钢管轻集料混凝土界面黏结滑移过程分析

余振鹏　傅中秋　吉伯海

(河海大学 土木与交通学院， 南京　210098)



钢管轻集料混凝土界面黏结滑移过程分析

余振鹏傅中秋吉伯海

(河海大学 土木与交通学院， 南京210098)

摘要：为探究钢管轻集料混凝土黏结滑移受力过程和机理，通过4个钢管轻集料混凝土柱推出试验，分析钢管轻集料混凝土界面黏结滑移受力过程．从钢管外壁应变变化、位移-荷载曲线、黏结破坏强度以及相应位移角度分析长细比和紧箍系数对钢管轻集料混凝土黏结滑移的影响；通过详细分析加载过程中钢管外壁应变变化研究构件黏结滑移受力过程．试验结果表明：核心混凝土全界面发生相对滑移时，滑移荷载主要受紧箍系数直接影响，紧箍系数越大相应荷载越大；滑移过程中，钢管外壁纵向应变变化反映其位移-荷载曲线趋势；钢管内壁混凝土接触界面始终对轻集料混凝土有较大的环向约束作用，长细比越大在钢管端部环向作用越明显；紧箍系数不变，黏结破坏荷载对应位移随长细比增大逐渐递增．

关键词：钢管轻集料混凝土；黏结滑移；管壁应变；长细比；紧箍系数

钢管混凝土具有承载能力高、抗震性能好、施工便利、自重轻以及耐火性好等优点，已被广泛应用于工程实践．轻集料混凝土作为一种新型建筑材料以其轻质、高强、高耐久性等优点，成为近年来国内外混凝土研发的主要方向之一，用轻集料混凝土代替普通混凝土，形成钢管轻集料混凝土，在钢管普通混凝土的基础上进一步降低结构自重．对现代大型工程而言，钢管轻集料混凝土具有独特优势[1]．

钢管混凝土中，钢管和混凝土的黏结应力，是由钢管和混凝土两种不同材料相互作用的结果，主要由3部分构成：水泥胶体与钢管接触面的化学胶结力、钢管表面与混凝土之间的机械咬合力、钢管与混凝土接触面的摩阻力．目前国内外对钢管混凝土黏结滑移进行了相关研究，如Morishita[2]、Shakir-Khalil[3]研究不同钢管截面形状、界面长度和加载方式对钢管混凝土黏结滑移影响；钟善桐[4]对钢管混凝土协同工作受黏结滑移影响进行研究，薛立红[5-6]、康希良[7]分析钢管尺寸、混凝土强度以及混凝土浇筑方式等因素对黏结滑移影响．近年来，张卫东[8]、陈峰[9]分别对再生混凝土与自密实混凝土黏结滑移性能作出相关研究．本文基于课题组原有研究成果[10]，设计4个不同长细比和箍筋系数的钢管轻集料混凝土柱，并在钢管外壁密布应变片，根据随加载过程中钢管外壁应变变化趋势对钢管轻集料混凝土黏结滑移进行研究．分析长

细比对构件黏结破坏荷载对应位移的影响和其它参数对构件黏结破坏强度的影响．

1试验概况

1.1试验材料

试验所用混凝土集料为1～3 mm的陶粒轻集料，其余集料为天然河砂(中砂)，普通硅酸盐水泥，试验设计CL30轻骨料混凝土，其配合比详见表1，所有轻集料混凝土均无外加剂掺入．钢管采用Q235直缝焊接钢管，其力学性能见表2．

表1　轻骨料混凝土配合比

表2　钢管的力学性能指标

1.2试件设计及制作

设计4个试件，并引用部分数据，考虑圆钢管的不同长度、外径和管壁厚度3个参数，设置不同的长细比和紧箍系数．各试件的具体参数和试验基本数据详见表3．

表3　试件基本数据及试验结果一览表

注：(1)紧箍系数θ=Asfy/Acfc，As、fy分别为钢管截面积和其屈服强度；Ac、fc分别为核心轻集料混凝土截面积和其轴心抗压强度；(2)黏结强度为抗剪黏结强度，τu=Nu/(πL0D0)，各参数具体含义如上表所示．制作试件时，为保证核心混凝土在钢管内部有足够的滑移空间和构件制作方便，在钢管上方自由端预留50 mm长的钢管不填充混凝土，另一端核心混凝土面与钢管截面齐平，作为加载端．试件采用混凝土搅拌棒搅拌密实，未处理钢管内壁，采用同条件自然养护．

1.3加载装置与加载制度

利用MTS液压伺服机加载，采用位移控制的加载制度，加载速度为0.1 mm/s，推出试验当管内混凝土出现较明显的非线性滑移时，开始放慢加载速度．加载端混凝土面下放置略小于钢管内径、厚度为20 mm的钢垫板，同时在钢垫板下放置一高度为50 mm圆柱体铁柱．推出时，上方自由端加一铁板使钢管受压，下方加载端混凝土受压，从而将核心混凝土推出钢管．加载装置如图1所示．

