建筑工程師論文范文鋼管混凝土性能研究

　　摘要: 鋼管混凝土中鋼管和混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度和滑移性能是工程界較為關(guān)心的問題。根據(jù)國內(nèi)外對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)滑移性能的試驗研究, 綜合概括了國內(nèi)外對鋼管混凝土粘結(jié)滑移性能研究的發(fā)展及現(xiàn)狀，以及鋼管凝土界面粘結(jié)滑移的機(jī)理和鋼管與其核心混凝土粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系的研究，著重分析了鋼管混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀, 并對粘結(jié)強(qiáng)度、粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了綜合分析、比較。

　　關(guān)鍵詞: 鋼管混凝土結(jié)構(gòu),粘結(jié)滑移性能,研究現(xiàn)狀,綜述分析

　　1.引言

　　鋼管混凝土結(jié)構(gòu)(CFST)是指在鋼管中填充混凝土而形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)利用鋼管和混凝土二者在受力過程中的相互作用，即受力過程中鋼管對核心混凝土產(chǎn)生的約束作用，使其處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，從而使得混凝土的強(qiáng)度得到提高，繼而提高鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力;其次通過已有的試驗研究可知核心混凝土在鋼管的約束下，不但在使用節(jié)點(diǎn)改善了它的彈性性質(zhì)，而且在破壞時具有較大的塑性變形，即使得核心混凝土的塑性和韌性性能得到改善。同時，由于混凝土的存在，使得鋼管在一定程度上可避免或是延緩了鋼管過早的發(fā)生局部屈曲。此外，施工方便也是鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的一個重要的優(yōu)點(diǎn)，與普通的鋼筋混凝土柱相比，鋼管混凝土柱沒有綁扎鋼筋、支模、拆模等復(fù)雜的施工工序，故而可節(jié)約模板，加快施工速度。除此之外鋼管混凝土還有耐火性能好和經(jīng)濟(jì)效益高等的優(yōu)勢。

　　1.2粘結(jié)強(qiáng)度的概念

　　建筑結(jié)構(gòu)中，梁上作用的豎向荷載是通過梁柱節(jié)點(diǎn)傳遞給柱的。但當(dāng)采用鋼管混凝土柱時，梁端的剪力并非是直接傳遞給鋼管混凝土的核心混凝土部分，而是先傳遞給包裹核心混凝土的鋼管，再由鋼管傳遞部分給核心混凝土。在以往的研究資料中我們多數(shù)情況中都假設(shè)鋼管和混凝土之間的剪切應(yīng)變是完全連續(xù)的，即鋼管和混凝土之間沒有滑移現(xiàn)象。但實(shí)際上他們的應(yīng)變并非是完全的連續(xù)，鋼管和混凝土在受力過程中二者之間存在著一定的粘結(jié)強(qiáng)度和滑移，尤其是在中、長軸和壓彎構(gòu)件中，其滑移現(xiàn)象更為明顯。

　　目前，關(guān)于粘結(jié)強(qiáng)度的定義有：

　　1.2.1極限粘結(jié)強(qiáng)度

　　1975年1980年Virdi K S， Dowling P J通過對推出試驗(圖1)中混凝土的變形測定，確定了構(gòu)件的測定，確定了構(gòu)件的荷載-變形曲線，即剪力-滑移曲線(V-τ)取其混凝土極限粘結(jié)應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力作為鋼管與混凝土的極限粘結(jié)強(qiáng)度。考慮到混凝土的極限破壞應(yīng)變大約在0.0035，從安全角度出發(fā)，最終選擇極限應(yīng)變在0.0035時所對應(yīng)的應(yīng)力值作為極限粘結(jié)強(qiáng)度。

　　1.2.2平均粘結(jié)強(qiáng)度

　　1979年和1982年日本學(xué)者M(jìn)orshita、 Tomii 及Morishita等通過測試鋼管變形來確定平均粘結(jié)強(qiáng)度，試驗中假設(shè)鋼管與混凝土之間產(chǎn)生的粘結(jié)應(yīng)力長度在 范圍內(nèi)為一常數(shù)， ;式中：N是施加于核心混凝土上的軸向荷載; 是鋼管和混凝土之間應(yīng)變連續(xù)時鋼管的縱向壓應(yīng)力;AS 和t分別表示鋼管的截面面積和其壁厚。

　　1.3鋼管混凝土粘結(jié)滑移研究現(xiàn)狀

　　1.3.1國外研究情況

　　1975年和1980年日本學(xué)者Virdi K S，Dowling P J進(jìn)行了大約100個圓鋼管混凝土軸心受壓構(gòu)件的實(shí)驗研究，系統(tǒng)地考察了包括鋼管內(nèi)表面平整度、試件的長度和直徑(L/D)、鋼管截面的直徑(D)、鋼管的壁厚(t)、混凝土的強(qiáng)度等級及混凝土澆筑的密實(shí)度等參數(shù)對鋼管和混凝土之間粘結(jié)強(qiáng)度的影響，分析其結(jié)果表明，以上參數(shù)中對鋼管和混凝土之間粘結(jié)強(qiáng)度影響較大的是鋼管內(nèi)表面的平整度和混凝土澆筑的密實(shí)度。通過實(shí)驗研究結(jié)果可知，鋼管內(nèi)表面越是粗糙，二者之間的粘結(jié)強(qiáng)度越大。混凝土的密實(shí)度越高，粘結(jié)強(qiáng)度越高。

