型钢混凝土粘结滑移的研究

裴维平

(铜陵学院 建筑工程学院，安徽 铜陵 244000)

0 前 言

型钢混凝土(简称SRC)是一种以型钢为中心并在周围配置钢筋和混凝土的嵌入式组合体系。 根据混凝土的填充方式，可分为外包型钢混凝土和部分包裹混凝土。 SRC结构具有承载能力强、延展性能好、抗震效果好等优点，在高层建筑以及超高层建筑中得到越来越广泛的应用。

在型钢混凝土结构中，混凝土与型钢通过两者之间的粘结效果共同工作，其粘结性能直接影响建筑物能够承载的应力大小及变形能力。当型钢混凝土之间存在局部的粘结滑移时，会失去化学粘结，型钢与混凝土发生分离。当滑移量超过一定值时，构件或结构将被破坏。

在SRC结构中，两种性能差别如此之大的材料能够共同工作的主要原因是因为它们之间的粘结作用，粘结滑移行为会直接影响SRC结构的力学性能、破坏模式和承载能力，因此，设计更加经济合理的SRC结构，对SRC结构的使用具有重要的理论和实际意义。

1 型钢混凝土粘结滑移的基本概念

型钢混凝土粘结滑移可以分为局部最大粘结强度、平均粘结强度、残余粘结强度、粘结滑移本构关系四个方面。

1.1 局部最大粘结强度

型钢混凝土结构在沿构件方向承受的荷载是变化的，发生的相对滑移也是变化的，取局部最大粘结应力为局部最大粘结强度，主要控制构件何时开展裂纹，从而可以得到构件发生粘结破坏时的荷载。

1.2 平均粘结强度

在型钢混凝土粘结滑移强度试验中，通常以构件表面受到的平均载荷作为粘结应力，因此，型钢混凝土的粘结应力就是型钢混凝土构件在外附荷载达到极限值时的粘结强度。试验结果表明，型钢混凝土的粘结性能将会随混凝土埋深变化而变化，所以平均粘结强度实际就是外部荷载达到极限值时的粘结强度。

1.3 残余粘结强度

当SRC结构或构件受到外部荷载时，型钢与混凝土的粘结作用完全丧失以后，型钢与混凝土截面之间仍然存在机械咬合力和摩擦阻力，因此，粘结力保留一定的剩余值，不会因粘结滑移的进一步开展而减小，即所谓的残余粘结强度。

1.4 粘结滑移本构关系

型钢混凝土结构受力时节点处的应力关系非常复杂，通常认为型钢周围的混凝土层具有特殊的力学性能，混凝土层的变形也是由于型钢连接面上的相对滑动所造成的，各国研究者为进一步研究试验建立了型钢混凝土结构相关的粘结滑移本构关系，并对型钢混凝土结构的粘结滑移本构关系进行了试验分析。

2 SRC结构粘结滑移的研究现状

型钢与混凝土的相互作用是由于型钢与混凝土之间的粘结能力。型钢混凝土结构工作时，混凝土会发生相对滑动。因此，型钢与混凝土之间的粘结能力成为研究者们的重要研究方向。20世纪50年以来，随着型钢混凝土结构的迅速发展和广泛应用，国内外研究者就型钢混凝土结构的粘结滑移问题进行了大量的试验。

1950年，坪井善胜[1]进行了多组钢板拉拔测试，通过混凝土强度、横向配箍率等多个方面研究型钢混凝土的粘结性能并分析了型钢与混凝土之间粘结性能偏差的主要因素，提出了相应的改进措施。 推荐在规范当中可以不考虑混凝土的粘结效果。在1984年，Roeder[2]首次提出沿型钢长度方向的荷载对型钢混凝土粘结性能的影响并获得粘结性能的分布规律。Richard[3]根据应力扩散原理，系统地得出影响构件粘结能力的主要因素，提出在压缩试验条件下钢骨混凝土发生局部破和极限状态下承受荷载的计算方式，并给出了在临界状态下理论上混凝土保护层厚度的计算公式。Hunaiti和Hamdan[4]设计了135根型钢混凝土组合柱，并考虑了在型钢混凝土结构中混凝土强度对于粘结强度所造成的影响，得出结构的粘结强度与结构中混凝土的强度并没有显著影响。Wium[5]为了研究型钢截面大小、横向配箍率、混凝土保护层的厚度以及混凝土发生收缩状态下对粘结强度的影响多次进行了有关型钢混凝土推出和短柱试验，并利用ADINA有限元程序进行结果分析。Roider[6]利用型钢混凝土结构粘结滑移相关试验进行了综合分析，还进行了18个试件的压痕试验，得出粘结能力主要由试件的长高比和型钢截面面积与构件截面面积的比值决定。

