PBL加劲型矩形钢管混凝土界面粘结―滑移性能
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摘要：对开孔钢板连接件（pbl）加劲型钢管混凝土构件界面粘结性能进行研究，以PBL加劲肋的开孔间距、开孔孔径、混凝土粗骨料粒径为参数，进行了该类试件抗剪性能的推出试验，并与普通钢管混凝土试件进行了界面粘结强度、抗剪刚度等参数的对比分析，提出了钢管混凝土内PBL加劲肋承载力受混凝土粗骨料含量影响的修正计算方法。结果表明：通过设置PBL加劲肋可以明显提高钢管混凝土的抗剪承载力和刚度，其粘结强度和剪切模量受加劲肋开孔参数的影响；根据开孔板内混凝土榫的粗骨料含量引入混凝土粗骨料修正系数对原有PBL抗剪承载力公式进行修正，其计算结果与试验结果基本吻合。
关键词：PBL加劲肋；矩形钢管混凝土；推出试验；抗剪刚度；粗骨料含量
中图分类号：TU398 文献标志码：A
0引 言
钢管混凝土杆件中核心混凝土往往不直接受力，而是通过结构中的节点进行传力。高层建筑结构中，梁端剪力经梁柱节点传递给钢管混凝土柱的钢管表面，再由钢管与混凝土的界面粘结过渡到整体受力；在拱桥或桁架桥上，钢管混凝土拱肋、主弦杆通过焊接节点将腹杆竖向力作用于钢管，然后进行与混凝土界面粘结-滑移的内力传递。钢管与混凝土界面抗剪性能、粘结-滑移本构关系是理解该类结构节点传力机理和进行结构节点构造设计的关键问题。Virdi等[1-3]通过推出试验研究了构件截面形状、钢管径厚比或宽厚比、构件长细比、混凝土龄期、强度与浇筑方式等因素对钢管混凝土界面粘结强度的影响，提出界面极限粘结强度和平均粘结强度的计算方法，认为核心混凝土传力时由于泊松比增加而体积膨胀，此时钢管的套箍作用提供了界面粘结力。薛立红等[4-5]进行了32个钢管混凝土试件的双向反复推出试验，对界面长度、钢管内表面粗糙度、养护条件等因素进行了对比。刘永健等[6-7]发现圆钢管界面抗剪性能优于方钢管混凝土，但二者的界面抗剪刚度基本一致，混凝土龄期在一定范围内对界面粘结强度影响比较明显，钢管径厚比越大，粘结强度越小。杨有福等[8]进行了自密实钢管混凝土试件的推出试验，发现通过提高混凝土自身密实度可以增强试件的界面抗剪性能，并提出了粘结-滑移关系计算模型。为了提高钢管混凝土界面粘结性能，可在钢管内壁设置剪力连接件，其中PBL剪力连接件具有抗剪刚度大、承载力高和延性好的优势，可在钢管混凝土结构中作为一种加劲型增强构造。将开孔钢板作为纵向加劲肋设置在矩形钢管混凝土内壁，形成PBL加劲型矩形钢管混凝土，可改善钢管混凝土界面和节点力学性能，增强钢管与混凝土的组合效应[9]。刘永健等[10]研究了该类构件轴压短柱承载力，通过改变钢管宽厚比、加劲肋开孔孔径、开孔间距等参数，对比分析破坏模式、承载力、加劲刚度以及套箍效应等，提出了轴压承载力计算方法和最小加劲刚度计算公式。
目前，尚未有关于PBL加劲型矩形钢管混凝土构件界面粘结性能的相关研究。本文以PBL加劲肋的开孔间距、开孔孔径、混凝土粗骨料粒径为参数，进行该类试件界面抗剪性能的推出试验，并与普通钢管混凝土试件进行界面粘结强度、抗剪刚度等参数的对比分析，提出钢管混凝土内PBL加劲肋承载力受混凝土粗骨料含量影响的修正计算方法。
1矩形钢管混凝土推出试验
1.1试件设计
为考察PBL加劲肋对钢-混凝土界面粘结性能的影响，设计了6组共计16个矩形钢管混凝土短柱试件，试件参数见表1。试件高H为800 mm，截面尺寸为300 mm×300 mm，钢管管壁厚度t为8 mm。矩形钢管管壁宽厚比为37.5，小于规范[11]的宽厚比限值，可避免加载时试件发生局部屈曲。此外，试件底部钢管外壁焊接8 mm厚的钢板进一步局部加强。试件内壁居中焊接8 mm厚的加劲肋，肋板长为700 mm，宽为75 mm，并沿长度方向开孔，作为PBL连接件，其中开孔孔径、开孔间距为主要变化参数，试件典型构造见图1。矩形钢管由4块钢板拼焊连接，采用Q345钢材，由钢材材性试验测得其屈服强度为393 MPa，极限强度为531 MPa，泊松比为0.25。