图1　试验加载装置

2试验结果与分析

2.1钢管应变变化规律

黏结应力与钢管应力的微分成正比关系，从而由加载过程中钢管外壁应变变化规律分析钢管与核心轻集料混凝土之间黏结应力大小及分布规律[7]．图2为钢管不同位置纵向应变-滑移位移关系曲线，构件加载到黏结破坏荷载对应位移时，钢管外壁纵向应变达到最大值，即沿钢管内壁与轻集料混凝土之间的黏结强度最大．当位移加载在黏结破坏荷载对应位移之后，随位移继续增大，各截面纵向应变逐渐变小，最终趋于相对平衡的应变．通过钢管外壁应变数值沿钢管高度的变化分析，可以直接反映不同加载位移下，沿管壁内侧黏结强度趋势．

图2　钢管纵向应变

图2所示，整个推出试验，不同加载位移，纵向应变沿钢管外壁变化趋势各不相同．当构件滑移到黏结破坏荷载对应位移时，其变化斜率反应最大，随着滑移位移继续增大，斜率反应逐渐变小，随之逐渐趋于某一斜率开始重合．根据分析，初始加载到黏结破坏荷载对应位移时黏结荷载最大，应变变化率反应最大．随着滑移位移继续增大黏结荷载降低最终趋于相对平缓，以至于纵向应变变化斜率逐渐减缓随之趋于重合，反映黏结荷载变化率反应逐渐减小趋于相对平缓．

图3为图2所示加载位移相应应变连续差值关系曲线(第一级5 mm与黏结破坏加载位移的应变差值，第二级5 mm与10 mm加载位移的应变差值，依次类推(所述位移值为加载过程中核心混凝土相对于钢管的滑移位移)．随着加载位移级增大，各个截面应变差值基本逐渐缩小，当加载位移级达到3时，即加载位移达到10 mm之后，应变差值变化率相对降低趋于平缓．

由图3分析，试件加载达到黏结破坏荷载对应位移时，管壁纵向应力最大，随着加载位移继续增大，管壁纵向应力逐渐减小，各截面应变变化率逐渐减小，应变值趋于相对较稳定的值附近变化波动．当核心混凝土全界面发生相对滑移后，钢管内壁与轻集料混凝土之间相对处于较稳定的黏结荷载．

图3　钢管不同位移对应的应变差

图4为各钢管轻集料混凝土试件钢管不同位置处环向应变随着滑移位移变化关系曲线．滑移过程中，钢管对轻集料混凝土始终有较大的环向约束作用，达到黏结破坏荷载之后，环向应力约是相应纵向位置应力的20%～30%，与普通钢管混凝土试验结果一致[7]．

图4　钢管不同位置环向应变-滑移位移关系曲线

按加载平衡条件分析，核心轻集料混凝土已经滑离零截面，其中零截面为未加载时钢管与核心混凝土齐平一端的截面，此处不存在黏结应力，即纵向应变和环向应变应为零，在上述纵向应变分析中，零截面纵向应变符合该规律，但环向应变反应不符合该规律．如图4所示钢管最下端零截面环向应变数据，不同加载位移，零截面环向应变呈喇叭状应变变化较大，同时长细比较大构件其环向应变相对于长细比较小构件环向应变反应明显．

根据分析，推出试验过程，钢管混凝土柱长细比较大构件容易发生失稳，零截面受轻集料混凝土底端滑移位置与该位置钢管截面相互作用影响，内壁发生微小变形与轻集料混凝土产生挤压作用，该截面钢管环向约束提高，导致附近处零截面出现较大环向应变，当轻集料混凝土滑移位移较大时，零截面环向受其影响越小，环向应变反应变小．当构件长细比越大时，相互挤压作用越明显，零截面环向受其影响越大，环向应变反应变大．原理示意如图5所示．由此分析推断，钢管轻集料混凝土柱在加载过程中，存在失稳现象，管壁发生微小变形与轻集料混凝土底端滑移相互作用，钢管端部对轻集料混凝土有较大的环向约束作用．

图5　零截面环向应变产生原理图

2.2荷载-滑移曲线

在加载初期，试件黏结力主要是由化学胶着力承担，仅钢管与混凝土界面出现微小滑移，随着荷载增大，钢管与混凝土滑移逐步发展，此时主要由未发生滑移部分化学胶着力和已发生滑移部分机械咬合力共同承担．当化学胶着力和机械咬合力达到最大时，即为黏结破坏荷载Pu，此时机械咬合力占主要部分．化学胶着力和机械咬合力大于初始摩阻力时，界面发生黏结破坏，如果初始摩阻力不足以抵抗荷载，位移-荷载曲线即会出现峰值点和之后的下降段．如果初始摩阻力足以抵抗试件的化学胶着力和机械咬合力，当黏结破坏后，荷载将继续上升，位移-荷载曲线不会出现峰值点[10]．

