钢管与混凝土粘结性能影响因素研究综述★

袁 骥 张津铭 李 宁 翟云鹏

(1.中国建筑技术集团有限公司,北京 100013; 2.恒大地产北京公司,北京 100000; 3.建研地基基础工程有限责任公司,北京 100013)

0 引言

钢管混凝土结构以及轻钢轻混凝土结构主要是由混凝土与钢管组成,这两种材料能够协同工作的基础是混凝土与钢管之间存在粘结应力,粘结应力通过一定的粘结长度传递,伴随着构件所承受的荷载增大,内力分布逐渐改变,界面粘结强度不足,两者不能共同工作,钢管与混凝土接触面上就会出现相对滑移,进而影响组合构件的工作性能,例如破坏形态、极限承载力、挠度等。钢管与混凝土的粘结性能直接影响到结构梁柱节点、柱脚以及剪力墙的锚固等。为了促进钢管与混凝土的粘结性能的研究,进一步发展和完善粘结滑移研究,本文综述了国内外关于粘结滑移性能影响因素研究现状,总结了混凝土的强度、混凝土养护条件、混凝土浇筑效果、钢管表面粗糙程度、钢管的宽厚比、钢管长细比等因素对粘结性能的影响。

1 粘结强度相关理论

钢管与混凝土的粘结力由三部分组成,即钢管表面与混凝土间的机械咬合力,钢管与水泥凝胶体接触面间的化学胶结力以及钢管与混凝土接触面之间的摩擦阻力[1]。在钢管滑移前,粘结力由化学胶结力和机械咬合力组成,当钢管发生滑移后,粘结力主要是由摩擦阻力来承担。

钢管与混凝土间的胶结力较小,在比较小的应变下产生的局部滑移就能破坏胶结力,胶结力与混凝土中与水泥用量、水灰比有关。机械咬合力是由钢管表面存在难以察觉的10-2mm量级的凹凸高差,与混凝土微观咬合而形成,与钢管表面的粗糙程度以及混凝土的抗剪强度有关。摩擦阻力与法向正应力以及摩擦系数成正比,并且要在钢管与混凝土发生相对滑动之后才能产生,粘结强度示意图如图1所示。

2 粘结性能影响因素分析

目前,对钢管混凝土结构界面粘结性能研究较多,各学者对其影响因素进行了比较全面的研究。

2.1 混凝土强度

混凝土强度对钢管与混凝土界面粘结强度的影响,不同的学者得到的结果有差异。一种观点认为混凝土强度对粘结力有影响,薛立红[2]通过系列轴心推出试验验证了粘结强度随混凝土强度增大而增强,并拟合出钢管与混凝土的抗剪粘结强度τu=0.1(fcu)4。

另一种研究结果认为,混凝土强度对粘结强度没有明显影响。Virdi和Dowling[3]通过试验研究表明混凝土强度与界面粘结强度不存在明显的关系。池建军[4]试验所得到的结论也与混凝土强度没有明显关系,试验结果如图2所示。

造成这种差异的原因可能是试验样本数量不足,同时试验条件也不是完全相同,池建军试验的混凝土强度范围较大,但是样本数量偏少,而Virdi和Dowling试验混凝土范围较小。

2.2 混凝土养护条件

混凝土的养护条件对粘结强度有影响。薛立红[2]研究了自然养护和蜡封密闭养护的钢管混凝土试件的粘结性能,研究表明在自然养护条件下,钢管与混凝土的平均抗剪粘结强度高于蜡封密闭养护试件的抗平均抗剪粘结强度。Virdi和Dowling[3]对不同养护条件下的钢管混凝土试件进行推出试验,其试验结果表明:干燥条件下养护的试件平均抗剪粘结强度高于湿润条件下养护的试件平均抗剪粘结强度。

