高等混凝土论文

1、钢管混凝土结构粘结强度的研究摘要：钢管混凝土中钢管和混凝土之间的粘结强度和粘结机理是工程界较为关心的 问题。本文着重分析了国内外钢管混凝土粘结强度的研究现状,并对国内外有关研究 成果进行了总结、分析和比较.对影响粘结强度的因素及钢管混凝土粘结强度、粘结 机理中目前存在的问题进行了综合分析和比较，为进一步研究粘结强度对钢管混凝 土强度和变形能力的影响及钢管混凝土中混凝土的施工质量控制创造了一定的条 件.关键词:钢管混凝土结构；粘结强度；研究现状0钢管混凝土的性能与特点钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件.它是钢与混凝土组合结构的 一种主要结构形式，常用作受压构件.它把两种不同性质的材料结

2、合在一起共同工作, 充分发挥了钢材受拉性能高和混凝土受压性能好的优点.它具有承载力高、塑性和韧 性好、抗震性能好、经济效益显著和施工简便等许多优点，因而在工程中得到广泛的 应用1-2.钢管混凝土的工程应用已有百年历史，但由于各种局限，其优势长期未能得到应 有的发挥.其真正大量应用和系统研究的也是最近几十年的事.许多研究者对钢管混 凝土构件极限荷载能力进行了系统及深入的研究，取得了一定的研究成果.许多国家 都有了自己的设计规程2-3.目前，钢管混凝土这种新型结构形式越来越受到工程界 的重视和青睐，并已经广泛应用于工业厂房、地下工程、高炉和锅炉构架、各种支架、 送变电构架、桥梁结构、高层和超高层建

3、筑等结构中.组成钢管混凝土的钢管与其核心混凝土间的协同互补作用是钢管混凝土具有一 系列突出优点的根本原因,而钢管混凝土中钢管和混凝土之间的粘结强度直接影响 到两种材料能否共同协同工作，因此，粘结强度问题是工程界较为关心的问题，也是研 究者关注的热点问题之一.到目前为止，国内外对此问题的研究还很少，也不够系统和 深入.开展这方面的研究工作具有一定的理论意义和实用价值.1钢管与混凝土粘结问题的有关概念钢管混凝土组合界面的抗剪粘结力与钢筋和混凝土之间的抗滑粘结力一样4-5, 也是由三部分组成:(1)水泥凝胶体与钢管接触表面之间的化学胶结力;(2)粗糙不平的 钢管内表面与混凝土之间的机械咬合力;(3)

4、钢管与混凝土接触面之间的摩阻力.混凝 土与钢管表面之间的化学胶结力一般很小，在不大的应变下即足以产生使胶结力破 坏的局部滑移，该胶结强度与混凝土的性质有关(如水泥用量、水灰比等).机械咬合力 取决于钢管表面的粗糙程度和混凝土的抗剪强度，这种微观咬合力主要源于混凝土 凸齿的抗剪切能力.摩阻力与接触面的摩擦系数和法向压力的大小成正比，而且要在钢管与混凝土发生滑移后才得以显现.在钢管与混凝土发生明显的滑移之前-粘结力 主要由化学胶结力和机械咬合力所组成.在高层和超高层建筑结构中，作用在梁上的荷载要通过梁柱节点传递给柱，当采 用钢管混凝土柱时，梁端的剪力首先传给钢管混凝土柱外面的钢管，再由钢管通过它

5、与混凝土之间的粘结把一部分荷载传给核心混凝土 .以前的研究都假设钢管和混凝 土之间的应变是完全连续的，可实际上它们之间的应变并非完全连续,钢管和混凝土 之间存在着一定的滑移和粘结强度，特别是在中、长轴压柱和压弯构件中比较明显.1.1极限粘结强度关于钢管和混凝土之间的粘结强度，通常采用“推出试验法”来研究5-10,由试 验测出剪力V和滑移s的关系曲线,即V-s曲线.在V-s曲线中对应峰值点或拐点的 荷载称为粘结破坏荷载Vu,界面上相应的剪应力定义为抗剪粘结强度七，由公式nD-L来计算，式中:Vu为粘结破坏荷载;L为界面长度;D0为钢管内径.由于实测曲线的非线性特征，一般取极限粘结应变对应的应力作