　　1979年和1982年日本學(xué)者M(jìn)orshita、 Tomii 及Morishita等通過推出試驗測定了圓形、方形和八角形截面鋼管混凝土在軸向壓力作用下粘結(jié)強(qiáng)度與滑移之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)鋼管和混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度屬圓鋼管混凝土的最高大概在0.2-0.4MPa，八角形的鋼管混凝土居中，方鋼管混凝土的最低大約是0.15-0.3MPa。

　　1993年Shakir-Khail對40個鋼管混凝土短柱試件的核心混凝土進(jìn)行了推出試驗研究，目的是為了測試鋼管和混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度和剪力連接件的工作性能。該試驗的試件包括矩形、方形和圓形三種構(gòu)件形式，部分的鋼管混凝土內(nèi)表面設(shè)置了起抗剪作用的栓釘。試驗研究的結(jié)果表明，鋼管和混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度與構(gòu)件的截面形狀和截面的尺寸及剪力連接件的設(shè)置有關(guān)。

　　1999年Roeder通過理論分析和試驗研究結(jié)果得知鋼管和核心混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度與鋼管的徑厚比有很大的關(guān)系，徑厚比越大，鋼管和核心混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度越低。同時，核心混凝土的收縮會降低鋼管和混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度。且Roeder最終提出了一種計算粘結(jié)強(qiáng)度的簡化公式。

　　2010年由西悉尼大學(xué)Zhong Tao、Brian Uy，清華同學(xué)韓林海及福州大學(xué)Xian Chen等對64個被暴露于ISO834標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)中90分鐘或180分鐘的鋼管混凝土柱進(jìn)行了推出試驗。同時還制備了12個為加熱的標(biāo)本作為對比試件。系統(tǒng)的測試了諸如(1)受火時間;(2)橫截面形狀;(3)橫截面的尺寸;(4)界面長度與直徑(寬度)的比值;(5)混凝土的類型(普通混凝土和自密實(shí)混凝土);(6)粉煤灰類型及混凝土的養(yǎng)護(hù)條件等參數(shù)對鋼管和核心混凝土之間粘結(jié)強(qiáng)度的影響。試驗研究的結(jié)果表明：受火后的鋼管及其核心混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度發(fā)生了顯著的改變。這其中對曝火90分鐘的試件觀察發(fā)現(xiàn)粘結(jié)強(qiáng)度下降的顯著，然后對于曝火時間延長至180分鐘后鋼管和其核心混您土之間的粘結(jié)強(qiáng)度有部分恢復(fù)，其它因素也有一定程度的影響。

　　Zhong Tao等的試驗研究結(jié)果得出以下結(jié)論：

　　(1) 研究發(fā)現(xiàn)受火90分鐘的試件的粘結(jié)強(qiáng)度有普遍的下降，但受火時間延長至180分鐘的試件，其粘結(jié)強(qiáng)度有部分恢復(fù)。

　　(2) 圓形鋼管混凝土柱的粘結(jié)強(qiáng)度一般比方鋼管混凝土柱要高的多。在當(dāng)前的測試強(qiáng)度范圍內(nèi)，圓鋼管混凝土柱和方鋼管混凝土柱推薦的粘結(jié)強(qiáng)度為0.15～0.4MPa在這方面，受火的影響可以被忽略。

　　(3) 由于混凝土的收縮，鋼管混凝土柱的粘結(jié)強(qiáng)度對其橫截面尺寸非常的敏感。因此，需要更多的大尺寸截面鋼管混凝土柱進(jìn)行試驗研究，采取適當(dāng)?shù)拇胧蕴岣哒辰Y(jié)強(qiáng)度。

　　(4) 粉煤灰種類、水膠比和水泥替代率的不同對SCC的粘結(jié)強(qiáng)度有影響。通過研究表明，一般情況下自密實(shí)混凝土與普通混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度類似。

　　1.3.2國內(nèi)研究情況

　　自90年代后期開始至今，國內(nèi)學(xué)者對鋼管混凝土粘結(jié)-滑移性能做了大量的試驗研究。

　　1996年薛立紅和蔡紹懷考慮到至此尚無人進(jìn)行過鋼管表面粗糙度對粘結(jié)強(qiáng)度影響地試驗，故而通過32個鋼管混凝土的推出試驗，系統(tǒng)的分析鋼管與核心混凝土的界面粘結(jié)性能。研究的結(jié)果表明，混凝土的強(qiáng)度等級、鋼管的表面狀

