加劲肋对方钢管再生混凝土黏结性能的影响

董宏英，陈学鹏，曹万林，张建伟，赵洪飞

(北京工业大学建筑工程学院，北京 100124)

钢管混凝土界面黏结性能是工程界和学术界普遍关注的问题，许多学者[1]进行了大量有益的研究，试验结果离散性较大，在Tao等[2]的试验中1 165 d龄期试件的黏结强度仅40 Pa，低于多国的设计规程. 为了改善钢管混凝土界面黏结性能，加劲肋或栓钉广泛应用于实际工程[3-4]. 许开成等[5]完成11个不同界面处理的钢管混凝土短柱试件的推出试验，结果表明纵肋对黏结性能影响显著. 乔崎云等[6]进行10个内壁设置抗剪连接件的方钢管混凝土推出试验，钢管宽厚比的降低及连接件厚度的增大均能有效提高极限承载力及初始刚度. 任庆英[7]对25个内壁设置栓钉的钢管混凝土柱大尺寸试件进行推出试验，试验结果表明工程应用低估了足尺钢管混凝土柱的界面黏结力与内壁设置栓钉的受剪承载力. 目前对于方钢管混凝土中设置加劲肋和栓钉的研究仍有不足，特别是当采用再生混凝土时，本次试验进行30个不同构造不同类型再生混凝土的方钢管混凝土推出试验，以研究试验参数对界面黏结性能的影响，并计算水平加劲肋试件的界面抗剪强度.

1 试验概况

1.1 材料性能

试件采用边长为220 mm的方钢管，厚度为5 mm，加劲肋厚度为3 mm，栓钉直径为5 mm，部分钢材基本力学性能见表1. 核心区混凝土采用再生混凝土，再生粗骨料取代率为0%、50%、100%，混凝土水胶比为0.32或0.50. 混凝土基本参数见表2，其中水泥为P.O.42.5普通硅酸盐水泥，外加剂包括粉煤灰、矿粉和减水剂.

表1 钢材力学性能

表2 混凝土力学性能

①fy为屈服强度. ②fu为抗拉强度. ③Es为弹性模量. ④δ为伸长率.

1.2 试件设计与制作

共设计30个试件. 钢管内壁采用5种不同构造：无构造、设置纵向加劲肋构造、设置水平加劲肋构造、设置纵向加劲肋与水平加劲肋复合构造、设置栓钉构造，依次命名为GZ1～GZ5，如图1所示. 试件上部混凝土与钢管平齐，为加载端；试件下部预留40 mm不浇筑混凝土，为自由端.

图1 试件设计图(单位：mm)Fig.1 Design drawing of specimens (unit: mm)

试件编号采用构造类型和混凝土类型组合，如GZ1- L- 0表示试件无构造措施，采用低水胶比和再生骨料取代率为0%的混凝土. 各试件主要参数如表3所示.

1.3 试验装置及加载制度

试验采用万能试验机提供推出荷载，采用CRONOS动态采集仪采集数据. 在试件加载端上方放置50 mm厚的加载端板，其边长略小于方钢管内径，加载时将核心区混凝土推出至试件自由端. 对于纵向加劲肋构造试件在纵向加劲肋位置进行铣槽，以使加载端荷载仅作用于混凝土，见图2(a)(b). 在方钢管侧面沿高度开3个40 mm×15 mm的矩形孔，在矩形孔顶部放置螺杆与混凝土固结为整体，螺杆上固定小钢板作为混凝土与钢管的相对滑移位移测点；在方钢管外壁沿竖向间距60 mm竖向均匀布置5个竖向应变片，见图2(c). 试验采用位移控制，加载速率为0.1 mm/s，加载至位移达到30 mm左右，荷载趋于稳定，结束加载.

图2 试验加载装置Fig.2 Test setup

2 试验结果与分析

2.1 试验现象

试验结束后将试件的方钢管剖开，核心区混凝土表面状况见图3. 纵向加劲肋构造试件钢管混凝土界面基本完整，4个角部和中部纵向加劲肋位置附近有挤碎混凝土碎块；水平加劲肋构造试件混凝土明显分为上下2层，水平加劲肋上侧混凝土大量挤碎，下侧则基本完好；纵向加劲肋与水平加劲肋复合构造试件混凝土表面大量挤碎，集中在水平加劲肋上侧和4个角部位置；栓钉构造试件界面基本完好，各栓钉从根部剪断并残留在混凝土中.