6、为极限粘结强度, 而对极限粘结应变的选定,目前尚未有公认的标准.有人建议6采用混凝土的破坏应 变为0.003 5,也有人认为由于混凝土的局部压屈，常见有初始沉陷量，选用0.003 5偏 小，而应采用0.004,一般从安全考虑,选极限应变为0.003 5对应的应力值作为极限 粘结强度.2影响钢管与混凝土之间粘结强度的因素影响钢管与混凝土构件粘结强度的因素很多，混凝土轴压强度、构件的长细比、 钢管的径厚比、钢材的性能、钢管表面的粗糙程度、混凝土的浇注方式、混凝土的 养护条件、界面的长度、轴压比等都有一定的影响.对偏心受压构件还将受到偏心距 的影响.2.1混凝土强度对粘结强度的影响文献7对25根钢管

7、混凝土柱在轴心压力作用下的粘结强度进行了试验研究，试 件长细比(4L/D)为1920.通过对钢管沿纵向变形曲线的观察发现，顶部应变为1 000M 时，钢管顶部和底部应变几乎一致，表明钢管和核心混凝土的应变完全连续， 两者变形协调.当顶部应变为3 000M 时，钢管顶部的应变明显的比接近底部的应 变大，意味着试件顶部的钢管正逐渐地将轴向荷载传给核心混凝土，钢管与核心混凝 土之间出现粘结滑移，而在试件的底部钢管和核心混凝土之间的应变还是一致的.随 着轴向荷载的进一步增大，当顶部应变达到5 000M 时，钢管和核心混凝土应变相 同部分完全消失.在其他条件相同而核心混凝土强度不同的试件中，纵向应变受到

8、核心混凝土弹性 模量的影响，核心混凝土弹性模量随着混凝土强度的增大而增大，但钢管与混凝土之 间的纵向应变完全相同的长度随着核心混凝土强度的增大而变短，也即随着核心受 压混凝土强度的增大，钢管与混凝土之间的存在粘结应力的部分的长度变长.2.2混凝土养护条件和龄期对粘结强度的影响文献8对比第3组和第4组的试验结果表明,混凝土的养护条件对粘结强度的影 响明显.自然养护的平均粘结强度为0.85 MPa,涂石蜡密封养护的平均粘结强度为 0.43 MPa,两者相差一倍.这一现象与通常认为的混凝土干缩会降低粘结强度的预期 刚好相反，产生这一现象的机理尚待进一步研究.文献6的试验结果表明，随着龄期的增长，粘结

9、强度逐渐增大，这是由于随着龄期 的增长，核心混凝土的强度逐渐增大,使钢管与核心混凝土之间的粘结强度也逐渐增 大，但并非龄期越大，粘结强度就越大,实测结果表明，当养护龄期大于28 d达到47一 48 d时,粘结强度明显地变小.产生此现象的主要原因是龄期长的混凝土有更大的收 缩.2.3界面长度、钢管内表面粗糙程度对粘结强度的影响文献8的试验结果表明，界面长度对粘结强度基本上没影响，但粘结破坏时的滑 移值随界面长度的增长而有明显的增长.钢管表面粗糙程度对粘结强度的影响是很 显著的，表面光洁者的平均粘结强度为0.45 MPa,而表面粗糙者的平均粘结强度为 0.85 MPa.2.4钢管的径厚比及构件长细

10、比对粘结强度的影响文献6对6组18根钢管混凝土试件的试验分析表明，径厚比在16.734.5时, 粘结强度的变化规律不明显,离散性比较大，如径厚比由34变为34.5,而极限粘结强 度由2.00 N/mm2减小到0.58 N/mm2.试验结果还表明，随着试件长细比(4L/D)的增 大(从412),极限粘结强度也随着增大，从1.89N/mm2增大到2.90 N/mm2.钢管与 混凝土之间的粘结强度主要是靠摩擦力来提供的，在一定的范围内，随着长细比的增 大，钢管与混凝土之间的摩擦力也随着增大.文献9对2组13个试件进行了偏心推出试验，结果表明，在相同偏心率的条件下, 在一定范围内(1.82L/D5.4