在型钢混凝土以及钢板混凝土的粘结滑移试验，国内研究者也做出了重要贡献。孙国良等[7]通过控制螺栓在结构中的数量和位置，得出螺栓对粘结能力的影响，分析了型钢混凝土结构的轴力传递性能。李红[8]通过四组钢板拉出式试件的对比试验，同时考虑了纵向配箍率等多个方面对钢板混凝土粘结作用的影响，提出了钢板混凝土结构粘结性能的计算公式，得出钢板与混凝土粘结性能较差。刘灿，何益斌[9]已经进行了22次挤压、梁式和拉拔试验。 结果表明，主要由化学粘结力和摩擦力组成了型钢与混凝土之间的粘结力，加载端附近区域的化学粘结力需要承受压力与推力。 当化学粘结力退出工作时，粘结力主要靠摩擦力维持。薛健阳[10]进行了16个型钢混凝土推出试件，通过观察试验现象及结果，分析试件的应力-滑移图像，得到了在试验初始状态下和极限状态下试件的粘结效果以及水平残余粘结效果的试验结果，研究了混凝土保护层厚度等四个方面与特征粘结性能的关系，提出了混凝土临界状态下保护层厚度的定义，在大量的试验数据下，建立了在多种影响因素下型钢混凝土粘结强度的计算公式。采用李俊华[11]的方法，研究SRC柱在剪力、轴力和弯矩的共同作用下所产生的粘结性能。 从而得到了粘结应力-滑移曲线以及特征状态下粘结强度和相对滑移的计算公式。

3 SRC结构粘结性能的主要影响因素

3.1 型钢表面条件

Bryson和 Mathey[12]试验研究了型钢表面条件对型钢粘结性能的影响。结果表明，喷砂后型钢的平均粘结强度与锈蚀型钢相似，但二者的平均粘结能力依旧比普通型钢发生锈蚀高30% 。

3.2 混凝土强度

坪井善胜及Bryson等的试验结果表明混凝土自身强度直接影响型钢与混凝土之间的粘结性能，但同时，Roeder和Robert.Chmielowsk也通过统计文献研究得出型钢混凝土的粘结性能与混凝土自身强度并没有明显影响。

3.3 混凝土保护层厚度

薛健阳等[10]发现随着混凝土保护层厚度的增加，型钢混凝土结构的粘结强度也会随之发生线性增加。但如果保护层厚度超出临界保护层厚度时，混凝土将不再开展裂纹，同时构件的粘结能力也将不再持续增加。

3.4 横向配箍率

试验结果表明，箍筋在构件中所起的作用与混凝土保护层大致一样，可以抑制试件的开裂破坏，在发生滑移前效果不明显，当截面钢筋存在粘结滑移时，粘结强度可以大大提高，同时，如果试件的保护层厚度较小，箍筋比对于粘结能力具有更大的影响。

3.5 其他因素

除了上述四个主要影响因素外，还有截面钢连接件、混凝土浇筑技术、混凝土水灰比、钢材截面尺寸、锚固程度等诸多方面对型钢混凝土的粘结作用都有一定的影响。

4 结 语

型钢与混凝土发生滑移时的粘结性能不仅会直接影响SRC结构的承载能力，而且与混凝土保护层强度和型钢混凝土构件的锚固程度密切相关，因此，国内外研究者对SRC结构的研究越发重视，但由于SRC结构的应用和发展起步较晚，同时，各国研究者对型钢混凝土结构都有自己的研究方向，由于测试手段不够精确，测试难度大，各国对于结构粘结滑移的研究还不够深入，国内外研究者对于SRC结构粘结强度的主要影响因素仍具有较大差异，尚未得出明确的结论，因此，为推动型钢混凝土结构的发展以及研究型钢混凝土结构的粘结滑移，建立一套完整的型钢混凝土结构计算理论都具有重要意义。

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