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強度和滑移性能是工程界較為關心的問題。根據國內外對鋼管混凝土結構粘結滑移性能的試驗研究, 綜合概括了國內外對鋼管混凝土粘結滑移性能研究的發展及現狀，以及鋼管凝土界面粘結滑移的機理和鋼管與其核心混凝土粘結本構關系的研究，著重分析了鋼管混凝土粘結強度的國內外研究現狀, 并對粘結強度、粘結滑移本構關系進行了綜合分析、比較。

　　關鍵詞: 鋼管混凝土結構,粘結滑移性能,研究現狀,綜述分析

　　1.引言

　　鋼管混凝土結構(CFST)是指在鋼管中填充混凝土而形成的復合結構。鋼管混凝土結構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生的約束作用，使其處于復雜的應力狀態，從而使得混凝土的強度得到提高，繼而提高鋼管混凝土結構的承載能力;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，不但在使用節點改善了它的彈性性質，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生局部屈曲。此外，施工方便也是鋼管混凝土結構的一個重要的優點，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、拆模等復雜的施工工序，故而可節約模板，加快施工速度。除此之外鋼管混凝土還有耐火性能好和經濟效益高等的優勢。

　　1.2粘結強度的概念

　　建筑結構中，梁上作用的豎向荷載是通過梁柱節點傳遞給柱的。但當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情況中都假設鋼管和混凝土之間的剪切應變是完全連續的，即鋼管和混凝土之間沒有滑移現象。但實際上他們的應變并非是完全的連續，鋼管和混凝土在受力過程中二者之間存在著一定的粘結強度和滑移，尤其是在中、長軸和壓彎構件中，其滑移現象更為明顯。

　　目前，關于粘結強度的定義有：

　　1.2.1極限粘結強度

　　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，確定了構件的測定，確定了構件的荷載-變形曲線，即剪力-滑移曲線(V-τ)取其混凝土極限粘結應變對應的應力作為鋼管與混凝土的極限粘結強度。考慮到混凝土的極限破壞應變大約在0.0035，從安全角度出發，最終選擇極限應變在0.0035時所對應的應力值作為極限粘結強度。

　　1.2.2平均粘結強度

　　1979年和1982年日本學者Morshita、 Tomii 及Morishita等通過測試鋼管變形來確定平均粘結強度，試驗中假設鋼管與混凝土之間產生的粘結應力長度在 范圍內為一常數， ;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變連續時鋼管的縱向壓應力;AS 和t分別表示鋼管的截面面積和其壁厚。

　　1.3鋼管混凝土粘結滑移研究現狀

　　1.3.1國外研究情況

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

　　1979年和1982年日本學者Morshita、 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強度與滑移之間的關系，發現鋼管和混凝土之間的粘結強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強度和剪力連接件的工作性能。該試驗的試件包括矩形、方形和圓形三種構件形式，部分的鋼管混凝土內表面設置了起抗剪作用的栓釘。試驗研究的結果表明，鋼管和混凝土之間的粘結強度與構件的截面形狀和截面的尺寸及剪力連接件的設置有關。

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

　　2010年由西悉尼大學Zhong Tao、Brian Uy，清華同學韓林海及福州大學Xian Chen等對64個被暴露于ISO834標準火災中90分鐘或180分鐘的鋼管混凝土柱進行了推出試驗。同時還制備了12個為加熱的標本作為對比試件。系統的測試了諸如(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混凝土);(6)粉煤灰類型及混凝土的養護條件等參數對鋼管和核心混凝土之間粘結強度的影響。試驗研究的結果表明：受火后的鋼管及其核心混凝土之間的粘結強度發生了顯著的改變。這其中對曝火90分鐘的試件觀察發現粘結強度下降的顯著，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強度有部分恢復，其它因素也有一定程度的影響。

　　Zhong Tao等的試驗研究結果得出以下結論：

　　(1) 研究發現受火90分鐘的試件的粘結強度有普遍的下降，但受火時間延長至180分鐘的試件，其粘結強度有部分恢復。

　　(2) 圓形鋼管混凝土柱的粘結強度一般比方鋼管混凝土柱要高的多。在當前的測試強度范圍內，圓鋼管混凝土柱和方鋼管混凝土柱推薦的粘結強度為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強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行試驗研究，采取適當的措施，以提高粘結強度。

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

　　1.3.2國內研究情況

　　自90年代后期開始至今，國內學者對鋼管混凝土粘結-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行過鋼管表面粗糙度對粘結強度影響地試驗，故而通過32個鋼管混凝土的推出試驗，系統的分析鋼管與核心混凝土的界面粘結性能。研究的結果表明，混凝土的強度等級、鋼管的表面狀

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

　　式中 Nu—粘結破壞荷載(N);

　　l—界面長度(mm);

　　D0—鋼管內徑。(D0=155mm)

　　1.4鋼管混凝土界面粘結機理

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

　　(1) 混凝土內的水泥凝膠體與鋼管表面的化學膠結力。鋼管與其核心混凝的膠結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械咬合力。機械咬合力是由于鋼管內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械咬合力作用，這種咬合力受鋼管內表面銹蝕程度的影響較大。當鋼管表面非常光滑時，機械咬合作用就很小;相反當鋼管銹蝕嚴重，表面有深度凹痕時，機械咬合力就較大。經多方數據統計分析可知，在鋼管與核心混凝土的機械咬合作用與其內表面的粗糙程度成正比，我們稱這種機械咬合作用為鋼管的“微觀機械咬合作用”。

　　(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“宏觀機械咬合作用”。

　　1.5鋼管與混凝土粘結本構關系的研究

　　鋼管與其核心混凝土粘結本構關系的建立為其粘結性能的進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應力的本構關系至關重要。

　　過去多數關于鋼管和其核心混凝土之間粘結本構關系的研究，一般都是，以鋼管與混凝土界面的平均粘結應力和鋼管混凝土構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關系。Nilson、楊勇等人在關于鋼筋混凝土粘結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規律的復雜性的。同理，鋼管壁與其核心混凝土界面上的粘結應力與相對滑移的關系也隨截面位置(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滑移本構關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，并參考國內外的相關資料，在考慮長細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F(x)和G(x)，較為真實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滑移本構關系。其中F(x)是與粘結應力有關的位置函數，而G(x)是與滑移有關的位置函數。

　　1.6結語

　　由于鋼管混凝土結構的應用和發展相對鋼筋混凝土結構來說起步較晚，因此，國內外對鋼管混凝土結構的粘結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滑移的本構關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強度方面的研究，但到目前為止仍未給出確定性的結論，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構設計方法和計算分析理論，促進鋼管混凝土結構的進一步發展，開展鋼管混凝土粘結滑移性能的研究是非常有意義和迫切的進程。

　　參考文獻

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