　　況和混凝土的養(yǎng)護(hù)條件對鋼管和核心混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度有顯著的影響，而界面長度的大小對粘結(jié)強(qiáng)度的影響不大。并且，此次試驗首次實(shí)行了反復(fù)推出試驗，確定了摩阻力對粘結(jié)強(qiáng)度的影響。推出了鋼管與核心混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度τu計算公式：τu =Nu/πD0l

　　式中 Nu—粘結(jié)破壞荷載(N);

　　l—界面長度(mm);

　　D0—鋼管內(nèi)徑。(D0=155mm)

　　1.4鋼管混凝土界面粘結(jié)機(jī)理

　　與鋼筋和混凝土的粘結(jié)力構(gòu)成一樣，鋼管和其核心混凝土之間的粘結(jié)力也是由三部分組成的。

　　(1) 混凝土內(nèi)的水泥凝膠體與鋼管表面的化學(xué)膠結(jié)力。鋼管與其核心混凝的膠結(jié)力收混凝土中的水泥用量、水灰比等因素的影響。

　　(2) 鋼管與其核心混凝土界面粗糙不平的機(jī)械咬合力。機(jī)械咬合力是由于鋼管內(nèi)表面的凹凸不平與混凝土的擠壓力所造成的。類似于光圓鋼筋與混凝土的機(jī)械咬合力作用，這種咬合力受鋼管內(nèi)表面銹蝕程度的影響較大。當(dāng)鋼管表面非常光滑時，機(jī)械咬合作用就很小;相反當(dāng)鋼管銹蝕嚴(yán)重，表面有深度凹痕時，機(jī)械咬合力就較大。經(jīng)多方數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可知，在鋼管與核心混凝土的機(jī)械咬合作用與其內(nèi)表面的粗糙程度成正比，我們稱這種機(jī)械咬合作用為鋼管的“微觀機(jī)械咬合作用”。

　　(3) 鋼管與混凝土界面間的摩擦力。鋼管與核心混凝土之間的界面摩擦力是與鋼管的約束力成正比的，鋼管與混凝土之間的摩擦力大小取決于鋼管的“宏觀偏差”。這一概念由Virdi和Dowling首先提出，并稱這種作用為鋼管的“宏觀機(jī)械咬合作用”。

　　1.5鋼管與混凝土粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系的研究

　　鋼管與其核心混凝土粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系的建立為其粘結(jié)性能的進(jìn)一步研究提供了必要的條件，同時為有限元分析軟件的精確分析提供了可能，因此研究鋼管與其核心混凝土之間粘結(jié)應(yīng)力的本構(gòu)關(guān)系至關(guān)重要。

　　過去多數(shù)關(guān)于鋼管和其核心混凝土之間粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系的研究，一般都是，以鋼管與混凝土界面的平均粘結(jié)應(yīng)力和鋼管混凝土構(gòu)件的加載端或自由端的鋼管與混凝土的相對滑移，近似來描述整根鋼管長度方向的本構(gòu)關(guān)系。Nilson、楊勇等人在關(guān)于鋼筋混凝土粘結(jié)滑移性能研究的試驗曲線表明，鋼筋混凝土中各截面剪切-滑移曲線(τ-s)錨固深度x的不同而變化，即存在著一個曲線族。τ=τ (s，x)，因此，采用單一的τ-s曲線是不能反映局部粘結(jié)規(guī)律的復(fù)雜性的。同理，鋼管壁與其核心混凝土界面上的粘結(jié)應(yīng)力與相對滑移的關(guān)系也隨截面位置(錨固深度x)的不同而變化，單一的τ-s曲線同樣不能反映鋼管混凝土粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系沿錨固長度方向的變化，帶有明顯的局限性。

　　西安建筑科技大學(xué)的趙鴻鐵和胡琨等人通過方鋼管混凝土推出試驗，并參考國內(nèi)外的相關(guān)資料，在考慮長細(xì)比和寬厚比兩個因素的狀況下，引入了反映錨固深度位置變化的兩個函數(shù)F(x)和G(x)，較為真實(shí)全面的反映了不同錨固深度處的鋼管與其核心混凝土的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系。其中F(x)是與粘結(jié)應(yīng)力有關(guān)的位置函數(shù)，而G(x)是與滑移有關(guān)的位置函數(shù)。

　　1.6結(jié)語

　　由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展相對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來說起步較晚，因此，國內(nèi)外對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)滑移研究還不是很深入和完善，而相對來說對鋼管混凝土粘結(jié)滑移的本構(gòu)關(guān)系研究開展的就更少了，大部分研究都是局限于對鋼管混凝土粘結(jié)強(qiáng)度方面的研究，但到目前為止仍未給出確定性的結(jié)論，還存在較多的分歧和問題。為了建立相對來說比較完整的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和計算分析理論，促進(jìn)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展，開展鋼管混凝土粘結(jié)滑移性能的研究是非常有意義和迫切的進(jìn)程。

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