疲勞荷載后鋼管混凝土界面黏結(jié)性能試驗研究

顧章川，俞先江，陳夢成，許開成

(1．江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇 南京 210005;2．華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)

疲勞荷載后鋼管混凝土界面黏結(jié)性能試驗研究

顧章川1，俞先江1，陳夢成2，許開成2

(1．江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇 南京 210005;2．華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)

對7根圓鋼管混凝土試件先后進行疲勞試驗和推出試驗，得到荷載—滑移曲線和黏結(jié)破壞荷載，研究疲勞循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力比對鋼管混凝土界面黏結(jié)性能的影響。用黏結(jié)強度和割線模量定義了黏結(jié)界面損傷變量，探討疲勞荷載與損傷變量的關(guān)系。研究結(jié)果表明，疲勞循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力比對界面黏結(jié)性能有顯著影響，導(dǎo)致承載力大幅度下降，且出現(xiàn)異常變化，對結(jié)構(gòu)安全造成危害;通過黏結(jié)強度—滑移曲線的割線模量定義黏結(jié)界面的損傷變量，可以很好地描述疲勞荷載與損傷變量的關(guān)系。

鋼管混凝土 黏結(jié)性能 疲勞荷載 荷載—滑移曲線

鋼管混凝土(Concrete Filled Steel Tubes)是在鋼管中填充混凝土而形成的一種組合結(jié)構(gòu)，通常作為受壓構(gòu)件。它把兩種不同性質(zhì)的材料結(jié)合在一起，充分發(fā)揮了鋼材的抗拉性能和混凝土的抗壓性能，具有承載力高、塑性和延性好、抗震性能優(yōu)越、耐火性能強、施工方便等優(yōu)點，因而，正被越來越廣泛地應(yīng)用于高層及超高層建筑、地鐵和橋梁工程中，并取得了良好的經(jīng)濟效益和建筑效果［1-2］。

迄今為止，國內(nèi)對鋼管混凝土界面黏結(jié)性能的研究主要集中在研究鋼管混凝土界面黏結(jié)強度的影響因素上，并且都是以假定界面完美黏結(jié)為前提，并未考慮鋼管與核心混凝土界面損傷的影響［3-7］。對鋼管混凝土界面黏結(jié)強度的研究主要是從宏觀角度，并未從微觀角度研究其劣化過程的機理。要充分認識黏結(jié)破壞過程，就必然要從細觀和微觀角度出發(fā)研究界面損傷對鋼管混凝土界面黏結(jié)性能的影響。

1 試驗概況

1.1 疲勞試驗

為了探討疲勞荷載對鋼管混凝土黏結(jié)界面力學(xué)性能的影響，在華東交通大學(xué)結(jié)構(gòu)實驗室進行了試驗，對核心混凝土施加疲勞荷載，隨后對鋼管進行推出試驗，得出P－s曲線和黏結(jié)破壞荷載。

疲勞試驗在數(shù)控電液伺服試驗機上進行，共采用了7根圓鋼管混凝土試件，疲勞荷載頻率為7 Hz。試件參數(shù)及疲勞試驗參數(shù)見表1。

表1 試件參數(shù)及疲勞試驗參數(shù)

混凝土采用人工攪拌配制，設(shè)計強度為C40，配合比為 C∶S∶G∶W=1.00∶1.10∶2.56∶0.40。澆注時將圓鋼管豎立，從頂部分層灌入混凝土，并用插入式振搗棒進行振搗。在澆注的同時，預(yù)留6塊150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，試件實測標(biāo)準(zhǔn)抗壓強度為41.2 MPa。試件采用 Q235直縫圓鋼管，按有關(guān)規(guī)定進行拉伸試驗，測得鋼材的彈性模量E為181 GPa，屈服強度 fy為312 MPa，抗拉強度 fu為386 MPa。

1.2 推出試驗

試件受到疲勞荷載作用后，接著對鋼管進行打磨，貼縱向應(yīng)變片，隨后對試件進行推出試驗。

推出試驗在500 t壓力試驗機上進行，數(shù)據(jù)采集采用DH3815N分布式靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)，分級加載。應(yīng)變片布置及加載示意如圖1。先在加載端的混凝土面上鋪上一層濕的細沙，以便于幾何和物理對中，接著放置一塊剛度比較大的圓形鋼墊塊，直徑為152 mm，略小于鋼管內(nèi)徑，兩邊距離鋼管有2～3 mm的間隙。

圖1 試件應(yīng)變片布置及加載示意(單位:mm)

在試驗的準(zhǔn)備階段，先在鋼管的4個面上做好標(biāo)記，畫好中軸線，并在臺座中央預(yù)先畫好鋼管放置的具體位置，使試件中心和加載中心保持在同一條垂線上，以防止試件發(fā)生偏心受壓。先預(yù)先加載5 kN，使混凝土面與鋼墊塊之間擠壓緊密，并檢查試驗儀器有沒有異常，再采用慢速連續(xù)加載，同時開始記錄數(shù)據(jù)。待準(zhǔn)備工作完成后，在確保應(yīng)變片連接無誤的情況下開始加載。在加載初期，每級加載約為預(yù)計極限荷載的1/10，加載速度控制在 500 N/s，每級荷載持荷 2～3 min，當(dāng)鋼管與核心混凝土之間出現(xiàn)了明顯的非線性滑動后，加載速度控制在200 N/s，緩慢連續(xù)加載直至黏結(jié)作用徹底破壞。

在混凝土加載端兩側(cè)各安裝一個百分表，用來量測鋼管和混凝土界面的相對滑移，在每級荷載加載結(jié)束的時候直接讀出試驗機上的荷載值，由此繪出荷載—滑移曲線。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 極限荷載