随后位移-荷载曲线进入非线性阶段，滑移不断发展，化学胶着力逐步退出工作，直到核心混凝土与钢管全界面发生相对滑移时，全部退出工作．随着滑移继续增大，机械咬合力也退出工作，最终界面主要由钢管与混凝土摩阻力作用．

通过MTS液压伺服机采集获取试件的荷载-位移曲线，如图6(a)所示．按上述加载方式，得到如图6所示钢管轻集料混凝土黏结滑移位移-荷载曲线，设计与引用的8个钢管轻集料混凝土试件均有峰值点，即初始摩擦力均小于化学胶着力和机械咬合力最大值．过荷载峰值点后，随着滑移位移增大，荷载逐渐降低，最终核心混凝土全界面发生相对滑移，随后滑移过程中，荷载或升高(如试件TN-1、TN-4、D-6-a、E-8-a)或降低(如试件E-7-a、F-9-a)或平缓(如试件TN-2、TN-3)．这3类情况的原因在于钢管宏观偏差较大，摩阻力发生变化，导致荷载发生变化．

图6　位移-荷载曲线

根据图6位移-荷载曲线，图(a)为TN1～TN-4试件的荷载-位移曲线，TN1、TN-2和TN-3紧箍系数相同，随着长细比增大，试件黏结破坏荷载逐步递增，在滑移位移达到约10 mm后，荷载趋于平缓，但有较小变化，此时钢管内壁与轻集料混凝土之间的黏结荷载相对较为稳定，这与钢管外壁纵向应变变化情况反应一致．图(b)为D-6-a、E-7-a、E-8-a和F-9-a试件荷载-位移曲线，D-6-a、E-7-a和E-8-a紧箍系数相同，随着长细比增大，试件黏结破坏荷载逐步递增．根据钢管壁应变和位移-荷载曲线分析，在核心轻集料混凝土与钢管内壁发生较大的相对位移时，黏结荷载主要是由内管壁与轻集料混凝土摩阻力提供，对比图6(a)与图6(b)，紧箍系数相对较大构件，核心混凝土全界面发生相对滑移时荷载相对较大，摩阻力是此时荷载的主要部分．

2.3黏结破坏强度

本试验采用“推出试验”研究钢管与轻集料混凝土之间黏结强度，荷载-位移曲线峰值点为黏结破坏荷载Pu，相应剪应力为抗剪黏结强度τu，位移为黏结破坏荷载对应位移Su[11-12]．

根据试验结果，分析长细比对试件黏结破坏强度和黏结破坏荷载对应位移的影响，由表3数据得到相应变化关系曲线，如图7～8所示．

图8　紧箍系数与黏结破坏强度关系

如图7所示，紧箍系数分别为0.86和1.17两组试件，紧箍系数为0.86该组试件，随着长细比增大(长细比分别为12.28、17.19和27.36)，黏结破坏强度没有明显增大或减小趋势；紧箍系数为1.17该组试件，随着长细比的增大，其黏结破坏强度逐渐降低．根据相关文献长细比4～12试件，黏结破坏强度随着长细比的增加有增大的趋势，本文试验研究长细比不在此范围之内．也有相关文献研究表明长细比对黏结破坏强度的影响不明显[13]，如本次试验紧箍系数为0.86组数据所示．

对比相同长细比不同紧箍系数对黏结破坏强度影响，如图8所示，紧箍系数分别为0.70、0.86、1.17试件，试件黏结破坏强度依次为1.48 MPa、1.56 MPa、2.45 MPa，紧箍系数增大其黏结破坏强度相对较大；如图7所示分析，相同长细比不同紧箍系数试件黏结破坏强度亦是相同反应．这是由于紧箍系数增大可以提高钢管刚度，使得钢管表面与混凝土之间机械咬合力更加显著，同时使钢管对轻集料混凝土产生的横向约束力增大，提高钢管混凝土黏结破坏强度．

图9　长细比与黏结破坏荷载对应位移关系

如图9(a)所示，长细比分别为12.28、17.19和27.36，随着长细比增大，黏结破坏荷载对应位移有逐渐增大趋势．如图9(b)所示，引用康希良[7]部分试验数据，长细比分别为12.58、17.61和22.64，紧箍系数相同，黏结破坏荷载对应位移随长细比增大逐渐递增．综合图9分析，紧箍系数相同，黏结破坏荷载对应位移随长细比增大逐渐递增．

