型钢混凝土粘结滑移研究现状及基本问题

光圆钢筋 工字钢
加载端滑移量S(mm)
图1.6 典型的 S 曲线
0.759 1.315S 1.343S 2 0.140S 3 1.556S 4
式中 为平均粘结应力（ N / mm2）；S为加载端相对滑移量（mm）。 这一本构关系只给出平均粘结应力（外加荷载在型钢面积上的平均值）与型钢 混凝土推出试验加载端滑移量之间的相互关系，无法反映出粘结滑移刚度沿型钢锚 固长度退化这一实际现象，同时，也不能反映出腹板和翼缘的粘结滑移刚度的差别， 因此具有较大的局限性。国外主要侧重于型钢混凝土粘结强度的研究，对粘结滑移 本构关系研究很少。
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钢板与混凝土粘结强度的研究
• 日本的坪井善勝、若林実在1950年为了配合日本规范《钢骨钢筋 混凝土结构设计标准及解说》的编制，采用钢板拉拔试验对型钢 与混凝土之间的粘结强度进行了研究。在试验中考虑了混凝土强 度、混凝土保护层厚度、横向配箍率和纵向钢筋数量等四个因素， 得出型钢混凝土粘结强度较低的结论，并建议在规范中不考虑型 钢混凝土的粘结作用。 • 西安建筑科技大学李红进行了四组钢板拉拔梁式试件的试验，试 验考虑了混凝土强度等级、混凝土保护层厚度、横向配箍率和纵 向配钢率四个因素对粘结强度的影响。通过试验结果的统计回归， 提出了型钢混凝土的平均粘结强度、极限粘结强度和残余粘结强 度的计算公式，并通过对比计算，得出钢板与混凝土的粘结强度 较小，相当于光圆钢筋60%和螺纹钢筋的30%的结论。
u u
P
P
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粘结应力/MPa
u
bf
• Roeder1984年的试验结果表明： （1）Roeder根据对Bryson and Mathey 和Hawkins的试验结果进行对比分析，并用 其试验结果进一步验证，提出型钢混凝土粘结主要由翼缘与混凝土的粘结贡 献的假定，而腹板对型钢混凝土之间的粘结几乎不作贡献，可以忽略。 （2）在使用荷载作用下，型钢混凝土粘结应力在不同的锚固深度处的分布不是相同 的，而是呈指数分布，随着荷载的逐步增加，型钢混凝土粘结应力逐渐增大， 而且在型钢混凝土连接面上出现粘结裂缝并逐渐向自由端扩张。 （3）根据试验结果，得出按翼缘与混凝土接触面积平均的局部最大粘结应力随混凝 土圆柱体抗压强度的增大而增大的规律。并得出相应的粘结应力公式 （4）为了考察型钢混凝土在风荷载和地震作用下的粘结滑移性能，Roeder还对两个 自由端已经发生滑移的试件进行了重复加载试验，试验结果表明，已经发生的 滑移对重复加载后的试件的粘结应力分布规律影响很大，重复加载的粘结强度 比首次加载时所达到的粘结强度要降低（28~45）%。 • 郑州工学院孙国良为了考察型钢混凝土柱端部轴力的传递性能，进行了一批 推出试验，在试验中主要考察了栓钉、配箍率和混凝土保护层厚度对型钢混凝 土粘结强度的影响。并从混凝土保护层开裂的角度，根据粘结应力的扩散原理 建立了型钢混凝土临界保护层厚度计算的经验公式，并根据此临界保护层厚 C cre b f / 3 bf 度，建立了型钢混凝土粘结强度的计算公式.
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型钢混凝土粘结滑移的基本概念
• 平均粘结强度 在型钢混凝土粘结滑移推出试验研究中，一般取外加荷载在型钢混凝 土连接面总表面积上的平均值为粘结应力，对应的取外加荷载达到极限荷载时的粘结 应力为型钢混凝土的粘结强度，由于试验研究结果表明型钢混凝土的实际粘结应力沿 型钢埋置长度方向是变化的，因此，此粘结强度实际为沿型钢埋置长度上型钢混凝土 的平均粘结强度，在工程中，一般以此强度作为型钢混凝土粘结强度。 局部最大粘结强度 一般取局部的最大粘结应力值为局部最大粘结强度，这主要是作 为粘结裂缝开展的控制条件，可用于计算粘结破坏的开裂荷载。 残余粘结强度 型钢混凝土结构中的粘结强度在型钢与混凝土之间的化学胶结力完全 丧失后，只有摩擦阻力和机械咬合力作贡献，粘结强度保持一定的残余值，并不随粘 结滑移的发展而降低，习惯上称此粘结强度为残余粘结强度。 粘结滑移本构关系 型钢混凝土结构和构件在受力后，由于粘结内裂缝以及混凝土劈 裂裂缝的存在，在型钢混凝土的连接面区域内，应力应变状态非常复杂。为便于分析， 一般都将型钢周围的这一具有特殊力学性质的混凝土层（滑移层）的变形归为型钢混 凝土连接面上的相对滑移，并根据粘结应力和粘结滑移的对应关系，建立型钢混凝土 的粘结滑移本构关系，粘结应力是指型钢表面剪应力，滑移为型钢与连接面上对应位 置混凝土的相对位错。
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4.0 3.5
平均粘结强度(MPa)
3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 0
型钢表面喷砂处理试件 普通型钢表面试件
10
20
30
40
50
混凝土抗压强度(MPa)
图1.5 混凝土强度与粘结强度关系
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通过以上归纳和分析，Roeder等进行了18个试件的推出试验，并着重考虑了混凝 土保护层厚度、横向配箍率和配箍形式、型钢截面尺寸、型钢锚固长度、偏心加 载、剪力连接件等对粘结强度的影响。并得出很多新的结论.
