型钢混凝土结构的粘结强度研究

摘要: 本文在分析型钢混凝土粘结滑移机理和影响型钢混凝土粘结性能的各种因素的基础上，采用有限元结构分析软件ANSYS分析了混凝土强度等级、混凝土保护层厚度、横向配箍率和纵向配筋率等因素对型钢混凝土粘结强度的影响，研究结果表明：混凝土强度等级对型钢混凝土粘结强度影响很大，混凝土保护层厚度、横向配箍率和纵向配筋率对粘结极限破坏荷载提高作用不明显。

关键词: 型钢混凝土结构；粘结强度；受力性能；有限元分析

中图分类号：文献标识码： 文章编号：

Study on the Bond-strength of Steel Reinforced Concrete Structures

Liang yonggan

(New World Development (wuhan),LTD.Wuhan430022China)

Abstract: Based on studying on the bond-slip relation of steel reinforced concrete structures and the factors which influence the bond-strength of the Steel reinforced concrete structure(SRC), this paper has studied the four main bond-anchoring factors such as concrete strength, concrete cover thickness, the ratio of steel bar and the transverse hoops with structural analysis software ANSYS. The results show that: the concrete strength has a great impact on the bond-strength of the SRC. But the concrete cover thickness, the ratio of steel bar and the transverse hoops have little impact on increasing the bond-ultimate failure load.

Key words: steel reinforced concrete (SRC); bond strength; mechanical behavior ; finite element analysis

1 引言

型钢混凝土构件充分利用混凝土的抗压性能和钢材的抗拉压性能，混凝土与型钢共同受力，使得结构承载力高、抗震和抗火性能好、造价适中，因而在高层与超高层建筑、大跨度公共建筑中得到广泛的应用。型钢与混凝土之间的粘结性能是直接影响型钢混凝土结构和构件的受力性能、破坏形态、计算假定、承载能力、裂缝和变形的主要因素[1-3]。本文在分析型钢混凝土粘结滑移机理的基础上，采用结构分析软件ANSYS对型钢混凝土的粘结强度进行研究。

2 型钢混凝土粘结滑移机理分析

在型钢混凝土结构中，型钢与混凝土两种性能不同的材料能够共同受力是由于它们之间存在着粘结力，这种作用使得型钢与混凝上能够实现应力传递。粘结力宏观效果是一种剪力，这种剪力使型钢截面的应力沿长度发生变化。伴随粘结作用，型钢与混凝土之间还会产生沿连接面上型钢与混凝土之间的相对滑移。型钢与混凝土之间的粘结力主要由三部分组成[4-5]：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。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连接面上的正应力和摩擦系数，主要与型钢混凝土构件的受力、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的粗糙程度和表面状况，但其极限值受到混凝土强度的限制。从型钢混凝土粘结滑移机理可见，混凝土强度等级、混凝土保护层厚度、横向配箍率和纵向配筋率等因素影响着其粘结强度。本文采用有限元法对影响型钢混凝土粘结强度的因素进行分析。

3 有限元模型的建立

型钢混凝土构件的型钢采用shell181壳单元模拟，混凝土采用实体单元solid65模拟，型钢与混凝土界面视为各自边界条件，采用CONTAC173接触单元模拟，钢筋混凝土结构中纵向钢筋横向箍筋采用L1NK8单元进行模拟。

型钢采用Q345钢，弹性模量Es = 2.06×105MPa， ，混凝土根据试件采取强度等级确定相关参数。模型尺寸和各项参数参照文献[6]的取值，型钢均为80mm×8mm的钢板条，考虑影响型钢混凝土粘结力四个参数：混凝土的强度等级、混凝土保护层厚度、配箍率sv以及纵向配钢率s。所有试件的锚固长度均为600mm。模型采用拟梁拉拔方式加载，试件截面特征和加载方式如图1所示，荷载为单调加载P=200kN，荷载分20个子步加，即每次加载10kN。图2为试件的有限元计算模型。

4 有限元分析结果

为考虑混凝土强度等级对粘结性能的影响，共计算了8个模型，如表1所示，混凝土强度等级从C15到C50，保护层厚度统一取为45mm，纵筋配筋率s为0.5%，配箍率sv为1.2%。从表1可见，混凝土强度等级对极限荷载Pmax有很大的影响，强度等级越高，极限承载力越高，最小为43.07kN，最大则达到了78.04 kN。

为考虑混凝土保护层厚度对粘结性能的影响，共计算了8个模型，如表2所示，混凝土保护层厚度从30mm到65mm，混凝土强度等级为C30，纵筋配筋率s为0.5%，配箍率sv为0.8%。从表2可见，混凝土保护层厚度对极限承载能力影响不明显，最小为56.64kN，最大也仅为59.01kN。

为考虑横向配箍率对粘结性能的影响，共计算了8个模型，如表3所示，横向配箍率从0.2%到2.5%，混凝土强度等级为C30，混凝土保护层厚度为45mm，纵筋配筋率s为0.5%。从表3可见，横向配箍率对极限承载能力有着一定的影响，计算模型的极限承载力最小为55.26kN，最大为59.01kN。

为考虑纵向配筋率对粘结性能的影响，共计算了8个模型，如表4所示，纵向配钢率从0.2%到2.5%，混凝土强度等级为C30，混凝土保护层厚度为45mm，横向配箍率sv为0.8%。从表4可见，纵向配筋率对极限承载能力影响非常小，8个计算模型的极限承载力最小为55.64kN，最大为57.12kN，两者相差仅为2.66%。

5 结论

1. 混凝土强度等级对型钢混凝土粘结滑移性能影响很大，混凝土等级越高，其粘结极限破坏荷载越大。

2. 混凝土保护层厚度对型钢混凝土的粘结有着一定的影响，当保护层厚度过小时，型钢混凝土的粘结破坏常因混凝土保护层开裂而影响到粘结强度的发展，当保护层厚度达到一定厚度时，粘结应力的发展不会因为混凝土保护层的较早开裂而受到限制，粘结强度得到相应的提高。

3. 横向配箍率和纵向配筋率对极限破坏荷载提高作用不明显，但对滑移发生后的粘结强度有一定的提高。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看