3结论

1)钢管轻集料混凝土位移-荷载曲线，当核心轻集料混凝土全界面发生相对滑移时，滑移荷载主要受紧箍系数直接影响，紧箍系数越大相应荷载越大．同时在紧箍系数一定的情况下，钢管轻集料混凝土黏结破坏荷载对应位移随长细比增大而逐渐递增．

2)钢管轻集料混凝土外围管壁应变变化趋势反映位移-荷载变化规律，该组试件核心轻集料混凝土全界面发生相对滑移时，管壁应变变化与沿管壁应变变化率越来越小最终趋于稳定，反映黏结荷载越来越小趋于稳定．

3)滑移过程中，试件长细比越大，钢管越容易发生失稳，零截面环向约束越大；轻集料混凝土滑移位移越大，零截面环向约束越小．钢管内壁混凝土接触界面始终对核心轻集料混凝土有较大环向约束作用．

参考文献：

[1]吉伯海，傅中秋，瞿涛，等．钢管轻集料混凝土抗剪承载力试验研究[J]．土木工程学报，2011，44(12)：25-33．

[2]Morishita Y， Tomli M． Experimental Studies on Bond Strength in Conerete Filled Circular Steel Tubular Columns Subjeeted to Axial Loads[J]． Transactions of Japan Conerete Institute， 1979(1)：351-358．

[3]Shakir K H． Pushout Strength of Concrete-filled Steel Hollow Sections[J]． The Structural Engineer， 1993，71(13)： 230-233．

[4]钟善桐．钢管混凝土中钢管与混凝土的共同工作[J]．哈尔滨建筑大学学报，2001，34(1)：6-10．

[5]薛立红，蔡绍怀．钢管混凝土柱组合界面的黏结强度(上)[J]．建筑科学，1996(3)：22-28．

[6]薛立红，蔡绍怀．钢管混凝土柱组合界面的黏结强度(下)[J]．建筑科学，1996(4)：19-23．

[7]康希良．钢管混凝土组合力学性能及黏结滑移性能研究[D]．西安：西安建筑科技大学，2008．

[8]张卫东，王振波，孙文彬，等．方钢管再生混凝土界面粘结滑移性能试验研究[J]．建筑结构，2015(8)：64-68．

[9]陈峰，郑建岚．自密实混凝土与老混凝土粘结滑移关系的有限元分析[J]．武汉大学学报：工学版，2014(6)：774-778．

[10] 傅中秋，吉伯海，陈晶晶，等．钢管轻集料混凝土组合界面黏结滑移性能[J]．河海大学学报：自然科学版，2009，37(3)：317-322．

[11] Eiichi Inai，Akiyoshi Mukai，Makoto Kai．Behavior of Concrete-Filled Steel Tube Beam Columns[J]． Journal of Structural Engineering，2004，130(2)：189-202．

[12] Virdi K S，Dowling P J． Bond Strengthing Conerete Filled Steel Tubes[J]． IABSEProeeedings，1980：125-139．

[13] 刘永健，刘君平，郭永平，等．钢管混凝土界面黏结滑移性能[J]．长安大学学报：自然科学版，2007，27(2)：53-57．

[责任编辑王康平]

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Process Analysis of Bond-slip Behavior on Interface of

Light Aggregate Concrete Filled Steel Tube

Yu ZhenpengFu ZhongqiuJi Bohai

(College of Civil and Transportation Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

AbstractTo study the mechanism of bond-slip process on light aggregate concrete filled steel tube, four light aggregate concrete filled steel tube columns were designed. The force of bond-slip behavior on the interface of light aggregate concrete filled steel tube were analyzed through push-out tests. The effects of slenderness ratio and tight hoop coefficient were analyzed on the basis of bond-slip performance such as strain variations of the tube ektexine, displacement-load curves, strength destructive bond and corresponding displacements. By analyzing the changes of strain on tube outer wall in detailed, the bond-slip process during experiment was analyzed on the basis of strain variation of tube ektexine. The test results show that the slippage of load is directly affected by tight hoop coefficient, during the whole stage of interface slip. And the corresponding load increases with the increasing of tight hoop coefficient. In the process of slipping, stress variation of the tube ektexine reflects the tendency of its displacement-load curves. The whole interface of the tube inner wall which is contact with concrete always exerts obvious hoop constraint on light aggregate concrete; and in the part of steel pipe the larger the slenderness ratio is, the more obvious constraint is achieved. Under the same tight coupling coefficient, the bond destructive displacement increases with the slenderness ratio increasing.

Keywordslight aggregate concrete filled steel tube；bond-slip；strain variation of tube wall；slenderness ratio；tight hoop coefficient

基金项目：江苏省自然科学基金(BK20130845)，江苏省自然科学基金(BK2011836)

收稿日期：2015-09-16

中图分类号：U44

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2015)06-0024-06

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.005

通信作者：傅中秋(1983-)，男，副教授，主要研究方向为组合结构桥梁、钢桥维护．E-mail：fumidaut@163.com