11、5),粘结强度随长细比(L/D)的增大而有所减小.以上两 种试验虽然长细比取值范围不完全相同，受压条件也不同，但试验结论迥异，还有待于 做更深入的研究.2.5混凝土浇注方式对粘结强度的影响混凝土的浇注方式不仅影响混凝土的强度，而且也对粘结强度产生极大影响.文 献6做了 6组18根试件，对混凝土浇注方式对粘结强度的影响进行了试验研究，在其 它条件相同而浇注方式不同的条件下，粘结强度有明显的差别.混凝土振捣方式由机 械振捣、部分机械振捣、人工振捣、部分人工振捣，粘结强度逐渐降低，依此为2.18 N/mm2、1.85 N/mm2、1.61 N/mm2 和 1.43 N/mm2.可见,当混凝土浇注不密

12、实时, 钢管与混凝土之间将产生缝隙，它们之间的摩擦力将降低，粘结强度也将随之降低.文 献12通过试验分析了钢管与混凝土脱粘时，钢管混凝土的承载能力大幅度下降，纵 向应变及挠度增大，且出现异常变化,对结构安全造成危害.2.6轴压比对粘结强度的影响在多层和高层建筑中，下部柱的核心混凝土总是要受到上部楼层传来的轴压力， 当轴压力达到一定大小时,核心混凝土将会向外膨胀而在钢管混凝土的组合界面上 产生径向压力，从而增大了钢管与核心混凝土接触面的剪切摩阻力，使界面的粘结强 度增大.文献5对3组11个模拟梁柱节点的钢管混凝土试件进行了试验,轴压比(。 c/fc)分别为0、0.46和0.92,试验结果表明，实

13、测的V-s曲线的特点是一直持续上升, 有别于轴心试验粘结破坏的滑移值，其大约在2 mm左右，在这里当滑移值达到相当 大时仍未出现峰值点和拐点.文中为便于做比较，列出了 s=2 mm和s=4 mm时的粘 结力V和粘结应力t随轴压比增加而增大的关系曲线，随着轴压比的增大，粘结强度 的增加是非常明显的.3结论根据对国内外目前研究成果的总结和分析，可以得出以下一些结论：对于C40-C80的混凝土，粘结强度随着核心混凝土强度的增加而增加，大体 上与混凝土强度的0.4-0.5次方成正比，对于C90及以上的高强混凝土，还有待于做 进一步的试验研究.粘结强度随混凝土养护龄期的增长而增大，但当龄期超过28 d时

14、，粘结强度有 所降低.密封养护的比自然养护的粘结强度要低一半，其机理有待进一步研究.混凝土 的浇注方式对粘结强度的影响显著，机械振捣的混凝土密实度高,粘结强度也高.界面长度基本上对粘结强度无影响，钢管内表面粗糙程度对粘结强度的影响很 大，钢管内表面粗糙的粘结强度明显要大于内表面光滑的，要提高粘结强度，应增加钢 管内表面的粗糙度.钢管的径厚比对粘结强度有一定影响，但变化规律不明显.对轴心受压构件构 件长细比在13范围内时，粘结强度随长细比的增大而增大.对偏心受压构件，构件长细比在1.825.45范围内时，粘结强度随长细比的增大而减小.但粘结强度随长细 比的变化规律还有待于进一步的研究.对偏心受压

15、构件，粘结强度随偏心率的增大而相应增大，轴压比对粘结强度的 影响显著，随着轴压比的增加，粘结强度相应增加.参考文献1赵鸿铁.钢与混凝土组合结构M.北京:科学出版社,2001.钟善桐.钢管混凝土结构M.第3版.北京:清华大学出版社,2003.韩林海.钢管混凝土结构一理论与实践M.北京:科学出版社,2004.吕西林，金国芳,吴晓函.钢筋混凝土结构非线性有限元理论及分析M.上海: 同济大学出版社,1997.蔡绍怀.现代钢管混凝结构M.北京:人民交通出版社,2003.VIRDI K S,DOWLING P J. Bond Structure in Concrete Filled Steel Tubes

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