對7根受疲勞荷載作用后的圓鋼管混凝土試件進行推出試驗，得到極限荷載及其相應(yīng)的滑移量，見表2。

表2 試驗結(jié)果

2.2 疲勞荷載后推出試驗的P－s曲線

通過試件加載端的百分表滑移值和試驗機上對應(yīng)的荷載值可以較準(zhǔn)確地繪制出各個試件的P－s曲線，如圖2所示。

圖2 各試件不同應(yīng)力比下的P－s曲線

3 鋼管混凝土界面損傷模型的研究

3.1 用割線模量定義損傷變量

在鋼管混凝土試件的推出試驗中，可由P－s曲線得到黏結(jié)強度與滑移曲線(τ－s曲線)，該曲線與彈塑性材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線類似［8］。因此，也可以用τ－s曲線中的割線模量來描述界面損傷。定義無界面損傷狀態(tài)τ－s曲線的割線模量為E0，實際損傷狀態(tài)的割線模量為。則可按式(1)來定義損傷變量D

3.2 疲勞荷載后推出試驗P－s曲線的割線模量

由試件的τ－s曲線可得到割線模量衰減規(guī)律，描述界面黏結(jié)的損傷演化過程。當(dāng)滑移量在1 mm以內(nèi)時，位移主要由核心混凝土的壓縮變形產(chǎn)生，只有當(dāng)界面相對位移＞1 mm時才能反映界面的相對位移情況，因此，可按滑移量1 mm計算割線模量，τ－s曲線滑移量為1 mm時的割線模量如表3所示。

表3 各τ－s曲線滑移量為1 mm時的割線模量

從表3中可以看出，沒有受疲勞荷載作用的鋼管混凝土試件的割線模量最大，隨著疲勞次數(shù)的增加，割線模量減小。相同疲勞次數(shù)下，試件應(yīng)力比大的，割線模量相對較小。以割線模量(E)為縱坐標(biāo)，疲勞次數(shù)(x)為橫坐標(biāo)繪出應(yīng)力比分別為0.16和0.33的E－x曲線，如圖3所示。

圖3 割線模量與疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線

根據(jù)割線模量與界面脫黏量的關(guān)系，選用E=ax+b型擬合曲線，其中a，b為系數(shù)。將試驗數(shù)據(jù)代入，得到應(yīng)力比為0.16和0.33的擬合方程，分別為式(2)和式(3)。

用式(2)和式(3)擬合的的相關(guān)系數(shù)分別為0.980 7和0.955 2，相關(guān)性較好。于是可得到x=0時所對應(yīng)的理想無損狀態(tài)鋼管混凝土的割線模量E0在應(yīng)力比為 0.16，0.33時分別為 0.975，1.02 GPa。

3.3 疲勞損傷演變規(guī)律

將無損狀態(tài)的割線模量代入式(1)，得到應(yīng)力比為0.16，0.33時的損傷變量，分別見式(4)和式(5)。

據(jù)此，通過推出試驗的τ－s曲線，可得到D－s曲線，如圖4所示。

圖4 D－s曲線

由圖4可以得到以下規(guī)律:

1)由于疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的不同，鋼管混凝土界面受損程度不同，CFST2-4，CFST2-7兩根受疲勞荷載作用較多的試件，試驗初始階段損傷變量值就比較大。由于疲勞荷載的作用，上部加載端的界面處鋼管與混凝土的黏結(jié)界面受損較為嚴重。推出試驗開始時，單位滑移所需要的荷載較小，損傷變量值較大。隨著試驗的進行，上部混凝土壓縮，下部沒有受到損傷黏結(jié)面處的黏結(jié)力開始作用，損傷變量D值先變小，再逐漸變大。

2)CFST2-2，CFST2-3，CFST2-5，CFST2-6 試件，在加載過程中，隨著荷載的逐漸增大，鋼管壁和混凝土的相對滑移增加，黏結(jié)界面從上部加載端至底部自由端逐漸破壞，全界面逐漸受損，最終全界面產(chǎn)生滑移，所以損傷變量D隨著荷載的增加而逐漸增大。

3)在推出試驗的初始階段，試件之間的損傷變量差值就很明顯。這主要是因為疲勞荷載的作用，試件的黏結(jié)界面受損，黏結(jié)界面損傷變量隨著疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的增加而增大。

4)隨著荷載的逐漸增大，試件之間的損傷變量差值逐漸減小，各試件的損傷—滑移曲線有相互疊合的趨勢。這是由于所加的疲勞荷載上限值較小，僅造成試件上部加載端附近的鋼管與混凝土之間產(chǎn)生縫隙，并沒有在鋼管混凝土全部黏結(jié)界面產(chǎn)生滑移。

4 結(jié)論

1)疲勞循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力比大小，對界面黏結(jié)性能有顯著影響，導(dǎo)致承載力大幅度下降，且出現(xiàn)異常變化，對結(jié)構(gòu)安全造成危害。

2)用τ－s曲線的割線模量定義黏結(jié)界面的損傷變量，可以很好地描述疲勞荷載作用與損傷變量的關(guān)系。

3)疲勞荷載作用嚴重影響鋼管混凝土的使用安性，需要引起高度重視。

［1］趙鴻鐵．鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)［M］．北京:科學(xué)出版社，2001．

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［3］許開成，馬騰，袁方．方鋼管混凝土界面黏結(jié)強度試驗研究［J］．鐵道建筑，2012(12):159-162．

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［6］蔡紹懷．現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)［M］．北京:人民交通出版社，2003．

［7］康希良，趙鴻鐵，薛建陽，等．鋼管混凝土粘結(jié)滑移問題綜述分析［J］．西安建筑科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2006，38(3):321-325．

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TU528．59

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．09．40

1003-1995(2013)09-0127-04

(責(zé)任審編 李付軍)