试件填筑混凝土采用3种粗骨料粒径级配来对比分析PBL连接件中混凝土榫的抗剪强度。混凝土采用粒径为5～10 mm粗骨料时，水、水泥、砂、碎石配合比为0.55∶1∶2.08∶2.75；混凝土采用粒径为10～20 mm粗骨料时，水、水泥、中砂、碎石配合比为0.55∶1∶2.16∶2.98；混凝土采用粒径为20～25 mm粗骨料时，水、水泥、中砂、碎石配合比为0.55∶1∶2.25∶3.25。150 mm×150 mm×150 mm混凝土立方体28 d养护后的抗压强度均值约为23 MPa。灌注混凝土前，在纵向加劲肋顶部放置20 mm厚泡沫垫块，以避免加劲肋端部混凝土局部承压而导致钢-混凝土界面无法相对滑动。灌注混凝土时，将钢管试件倒置进行灌注与振捣，混凝土高度保持在750 mm附近，使试件底部预留50 mm高的空隙，从而保证加载时下部由钢管单独承受压力。此外，制作1个加劲肋不开孔的参照试件SC，用于测定同尺寸试件的钢-混凝土界面粘结强度。
1.2加载及测试方法
试验加载设备见图2，试件核心混凝土顶部放置刚性垫块，保证竖向荷载单独作用在混凝土上。在试件两侧对称布置2个位移计，用于测定钢管管壁和核心混凝土之间的相对滑移。试验加载使用500 t电液伺服试验机，并在试件每个表面沿纵向居中布置5个应变片，加载过程参考Petrus等[12]的推出试验。试验采用分级加载，每级荷载为钢管表面弹性应变的1/10，并预加载到试件预估极限承载力的40%，再以同样速度卸载到预估极限承载力的5%，如此重复3次。此后，以0.01 mm・s-1的恒定速率进行位移加载直至钢管与核心混凝土整体滑移，在相对滑移量超过10 mm后停止加载。
2试验结果与分析
加载过程中，试件由钢管混凝土的界面抗剪粘结力和加劲肋孔内混凝土榫共同承担外部荷载。在达到极限荷载之前试件局部有细微响声，并逐渐变得密集，直至出现明显的混凝土断裂声。此后，钢管管壁与核心混凝土开始产生明显滑移，PBL孔中的混凝土榫失效，而界面粘结作用主要为摩擦力，试件整体抗剪承载力降低。在整个加载阶段未见钢管管壁出现明显局部屈曲现象，钢管应变值基本在弹性范围内，表明钢管未达到材料屈服阶段。切开破坏试件管壁，发现PBL加劲肋与核心混凝土发生明显错动，加劲肋整体保持完好，没有明显变形。破坏模式主要表现为PBL孔中混凝土榫被剪断，粗骨料石子出现光滑剪切面，其典型剪切破坏模式见图3。
加劲肋开孔后，试件的界面抗剪承载力显著增加，且极限承载力随加劲肋孔中混凝土榫的参数而改变，荷载-滑移曲线如图4所示。图4中各试件荷载-滑移曲线形状一致，可分为线性段、破坏段和下降段3个阶段。加载初期，荷载-滑移曲线基本呈线性增长，该阶段一般在极限破坏位移的3/4范围内。当相对滑移量超过1.0 mm时，剪切荷载的增长不断放缓，直至达到极限承载力。在该阶段内，水泥胶凝体与管壁接触面的化学胶结力被逐渐破坏，管壁与混凝土接触面粗糙不平产生的机械咬合力逐渐减弱，而开孔加劲肋的混凝土榫发生剪切破坏，荷载-滑移曲线呈非线性增长。在曲线下降段，剪切荷载随滑移量增长而逐渐趋近于稳定，该阶段的承载力主要由钢管与混凝土界面的滑动摩擦提供。管壁在滑移过程中可能产生不规则变形引起楔形效应，试件界面抗剪承载力具有较高的延性。另外，加劲肋开孔后的试件荷载-滑移曲线线性段斜率要明显大于参考试件，说明PBL连接件可明显提高试件界面抗剪刚度。