图3 试件的典型破坏特征Fig.3 Typical failure mode of specimens

2.2 荷载-位移曲线

共得到30条加载端荷载- 位移曲线(P-S曲线)，按照构造类型分为5组，见图4. GZ1～GZ4组试件的荷载- 位移曲线由上升段和残余段组成. GZ5组试件的荷载- 位移曲线由上升段、陡降段和残余段3个部分组成. 钢管混凝土界面的黏结力由化学黏结力、机械咬合力和摩阻力组成. 对于GZ1、GZ2试件，在滑移产生后化学黏结力消失，由于混凝土芯受压后的横向膨胀增加了机械咬合力和摩阻力，滑移后期界面黏结力持续增长；对于GZ3、GZ4试件，环向加劲肋的抗剪力成为主要因素，由于环向加劲肋刚度更大，上侧混凝土不断压碎累积，在推力作用下最终以混凝土全部压碎或环向肋板屈服作为极限状态，故曲线峰值后将出现下降，由于钢材良好的变形性能，残余段较平稳；对于GZ5试件，滑移前期栓钉承担部分剪力，但栓钉刚度弱于环向加劲肋，在达到极限状态后栓钉剪断，滑移曲线出现陡降，之后类似于无构造试件.

图4 试件荷载- 位移曲线Fig.4 P- S curve of specimens

为了简明地描述各荷载- 位移曲线的特征，将推出荷载、残余推出荷载、耗能能力作为曲线特征值，进而计算出黏结强度和残余黏结强度，结果见表3.

2.3 构造措施对黏结性能的影响

为了减小混凝土参数的影响，将各试件的黏结强度、残余黏结强度和耗能能力特征值按照构造类型分为5组，并求出各组平均值，结果见表4.

表4 不同构造试件荷载- 位移曲线特征值均值

纵向加劲肋构造试件的黏结强度、残余黏结强度和耗能能力比无构造试件分别提高5.0、3.6和3.8倍. 在核心区混凝土受到推力横向膨胀时与钢管壁相互挤压，纵向加劲肋局部加强了方钢管壁中部的刚度，从而使得界面挤压作用增强而增大了摩阻力；纵向加劲肋宽度为钢管内径的12%，深入混凝土内部的加劲肋受到来自两侧混凝土的挤压力，使得加劲肋两侧界面摩阻力获得提高；在加载后期核心区混凝土横向膨胀增大，摩阻力随之增大，故荷载- 位移曲线残余段保持增长.

水平加劲肋构造试件的黏结强度、残余黏结强度和耗能能力比无构造试件分别提高6.4、4.9和5.3倍. 水平加劲肋的宽度为钢管内径的5%，较低的用钢量极大地改善了界面黏结性能；由于水平加劲肋刚度较大，在推出过程中与上侧混凝土相互挤压，上侧混凝土不断被挤碎而累积，上部推力持续作用下，挤压作用最终达到稳定.

纵向加劲肋与水平加劲肋复合构造试件的黏结强度、残余黏结强度和耗能能力比无构造试件分别提高12.0、6.6和8.1倍，与2种构造简单叠加效果相比，黏结强度提高5.4%、残余黏结强度降低19.2%、耗能能力降低9.8%. 2种加劲肋从2个方向加强钢管壁的刚度，进一步提高界面摩阻力；在纵向加劲肋支持下的水平加劲肋更加牢固，在与上侧混凝土及混凝土碎块相互挤压中更不易达到屈服状态.

栓钉构造试件的黏结强度和耗能能力比无构造试件分别提高1.3倍和17.8%，而残余黏结强度几乎相同. 栓钉显著增加界面的初期黏结强度，混凝土持续滑移后栓钉逐渐被剪断，此后的作用很小；栓钉的直径为6 mm，整体用钢量较少，表现出较高的构造效率.

总体而言，纵向加劲肋、水平加劲肋均能有效提高方钢管再生混凝土界面黏结强度、残余黏结强度和耗能能力；纵向加劲肋与水平加劲肋的复合构造改善效果最好，相比于2种构造简单叠加复合构造的黏结强度提高5.4%；栓钉构造仅增加界面的黏结强度，对残余黏结强度影响不大.