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Hamdan 和 Hunaiti于1991年进行的型钢混凝土推出试验着重考察了混凝土强度、 型钢表面状况和横向配箍率对型钢混凝土粘结强度的影响作用。试验结果表明混 凝土强度对型钢混凝土粘结强度没有明显的影响，增大横向配箍率和对型钢表面 进行喷砂处理可以提高型钢混凝土的粘结强度。 Wium在1992年先后进行了型钢混凝土的推出试验和短柱试验。Wium 和 Lebet在 试验中着重考察了型钢混凝土的保护层厚度、横向配箍率、型钢的截面尺寸和混 凝土的收缩等四个因素对型钢混凝土粘结强度的影响。通过对试验结果进行统计 分析，并采用ADINA有限元程序对各因素进行了有限元分析 。 Roeder 和 Robert. Chmielowski对型钢混凝土 粘结性能的有关试验研究进行了综合分析。对以 往的有关型钢混凝土粘结性能的试验研究结果进 行了统计，对混凝土强度、型钢表面情况、横向 配箍率、型钢锚固长度与截面高度比、混凝土截 面与型钢截面面积比等因素对型钢混凝土粘结强 度的影响进行了综合比较，并相应地制出各种统 计图表。图1.5为统计的混凝土强度和型钢表明 状况与粘结强度的关系。
型钢混凝土粘结滑移的基本机理
已有研究成果表明，型钢与混凝土之间的粘结和光圆钢筋与混凝土之间的粘结相类 似，主要由三部分组成：混凝土中水泥胶体与型钢表面的化学胶结力，型钢与混凝土 接触面上的摩擦阻力和型钢表面粗糙不平的机械咬合力。化学胶结力主要存在于型钢 与混凝土表面发生相对粘结滑移之前，当连接面上发生相对粘结滑移后，水泥晶体被 剪断或挤碎，化学胶结力大大降低，对于型钢而言，化学胶结力在总粘结力中的比重 远远大于在光圆钢筋中的比重。当化学胶结力退出工作后，粘结力就主要依靠摩擦阻 力和机械咬合力来维持，摩擦阻力主要取决于型钢与混凝土界面上的正应力和摩擦系 数，主要与型钢混凝土构件受力和横向约束（混凝土凝固时的收缩、混凝土保护层 厚度和横向配箍率等）及型钢的表面特性有关。机械咬合力主要取决于型钢表面状况。 由于型钢混凝土构件中型钢的几何形状与受力性能的特殊性，粘结性能又表现出 很大特殊性和复杂性。与钢筋相比，型钢混凝土之间的粘结必须考虑三个方向（纵向、 横向和法向）的粘结作用。同时，由于混凝土对型钢翼缘和腹板的握裹性能存在差别， 相应的型钢翼缘和腹板的粘结滑移本构关系也存在差异，因此在有限元分析中，型钢 翼缘和腹板与混凝土之间的粘结滑移本构关系应该分别给出。国内外试验研究表明， 型钢混凝土粘结滑移刚度沿着型钢埋置长度方向上存在变化。在有限元分析中，一般 是设法得到纵向粘结滑移本构关系，然后考虑一定的相互关系，确定横向和法向的粘 结滑移刚度，对型钢混凝土粘结滑移进行二维或三维模拟。因此，型钢混凝土粘结滑 移本构关系主要是指型钢混凝土连接面上的纵向剪应力和型钢混凝土之间的纵向相对 滑移之间的相互关系。由于型钢混凝土的粘结滑移刚度随锚固位置发生变化，因此， 为了确定不同锚固位置的粘结滑移刚度，必须首先研究粘结应力和相对滑移的分布规 律 ， 从 而 建 立 考 虑 位 置 变 化 的 粘 结 滑 移 本 构 模 型 。
型钢混凝土粘结滑移 研究现状及基本问题
•STATE-OF-THE ART AND BASIC PROBLEMS OF THE STUDY ON BOND-SLIP BETWEEN STEEL SHAPE AND CONCRETE IN SRC STRUCTURES
型钢混凝土粘结性能的研究意义
• 型钢混凝土结构中型钢与混凝土之间的自然粘结或设置剪力连 化 机 摩 接件是保证型钢混凝土结构或构件中型钢与混凝土整体共同工 学 械 擦 胶 作的基础，正是由于型钢混凝土之间的粘结作用，型钢才能与 阻 咬 结 混凝土共同工作、共同承担荷载，组合成为一种真正的“组合” 力 合 力 力 结构（图1.1）。 型 型 钢 钢 试验研究结果表明，未设置剪力连接件的构件，在荷载约达到 混 混 极限荷载的80%前，型钢与混凝土基本上能共同工作，在80%极 混凝土 自然粘结作用 凝 凝 限荷载以后，二者间有较大的相对滑移产生，变形不能协调一 型 钢 土 土 连接作用 致。在实际工程中加设剪力连接件会加大现场施工工作量、增 构 结 件 构 加现场施工工期、提高工程造价。