混凝土养护条件改变会造成钢管界面粘结强度变化,目前对产生这一现象的机理尚不清楚,还有待继续研究。

2.3 混凝土浇筑效果

目前认为混凝土的浇筑效果会给钢管与混凝土之间的粘结强度造成影响。文献[5]认为混凝土浇筑效果不同造成了混凝土的密实度有差异,从而导致钢管与混凝土之间接触情况不同,摩擦不同,粘结强度也就不同。Virdi和Dowling[3]研究了混凝土的振捣方式对钢管与混凝土表面粘结强度的影响。通过试验发现机械振捣、部分机械振捣、人工振捣、部分人工振捣的粘结强度依次为2.18 MPa,1.85 MPa,1.6 MPa和1.43 MPa,对比结果如图3所示。混凝土浇筑越密实,钢管与混凝土粘结性能就越好。

2.4 钢管表面粗糙程度

薛立红,蔡绍怀[6]对圆钢管混凝土进行研究,表面光滑钢管的平均粘结强度为0.45 MPa,表面粗糙的钢管平均粘结强度为0.85 MPa。邓洪洲等[7]通过在钢管壁上涂润滑油和不涂润滑油进行试验发现涂润滑油的钢管壁与混凝土平均粘结强度为0.22 MPa,而表面未做任何处理的构件平均粘结强度为0.44 MPa,钢管表面经过润滑处理后粘结强度显著降低。徐有邻[8]对不同锈蚀状况的钢材与混凝土进行了摩阻试验,试验结果发现,钢管表面粗糙状况对胶接剪切强度以及摩阻系数的影响很大,经过打磨除锈的钢管的胶接强度和摩阻系数比锈蚀钢管低。钢管表面的粗糙程度通过影响钢管与混凝土之间的机械咬合力和摩擦阻力而改变粘结强度。

2.5 钢管宽厚比、径厚比

方钢管宽厚比以及圆钢管的径厚比对混凝土与钢管之间的粘结强度有影响。文献[1]研究表明:随着宽厚比增加,粘结强度降低,但当达到一定值时(D/t=50),方钢管构件粘结强度随宽厚比的增大不明显。文献[4][9][10]研究认为,方钢管的宽厚比是影响构件粘结强度的主要因素,方钢管混凝土试件随方钢管宽厚比的增大,粘结强度有减小的趋势。文献[9][10]的研究各长细比下宽厚比对粘结强度的影响,试验结果如图4，图5所示。

2.6 钢管长细比(4L/D)

钢管长细比对粘结强度的影响,目前研究结论尚未统一。文献[3]研究表明,长细比4L/D在6～12范围内,随着长细比的增大,极限粘结度也随之增大,长细比4L/D在4～6范围内,粘结强度反而降低,试验结果如图6所示。文献[10]认为在当宽厚比较小时,粘结强度随着长细比的增大而减小,当长细比增大到一定值后,粘结强度不再下降。当宽厚比到达50时,粘结强度与长细比几乎没有影响,长细比与粘结强度的关系如图7所示。

造成研究结论不同的原因之一是各研究者试件的长细比的取值范围不同,钢管与混凝土的粘结力主要由接触面间的摩擦阻力提供,当长细比超出一定范围后,长细比对钢管与混凝土之间摩阻力的影响不明显。长细比对粘结力的影响除了考虑长细比的取值范围外还应考虑钢管的宽厚比。

3 结语

通过对国内外文献的梳理,归纳了钢管与混凝土粘结性能的影响因素,总结如下:

1)混凝土强度对钢管与混凝土粘结强度的影响尚未形成一致结论,需要进一步研究;

2)混凝土与钢管的粘结强度在干燥养护条件下比在湿润养护条件下大;

3)混凝土浇筑越密实,钢管与混凝土的粘结强度越大;

4)钢管表面越粗糙,钢管与混凝土粘结强度就越大,反之越小;

5)钢管与混凝土界面粘结强度随钢管宽厚比(径厚比)增加而逐渐降低;

6)钢管的长细比对钢管与混凝土粘结强度的影响尚未形成一致的结论,还有待继续研究和完善;

7)在实际工程中,需要控制粘结锚固的关键部位,比如梁柱节点、柱脚及剪力墙部位可以通过调节影响粘结力的因素而达到工程所需的目的。