2.4 混凝土参数对黏结性能的影响

对于混凝土水胶比的影响，将各试件的黏结强度、残余黏结强度和耗能能力特征值按照构造类型和水胶比分类，并求出各平均值，结果见表5.

表5 不同水胶比试件荷载- 位移曲线特征值均值

低水胶比的无构造试件的黏结强度、残余黏结强度和耗能能力更低. 目前混凝土水胶比(强度)对黏结强度的影响仍存在争议，多个学者[8-10]试验表明黏结强度随混凝土强度的提高而提高，另有研究[11-12]得到相反的结论，而刘永健等[13]则认为混凝土强度的影响不明显. 钢管混凝土黏结强度离散性是造成分歧的重要原因，水胶比更低的混凝土强度更高，进而提高界面机械咬合力，但高强混凝土的收缩更大使界面密实度更低[1]. 栓钉构造低水胶比试件黏结强度比高水胶比试件高30 Pa，纵向加劲肋构造低水胶比试件比高水胶比试件高130 Pa，水平加劲肋构造低水胶比试件则高出430 Pa，而纵向加劲肋与水平加劲肋复合构造低水胶比试件比高水胶比高380 Pa，随着构造的加强，低水胶比试件的黏结强度逐渐提高，收缩带来的负面影响减弱，混凝土抗剪强度贡献更明显.

对于再生粗骨料取代率的影响见图4，再生粗骨料全取代试件的曲线多次离散于其他混凝土参数的相同构造试件. 由于不同再生粗骨料取代率的影响规律不统一，试件数量较少无法克服离散问题，不再进一步分析.

2.5 应变分析

以试件GZ3- H- 0为例，钢管外壁竖向应变随荷载变化见图5. 纵坐标为应变测点的相对高度位置，其中试件自由端为0，横坐标为应变值. 钢管竖向应变沿高度从上至下逐渐增大，水平加劲肋位于第3个应变测点高度，随着荷载逐渐增大，由水平加劲肋传来的集中剪力使得钢管壁压应力显著增加.

图5 应变随荷载变化图Fig.5 Strain diagram with varying load

3 水平加劲肋抗剪强度计算公式

试验结果表明，水平加劲肋在较少用钢量情况下明显提高方钢管再生混凝土黏结强度，针对水平加劲肋试件的界面抗剪强度进行计算. GB- 50017—2017《钢结构设计规范》[14]给出槽钢连接件的抗剪强度计算方法

(1)

日本学者河野昭彦等[15]认为水平加劲肋剪切屈服强度预测值Pm,p应取核心区混凝土的承载力Ps和水平加劲肋的剪切屈服强度Pd的较小值，即

(2)

式中：αc为试验值的调整因子，取1.3；Ac为钢管内表面积；Ad为水平加劲肋的投影面积；σb为混凝土抗压强度；φ为钢管内周长；td为水平加劲肋厚度；σy为水平加劲肋屈服强度. 水平加劲肋构造试件的抗剪强度计算屈服值与试验结果如图6所示. 式(2)中水平加劲肋构造的计算屈服值与试验结果略有保守，可用来预测方钢管再生混凝土构件内水平加劲肋的抗剪承载力的屈服值.

图6 计算屈服值与试验结果Fig.6 Calculated yield value and test result

4 结论

1) 无构造或加劲肋构造方钢管再生混凝土荷载- 位移曲线由上升段和残余段组成；栓钉构造试件荷载- 位移曲线由上升段、陡降段和残余段组成.

2) 纵向加劲肋、水平加劲肋均能有效提高方钢管再生混凝土界面黏结强度、残余黏结强度和耗能能力；纵向加劲肋与水平加劲肋的复合构造改善效果最好，与2种构造简单叠加相比，复合构造的黏结强度提高5.4%；栓钉构造仅增加了界面的初期黏结强度，对残余黏结强度影响不大.

3) 随着构造措施的加强，相比于高水胶比试件，低水胶比试件的界面黏结强度提高更多，再生粗骨料全取代的方钢管再生混凝土的黏结性能不稳定.