钢板-混凝土，亦优于钢管混凝土内的钢混凝土粘结性能。分析其原因在于：一方面型钢混凝土中的型钢与混凝土箍筋的环箍作用增大了界面粘结的握裹力；另一方面在于型钢存在若干角隅突变部分，这些不平顺角隅部分显著地提高了界面粘结的机械咬合力。

4.2 钢板-混凝土表面弹簧单元刚度系数α的确定

试验表明，钢板表面不同的界面处置对埋入式钢板-混凝土粘结滑移性能有较大影响，考虑工程现状，笔者将针对钢板表面喷砂处置情况进行探讨。

根据实验结果，确定埋入式钢板-混凝土粘结滑移表达式见式(5)，用曲线表示如图6，图6中曲线形状与图5比较有类似的两阶段，在0.8Qu附近有明显的刚度变化：

(5)

图6 埋入式钢板-混凝土界面粘结典型本构曲线

式(5)为埋入式钢板-混凝土单位长度界面剪力-滑移关系式，表征钢板与混凝土间滑移本构关系，该式可近似模拟埋入式钢板-混凝土从加载至破坏全过程的剪力滑移关系，可用于精细化有限元分析时模拟埋入式钢板与混凝土界面间的连接弹簧单元参数。

5 结 论

通过对埋入式钢板-混凝土的粘结性能进行的系列试验及有限元分析，得出如下结论：

1)通过考察不同混凝土强度、钢板表面状况、粘结面积的21组钢板混凝土推出试验，建立了钢板-混凝土界面粘结极限抗剪承载力Qu的公式；与钢管混凝土结构及型钢混凝土结构研究成果比较表明，埋入式钢板-混凝土的界面抗剪强度低于钢管混凝土结构及型钢混凝土结构中的钢-混凝土界面粘结强度。笔者提出的计算式可以较好地计算埋入式钢板与混凝土的界面极限抗剪承载力。

2)将钢板与混凝土间的粘结比视为剪力键，钢板板端与混凝土的剪应力-滑移曲线表现为明显的两个阶段：0～0.8τu段，曲线刚度较大，滑移量较小；0.8τu～破坏阶段，曲线发生明显弯曲，刚度突然下降，滑移量迅速增加。利用试验数据并结合有限元分析结果，提出了埋入式钢板与混凝土间荷载-滑移本构关系式。

3)试验表明，钢板表面状况和粘结长度对钢板-混凝土界面的粘结强度有显著影响。喷砂表面处置钢板与混凝土界面抗剪承载力约2倍于无表面处置及锈蚀表面情况，表明钢板喷砂表面处置对提高钢板-混凝土界面粘结强度效果明显。

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Experimental Study on Shear Performance of Embedded Steel Plate and Concrete Interface

Fan Liang, He Jun

(School of Civil Engineering & Architecture, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

The shearing capacity and shear-slip relation of steel plate-concrete interface are important bases for the whole process analysis of steel-concrete composite structure. On the basis of a typical shear-slip constitutive model of shear connector, a slip constitutive model of embedded steel plate-concrete interface was established. Shearing test with 21 samples was conducted, thus, concrete strength and typical viscous slip curves of embedded steel plate and concrete interface were fitted in terms of different steel plate areas and roughness. And shear capacity formula of embedded steel plate and concrete interface was established. Besides, slip constitutive equation factors of embedded steel plate-concrete interface were determined. Results show that embedded steel plate and concrete interface shear capacity is weaker than that of tube concrete and steel reinforced concrete.

bridge engineering; steel concrete composite structure; interface; shearing capacity; constitutive equation

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.05

2014-09-24；

2014-12-29

国家自然科学基金项目(51308571)

范 亮(1979—)，女，安徽芜湖人，副教授，博士，主要从事钢-混凝土组合结构方面的研究。E-mail：fanliangcq@163.com。

U441;TU37

A

1674-0696(2015)03-021-05