粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型在混凝土組合結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

■ 羅偉兵

江西財經(jīng)職業(yè)學院

前言

混凝土組合結(jié)構(gòu)主要是由鋼管、混凝土、箍筋等幾個部分組成，鋼管或者型鋼是混凝土組合結(jié)構(gòu)的框架。其中，F(xiàn)RP-混凝土組合結(jié)構(gòu)具有聯(lián)系生產(chǎn)、材料節(jié)約、整體性良好等優(yōu)點，在整個混凝土組合結(jié)構(gòu)具體設(shè)計過程中，粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型應(yīng)用問題逐漸引起了人們關(guān)注，它能夠給實際工程提出簡單適用的粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系，保證混凝土組合結(jié)構(gòu)在實際工程中的使用效果，設(shè)計出更好的混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

1 粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型

在混凝土組合結(jié)構(gòu)研究中，粘結(jié)強度及其影響因素和粘結(jié)滑移機理是重點研究內(nèi)容。在對這兩個方面內(nèi)容進行研究過程中，提出了粘結(jié)-滑移的 τ - s 本構(gòu)關(guān)系。其中，τ 代表粘結(jié)應(yīng)力，s代表剪切粘結(jié)滑移。前者，主要是指型鋼表面剪切力。后面，主要是指型鋼與混凝土間的相對位錯。在粘結(jié)-滑移的 τ - s 本構(gòu)關(guān)系中，一旦出現(xiàn)粘結(jié)強度或者錨固措施不夠的問題，將引發(fā)一些質(zhì)量問題。比如，外包混凝土剝落等等，影響混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計效果。同時，在外包混凝土剝落以后，型鋼變形能力和承載力也會受到相應(yīng)影響。基于此，把粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型應(yīng)用到混凝土組合結(jié)構(gòu)中，可給出更為簡單適用的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系，通過對粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系的合理化調(diào)整，可實現(xiàn)對型鋼與混凝土間粘結(jié)強度的有效利用，且利于減輕混凝土組合結(jié)構(gòu)在地震等動力作用情況下破壞程度。下面，本文將引入《型鋼混凝土粘結(jié)滑移基本理論及應(yīng)用研究》文獻中5個型鋼混凝土曲線，利用OriginPro7.5程序，對其本構(gòu)關(guān)系展開數(shù)值和理論方面的分析，明確粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型在混凝土組合結(jié)構(gòu)中的具體應(yīng)用。

2 粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型在FRP-混凝土組合結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用影響混凝土組合結(jié)構(gòu)粘結(jié)、滑移的因素

根據(jù)《型鋼混凝土粘結(jié)滑移基本理論及應(yīng)用研究》文獻中5個型鋼混凝土曲線和型鋼與粘結(jié)機理分析可知，在FRP-混凝土組合結(jié)構(gòu)中，混凝土強度、混凝土保護層厚度、橫向配箍率、型鋼埋置深度、加載方式、型鋼表面狀況等等是影響粘結(jié)和滑移的主要因素。而通過力學性能分析可知，混凝土抗拉強度、加載方式等是影響劈裂破壞的主要因素。在充分考慮這些影響因素基礎(chǔ)上，本文建立起了關(guān)系的基準本構(gòu)模型，為后續(xù)本構(gòu)關(guān)系數(shù)值分析和理論分析做好了充足準備。

2.1 粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系

1、本構(gòu)關(guān)系數(shù)值分析

如下，是本文設(shè)計的加載端 τ ˉ - st本構(gòu)模型。

圖1 加載端本構(gòu)模型

本文將所研究的試件編號分別標注成了SRC-02、SRC-04、SRC-09、SRC-11、SRC-12，并針對試件混凝土設(shè)計強度、實際強度、保護層厚度、埋置長度、配箍率、橫向箍筋配置情況、配鋼率各項參數(shù)進行了準確測定，且針對鋼材材料性質(zhì)展開了細致分析，主要涉及到的鋼材材料包括了6mm鋼板、槽鋼、Φ6鋼筋、Φ8鋼筋、Φ16鋼筋等等。

在上升段，荷載與平均粘結(jié)應(yīng)力、加載端滑移值之間存在著正相關(guān)關(guān)系，荷載越大，和 Sr數(shù)值越大。同時，上升段符合線彈性關(guān)系，可用公式： = A + B St對這一種線性關(guān)系進行表達。而公式中的A、B可采取實驗方式測得，也可采取平均值計算方法獲得。本文，可結(jié)合圖1數(shù)據(jù)得出A和B的值分別是1.151和1.231。那么在理論分析中，若理論推出的公式與實驗結(jié)果相符，就可利用本文加載端 τ ˉ - st本構(gòu)模型確定出簡單適用的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系，滿足FRP-混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

2、本構(gòu)關(guān)系理論分析

圖2 應(yīng)力分布

通過對上圖的觀察與分析，可列出這樣一個公式用于表示豎向平衡條件，

由這一豎向平衡條件可導(dǎo)出加載端滑移的總滑移量。在總滑移量具體計算過程中要先計算出混凝土應(yīng)變（ε）等數(shù)值，而總滑移量具體計算公式如下：

若混凝土處于線彈性階段，可忽略混凝土應(yīng)變，得出粘結(jié)應(yīng)力最大值這個公式，最終可用公式計算出平均粘結(jié)應(yīng)力。如下：

在上升段，只要保證理論分析和數(shù)值分析結(jié)果比較吻合，就可以給出一個既簡單又適用的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系，為FRP-混凝土組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計指明方向，確?；炷两M合結(jié)構(gòu)設(shè)計更為科學。

本文，先是分析了粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系影響因素，在結(jié)合5個型鋼混凝土曲線，通過應(yīng)用粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型分析總結(jié)了混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計實際情況的粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系表達式，以數(shù)值分析和理論分析相結(jié)合的方法，給了相應(yīng)的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系。需要注意的是，在混凝土組合關(guān)系具體設(shè)計過程中，鋼筋幾何尺寸等等都會對粘結(jié)本構(gòu)產(chǎn)生一定影響。基礎(chǔ)此，為了得出正確的研究結(jié)果，要控制好每一個數(shù)值分析和理論研究環(huán)節(jié)，最終實現(xiàn)數(shù)值分析與理論分析結(jié)果相對吻合的目標。根據(jù)結(jié)果，做好錨固連接件等的設(shè)置工作，增強FRP-混凝土組合結(jié)構(gòu)的地震等動力作用抵抗能力。

結(jié)論：綜上可知，在FRP-混凝土組合結(jié)構(gòu)中，因型鋼和混凝土之間粘結(jié)應(yīng)力較小，接觸面積大。所以，一旦出現(xiàn)粘結(jié)強度不夠的情況，很容易呈現(xiàn)出混凝土組合結(jié)構(gòu)承載力大幅度下降的問題，無法滿足實際工程施工需求?；诖?，利用好粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型，分析影響FRP-混凝土組合結(jié)構(gòu)粘結(jié)和滑移因素，可給出簡單適用的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系，進而通過合理設(shè)置錨固連接件，改善其粘結(jié)強度不足的問題，且利于地震等動力作用下盡快修復(fù)結(jié)構(gòu)。