另外，由荷载-滑移曲线可得试件在剪切破坏时的极限滑移量Su，将Su量纲为1化，然后除以核心混凝土与管壁粘结长度，作为试件单位长度相对滑移量s。在达到τu之前，界面平均粘结应力基本随单位长度相对滑移量s呈线性增长，其斜率定义为粘结-滑移剪切模量Gs，研究表明普通矩形钢管混凝土的界面剪切模量基本为常量，在0.2 GPa左右。表2为各类试件的界面粘结性能参数，并与12组试件的推出试验结果进行对比[7]。由表2可知，设置加劲肋的试件界面粘结强度提高不明显，基本在普通钢管混凝土粘结强度的上限，说明加劲型试件的界面抗剪依然是钢管与混凝土之间的界面粘结力，而通过加劲肋改善管壁局部稳定性的界面增强效果不明显。对加劲肋开孔形成PBL连接件后，孔中混凝土榫提供抗剪承载力，试件的界面粘结强度明显提高，其增强效果受混凝土榫的骨料和几何参数影响。值得指出的是，PBL加劲肋加强后的试件相对滑移参数s没有明显变化，说明其发生破坏时的相对滑移与普通钢管混凝土接近，而界面剪切模量Gs随PBL连接件参数变化而增强。
3PBL连接件对界面抗剪的影响
为便于比较，分别将同类试件的试验数据进行平均，可得各组PBL加劲型试件的荷载-滑移拟合曲线，见图5，6。试件的界面抗剪承载力包括钢管和混凝土之间的粘结力，以及PBL孔中混凝土榫的销栓力两部分。考虑到材料和几何参数一致，各组试件的钢管和混凝土间粘结力应近似相等，可使用参考试件SC的抗剪承载力代替。本文中各组试件的界面抗剪承载力改变主要受PBL孔中混凝土榫影响，试件中混凝土榫的数量越多和承剪截面面积越大，则其抗剪承载力越高。由图5可知，PBL加劲肋的开孔间距由135 mm减少到100 mm，相当于各加劲肋沿纵向的开孔数量由5个增加到7个，试件的抗剪承载力增加了37%左右。同样，若将加劲肋开孔孔径从35 mm增加到45 mm，则试件抗剪承载力增加42%左右（图6）。此外，随着开孔数量和开孔孔径的增加，试件的界面抗剪刚度有增大的趋势，其上限应接近单孔PBL连接件的剪切刚度。可见，PBL连接件的抗剪强度对该类试件界面粘结性能影响较大。
各组试件PBL抗剪强度实测值与计算值对比见表3。由表3可知，粗骨料粒径级配在10～20 mm的试件单孔PBL抗剪强度与计算值较为接近，而改变混凝土的粗骨料粒径分布实测承载力与理论值将出现一定偏差。若开孔孔径不变，分别选用5～10 mm，10～20 mm，20～25 mm粗骨料粒径级配的试件，其界面抗剪承载力曲线对比见图7。由图7可知，随着混凝土骨料粒径增加，试件的抗剪强度和刚度有增加趋势。若以10～20 mm的粗骨料粒径作为标准级配，5～10 mm粗骨料粒径范围的试件界面抗剪承载力下降了17%，20～25 mm粗骨料粒径的试件界面抗剪承载力增长了13%。
PBL加劲型试件的界面抗剪承载力受核心混凝土粗骨料粒径影响，其本质是不同粒径的粗骨料在灌注混凝土时进入混凝土榫的比例发生了变化。当开孔板孔中混凝土榫承受剪切荷载时，粗骨料石子的抗剪强度明显大于胶结水泥浆体的强度，若受剪粗骨料含量越多，粒径越大，排列越紧密，则PBL连接件的抗剪承载力相应提高。在开孔孔径、混凝土强度确定的前提下，可对单孔PBL混凝土榫的抗剪承载力计算式（2）进行修正，即
4结语
（1）与普通矩形钢管混凝土相比，PBL加劲型钢管混凝土的界面抗剪承载力和刚度得到明显增强，其平均粘结强度可提高1倍以上，在1.1～2.3 MPa范围内，试件的界面剪切模量Gs变化区间为0.5～1.0 GPa，其粘结强度与剪切模量的取值主要受加劲肋开孔参数的影响。
（2）该类试件的界面承载力可认为是钢-混凝土粘结力与PBL抗剪强度两部分叠加而成，钢管混凝土试件内的混凝土榫数量、受剪面积、粗骨料含量对试件的界面粘结性能有明显影响。
（3）当开孔板内混凝土榫的Ag/Ac超高30%时，矩形钢管混凝土试件的单孔PBL抗剪承载力略大于理论计算值；当Ag/Ac低于25%时，其抗剪承载力低于理论计算值，需根据粗骨料含量对PBL连接件的抗剪承载力公式进行修正。
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