槽钢连接件对型钢混凝土锚固性能的影响

韩建强，李秋绪

(1.华北理工大学 建筑工程学院，河北 唐山 063210；2. 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063210)

型钢混凝土结构不仅同时具有延伸性好、施工方便等优点，对于大型建筑，其产生的经济效益也十分显著，在装配式建筑快速发展的今天已经被广泛研究和应用[1-4]。目前，国内学者针对型钢不同表面状态影响因素的研究相对较少。因此，在型钢混凝土结构中不同的表面条件下,粘结性能的作用已经成为重要的研究课题。

1 试验概况

1.1 试件尺寸

图1所示为混凝土剖面图，图2所示为型钢截面尺寸图，图3所示为槽钢连接件尺寸图。表1所示为混凝土截面尺寸，表2所示为型钢截面尺寸。

图1 混凝土剖面图 图2 型钢截面尺寸 图3 槽钢连接件

表1 混凝土截面尺寸

表2 型钢截面尺寸

1.2 材料力学性能

表3所示为型钢和钢材的力学性能，表4 所示为混凝土抗压强度。

表3 型钢和钢材的力学性能

表4 混凝土抗压强度

1.3 加载制度

加载采用美国MTS公司生产的243.35T电液伺候加载系统，在2组构件的加载端分别进行单向推入和加载试验，并采用位移控制进行加载，每次加载位移400 mm，加载速率为5 s/mm，加载时间为200 s。

2 试验现象

钢板直锚的型钢表面没有设置连接件，粘结力较低，试件轻微损伤，除自由端外其余5个表面基本完好。加载端损坏轻微，但自由端的破坏严重，出现45°斜裂缝和混凝土脱落现象，试件破坏见图4(a)所示。

设槽钢连接件的试件粘结力相对较高，整体损伤严重，自由端沿型钢一周开裂，但加载端未严重损坏。翼缘处裂缝严重扩展，并且在连接件处有大块混凝土脱落，可见纵向钢筋，试件破坏见图4(b)所示。

图4 试件破坏图

3 试验结果及分析

3.1 试验荷载-滑移曲线及其特征

根据在试验时间内收集到的荷载可以求出2个试件之间的荷载-滑移曲线(P-S曲线)，见图5。

图5 试件荷载-滑移曲线

当外荷载达到一定程度时，在钢板直锚的加载端，首先会产生滑移，型钢与混凝土之间的化学粘结力会随时间的推移开始破坏直到丧失。在外载荷增加到60 kN之前，滑移随荷载的增加呈线性增加。超过60 kN后，荷载开始波动增长，滑移量也由原来的线性增长变为波动性迅速增长。随后在钢板直锚的自由端也慢慢开始出现滑移，且滑移量迅速增加。当达到极限荷载时，型钢与混凝土之间的化学粘结力完全丧失，滑移会继续增加并趋于稳定。

在加载初期，附加槽钢连接件的试件，加载端和自由端几乎同时产生滑移，在达到极限荷载之前二者基本同步且都呈线性缓慢增长模式，超过极限荷载后，随着荷载平稳地下滑，滑移量迅速地增加。随着荷载平稳下滑滑移量迅速增加。

通过对附加槽钢连接件试件和钢板直锚试件荷载滑移曲线的比较，可以看出附加槽钢连接件试件的极限荷载将近是钢板直锚试件极限荷载的3～4倍。在2组试验的运行过程中，加载端的滑移量始终超过自由端的滑移量，而且极大地缩短了达到极限荷载时的滑移量。

3.2 试验荷载-相对滑移曲线及其特征

最终根据试验数据，通过绘制荷载-相对滑移(加载端的滑移值减去自由端的滑移值)曲线，研究了试件在破坏过程中，试件加载端与自由端相对滑移的特征，见图6。

图6 试件荷载-相对滑移曲线

钢筋直锚的试件在加载初期就产生了相对滑移，在外荷载达到60 kN之前呈线性缓慢增加。超过60 kN且达到极限荷载之前，相对滑移迅速增大，该过程中的结合力主要是由化学胶结力引起的。

附加槽钢连接件的试件在外荷载达到30 kN左右后才开始产生相对滑移，一直到极限荷载之前，加载端与自由端的相对滑移始终缓慢增大，最大值仅仅1 mm。从极限荷载下降开始，相对滑移就迅速增加，最终稳定7 mm在左右。在荷载由初始滑移荷载加大到极限荷载的过程中粘结力由化学胶结力和部分机械咬合力提供，所以连接件的存在减小了相对滑移变化范围，减缓了增长速度。

4 有限元分析

试验完成后建立有限元分析模型，分析模型的模拟情况，发现型钢的应变曲线与试验结果基本一致。模拟中考虑到模型计算的精确度和收敛的要求,模型选择100 mm×100 mm×100 mm的C3D8R混凝土单元、钢筋采用50 mm×50 mm×8 mm的六面体钢板单元及T3D2的钢筋单元,选取合适的单元数据种类以及经过优化后的网格分割,这样就将大幅度改善数据的计算精度和工作效率。图7所示为混凝土应力分配云图，图8所示为钢板应力分配云图。

图7 混凝土应力分布云图

图8 钢板应力分布云图

模型完成后，通过计算得到型钢的应变与滑移的相关数据，并将其导入Origin9.0中绘制成型钢的应变曲线，与试验结果进行对比，见图9。

图9 型钢表面纵向应变分布对比图

图9是分别通过模拟和试验得到的型钢表面应变对比图2组试件均选择外荷载达到0.3Pu、Pu时的型钢表面的应变。可以发现：

(1)有限元软件模拟的应变曲线结果与试验得到的应变曲线基本一致。当外载荷达到0.3Pu时，两曲线基本相似。当外载荷达到Pu时，2条曲线的差值增大。

(2)有限元软件模拟得到的应变曲线相比试验得到的应变曲线更接近理想的负指数变化趋势。这是因为有限元软件模拟的情况更接近理想状态，而实际试验过程中试件制作与加载过程均存在差异。

5 结论

(1)连接件的设置大幅提高了试件的粘结力，其极限荷载将近是钢筋直锚试件的3～4倍，说明在型钢表面加设槽钢连接件对提高混凝土与型钢的粘结力的效果明显。

(2)试件的加载端均先于自由端产生滑移，达到极限荷载之前，两者基本同步，但超过极限荷载后，加载端与自由端的相对滑移加大。所以连接件的设置就显得尤为重要，它可以有效的降低试件加载端与自由端的相对滑移。