因此，合理的确定型钢混凝 土的粘结性能，在设计中主要考虑型钢混凝土之间的粘结作用， 连接材料 剪切连接件 采取合理的设计计算理论，减少（或尽量避免）剪力连接件的 设置，显然会大大简化施工并减小施工费用并极大地缩短现场 图1.1 型钢混凝土结构的构成示意图 施工工期，在经济上定将取得显而易见的效益。 型钢与混凝土之间的粘结性能将直接影响型钢混凝土结构和构件的受力性能、破坏形态、承载能力、 及裂缝和变形等。同时，有限单元法的发展和完善，为各种复杂的型钢混凝土结构和构件分析提供 了新的手段，但是也相应地提出了一些亟待解决的问题，其中之一就是型钢与混凝土的粘结滑移问 题。因此，对于型钢混凝土结构，要合理地建立一整套的强度、刚度、变形和裂缝开展的计算理论 和分析方法，并采用有限元法对复杂结构进行准确的分析计算，就必须对型钢混凝土粘结性能进行 深入研究。
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同济大学对高强型钢混凝土粘结滑移性能进行了一批推出试验和短柱试验，研究结果表 明： （1）粘结应力分布规律为指数分布，但随荷载增加，不会趋于常数分布。 （2）型钢翼缘外表面的粘结应力均高于相应翼缘内表面和腹板表面的粘结应力值， 约为2 倍左右，对混凝土保护层厚度较大的试件，这种差异也越明显。 （3）随混凝土强度的提高，局部最大粘结应力（粘结强度）也相应提高。 （4）混凝土保护层厚度对粘结性能的影响主要是通过对型钢横向变形的约束来体现，混凝 土保护层厚度越大，型钢混凝土连接面上横向约束力越大，从而粘结应力也相应提高。 （5）箍筋的作用与混凝土保护层基本相同，也是通过增强对型钢的横向约束力来提高型钢 混凝土的粘结强度，而且对试件的开裂和劈裂破坏起到约束作用，同时，对于混凝土 保护层厚度较小的试件，配箍率的增加对粘结强度的影响更加明显。 （6）随着最大滑移量的增加，剪力连接件对混凝土的横向挤压力提高，从而能显著提高型 钢混凝土的粘结强度，但是对于滑移量较小的试件，剪力连接件的 对粘结强度的提高 作用不显著。 通过对上述试验研究的综合分析，可以看到，型钢混凝土粘结滑移性能是一个复杂 的课题。从1962年Brysoobert. Chmielowski 的试验研究，其中有多个国家多位专家学者的研究，但是，这些研究成果仍存在较大 的分歧，未曾形成定论。因此，型钢混凝土粘结强度的研究还有待于进一步的深入和 完善。
型钢与混凝土粘结滑移本构关系的研究
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粘结应力平均值τ(MPa)
P S S
S
l
在有限元分析中应该给出沿型钢混凝土锚固长 度变化的粘结滑移本构关系曲线，但由于型钢混 凝土连接面上的内部滑移比较难测定，因此，大 多数试验和研究中都是采用型钢混凝土平均粘结 应力与型钢混凝土外部（加载端或自由端）的滑 移之间的 S 关系曲线（图1.6）。 重庆建筑大学通过型钢混凝土推出试验，并 参考国内外有关资料，拟合出工字钢和混凝土平 均粘结应力与端部滑移之间的关系曲线：
型钢与混凝土粘结强度的研究
• • 国内外关于型钢混凝土粘结强度的研究试验主要有两种类 型：推出试验（Push-out test）（图1.2a）和短柱试验 （Short-column test）（图1.2b）。 Bryson 和 Mathey 1962主要研究了型钢表面状况对型钢混 凝土粘结强度的影响. 预留空隙 Hawkins于1973年进行的型钢混凝土推出试验则主要考虑 混凝土浇注位置、型钢截面尺寸和横向配箍率对型钢混凝 (a)推出试验 (b) 短柱试验 土粘结强度的影响。 图1.2 型钢混凝土粘结试验形式 Roeder在1984年所进行的 2.0 P P 1.8 型钢混凝土推出试验研究 75%P 1.6 30%P 1.4 中，首次考虑了粘结应力 1.2 沿型钢锚固长度上的变化， 1.0 0.8 并在试验中通过在型钢翼 0.6 缘密布电阻应变片的方法 0.4 0.2 （见图1.3），根据粘结应 0.0 0 100 200 300 400 500 600 700 力与型钢翼缘应力的相互 距加载端距离/mm 关系，得出粘结应力的分 图1.3 Roeder推出试验方案 图1.4 粘结应力分布规律 布规律（见图1.4）。