粘结-滑移本构模型在混凝土组合结构中的应用

■ 罗伟兵

江西财经职业学院

前言

混凝土组合结构主要是由钢管、混凝土、箍筋等几个部分组成，钢管或者型钢是混凝土组合结构的框架。其中，FRP-混凝土组合结构具有联系生产、材料节约、整体性良好等优点，在整个混凝土组合结构具体设计过程中，粘结-滑移本构模型应用问题逐渐引起了人们关注，它能够给实际工程提出简单适用的粘结-滑移本构关系，保证混凝土组合结构在实际工程中的使用效果，设计出更好的混凝土组合结构设计方案。

1 粘结-滑移本构模型

在混凝土组合结构研究中，粘结强度及其影响因素和粘结滑移机理是重点研究内容。在对这两个方面内容进行研究过程中，提出了粘结-滑移的 τ - s 本构关系。其中，τ 代表粘结应力，s代表剪切粘结滑移。前者，主要是指型钢表面剪切力。后面，主要是指型钢与混凝土间的相对位错。在粘结-滑移的 τ - s 本构关系中，一旦出现粘结强度或者锚固措施不够的问题，将引发一些质量问题。比如，外包混凝土剥落等等，影响混凝土组合结构设计效果。同时，在外包混凝土剥落以后，型钢变形能力和承载力也会受到相应影响。基于此，把粘结-滑移本构模型应用到混凝土组合结构中，可给出更为简单适用的粘结滑移本构关系，通过对粘结滑移本构关系的合理化调整，可实现对型钢与混凝土间粘结强度的有效利用，且利于减轻混凝土组合结构在地震等动力作用情况下破坏程度。下面，本文将引入《型钢混凝土粘结滑移基本理论及应用研究》文献中5个型钢混凝土曲线，利用OriginPro7.5程序，对其本构关系展开数值和理论方面的分析，明确粘结-滑移本构模型在混凝土组合结构中的具体应用。

2 粘结-滑移本构模型在FRP-混凝土组合结构中的应用影响混凝土组合结构粘结、滑移的因素

根据《型钢混凝土粘结滑移基本理论及应用研究》文献中5个型钢混凝土曲线和型钢与粘结机理分析可知，在FRP-混凝土组合结构中，混凝土强度、混凝土保护层厚度、横向配箍率、型钢埋置深度、加载方式、型钢表面状况等等是影响粘结和滑移的主要因素。而通过力学性能分析可知，混凝土抗拉强度、加载方式等是影响劈裂破坏的主要因素。在充分考虑这些影响因素基础上，本文建立起了关系的基准本构模型，为后续本构关系数值分析和理论分析做好了充足准备。

2.1 粘结-滑移本构关系

1、本构关系数值分析

如下，是本文设计的加载端 τ ¯ - st本构模型。

图1 加载端本构模型

本文将所研究的试件编号分别标注成了SRC-02、SRC-04、SRC-09、SRC-11、SRC-12，并针对试件混凝土设计强度、实际强度、保护层厚度、埋置长度、配箍率、横向箍筋配置情况、配钢率各项参数进行了准确测定，且针对钢材材料性质展开了细致分析，主要涉及到的钢材材料包括了6mm钢板、槽钢、Φ6钢筋、Φ8钢筋、Φ16钢筋等等。

在上升段，荷载与平均粘结应力、加载端滑移值之间存在着正相关关系，荷载越大，和 Sr数值越大。同时，上升段符合线弹性关系，可用公式： = A + B St对这一种线性关系进行表达。而公式中的A、B可采取实验方式测得，也可采取平均值计算方法获得。本文，可结合图1数据得出A和B的值分别是1.151和1.231。那么在理论分析中，若理论推出的公式与实验结果相符，就可利用本文加载端 τ ¯ - st本构模型确定出简单适用的粘结滑移本构关系，满足FRP-混凝土组合结构设计要求。

2、本构关系理论分析

图2 应力分布

通过对上图的观察与分析，可列出这样一个公式用于表示竖向平衡条件，

由这一竖向平衡条件可导出加载端滑移的总滑移量。在总滑移量具体计算过程中要先计算出混凝土应变（ε）等数值，而总滑移量具体计算公式如下：

若混凝土处于线弹性阶段，可忽略混凝土应变，得出粘结应力最大值这个公式，最终可用公式计算出平均粘结应力。如下：

在上升段，只要保证理论分析和数值分析结果比较吻合，就可以给出一个既简单又适用的粘结滑移本构关系，为FRP-混凝土组合结构的设计指明方向，确保混凝土组合结构设计更为科学。

本文，先是分析了粘结本构关系影响因素，在结合5个型钢混凝土曲线，通过应用粘结-滑移本构模型分析总结了混凝土组合结构设计实际情况的粘结本构关系表达式，以数值分析和理论分析相结合的方法，给了相应的粘结滑移本构关系。需要注意的是，在混凝土组合关系具体设计过程中，钢筋几何尺寸等等都会对粘结本构产生一定影响。基础此，为了得出正确的研究结果，要控制好每一个数值分析和理论研究环节，最终实现数值分析与理论分析结果相对吻合的目标。根据结果，做好锚固连接件等的设置工作，增强FRP-混凝土组合结构的地震等动力作用抵抗能力。

结论：综上可知，在FRP-混凝土组合结构中，因型钢和混凝土之间粘结应力较小，接触面积大。所以，一旦出现粘结强度不够的情况，很容易呈现出混凝土组合结构承载力大幅度下降的问题，无法满足实际工程施工需求。基于此，利用好粘结-滑移本构模型，分析影响FRP-混凝土组合结构粘结和滑移因素，可给出简单适用的粘结滑移本构关系，进而通过合理设置锚固连接件，改善其粘结强度不足的问题，且利于地震等动力作用下尽快修复结构。