粘結應力對鋼管混凝土性質的影響

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摘要：過去的研究已經總結了建筑中鋼管混凝土（CFT）的應用，交互面的粘結應力狀態(tài)的重要性，同時分析了其組合效應。試驗研究表明，收縮對粘結應力非常有害，而收縮的程度是由混凝土的特性、鋼管直徑以及鋼管的內表面的狀態(tài)而決定的。鋼管直徑以及d/t值越大，則粘結應力越小，粘結應力與鋼與混凝土表面的滑動密切相關。
 

關鍵詞：鋼管混凝土 粘結應力 收縮 交互面

1 概述

 CFT柱的應用日本先于美國，而且多數(shù)研究成果來自日本，實踐中，交互面性能的需求已經做了分析，對于美國在這方面的不足也有證實報告，但其也評估了一些試驗結果，進行了對于CFT粘結應力以及剪力連接的不同層次的研究，其中的實驗數(shù)據(jù)可供我們參考。
　　美國多數(shù)CFT柱為支撐構件，在豎直荷載作用下的軸向應力，要求粘結應力的持續(xù)發(fā)揮作用，其直徑往往超過1000mm，甚至高達3000mm。而且d/t 比率達到了100，有些結構甚至達到200。由于軸向剛度太弱會影響CFT的整體作用，因此常使用高強混凝土。
　　日本抗震結構中CFT柱的應用更為廣泛。不管是圓形管，還是矩形管，都得以推廣。圓管直徑通常不超過700mm，而d/t 比率小于50。構件的抗剪連接方式見圖1，圖中防震隔板嵌入鋼管中，然后用混凝土進行填充，這種固接形式的連接減輕了粘結應力的負荷。同時還在進行加強粘結能力的創(chuàng)新，如在鋼管中設置肋。我國CFT研究開發(fā)始于60年代中期，首例應用在北京的地鐵工程，并成功地用于"北京站"和"前門站"站臺柱的建造，之后環(huán)線地鐵工程的站臺柱全部采用了鋼管混凝土結構。70年代以后，逐漸應用于單層和多層工業(yè)廠房、高爐和鍋爐構架、送變電構架及各種支架結構中，建成的建設工程超過百項，所采用的鋼管直徑也越來越大。

2 鋼管混凝土粘結負荷

　　首先設計結構模型，六層抵抗框架和十二層的支撐框架，荷載作用在同一中心來進行試驗。粘結應力負載對于不同結構系統(tǒng)和在結構的不同位置是有變化的，在基礎和連接等不連續(xù)的區(qū)域，負載最大，在連接處填入混凝土比直接的鋼連接需要更小的連接力，受彎構件比支撐框架所受到的粘結應力小的多。圖2可以解釋承受橫向荷載的含支撐的框架系統(tǒng)。每個結點處就像圖3所示那樣支撐上的軸向力轉變?yōu)橐环N垂直荷載，在（圖2A）位置，拉力被傳遞至柱的基底（圖2B），粘結應力在此處負荷最大。

圖2：CFT支撐框架系統(tǒng)的臨界狀態(tài)                    圖3：粘結應力臨界荷載細部圖

3 交接面狀態(tài)的判定

　　約束力在鋼管和混凝土之間的相互傳遞依賴于由于在殼內的塑性混凝土產生的壓力和混凝土核心的收縮而產生的徑向位移，以及鋼管內部的不規(guī)則程度有關。徑向位移僅僅局限于混凝土和鋼的組合效應還未出現(xiàn)的范圍，這時鋼和混凝土的應變并不相同。
　　因為CFT柱的截面是軸對稱的，壓力為P，可以導致橫截面輻射e₁擴大，對于鋼管：

                                             （1）

d = 直徑， t = 壁厚， Es = 彈性模量，c = 混凝土線性收縮應變。

壓力范圍取決于混凝土的粘度、兩端潮濕度、混凝土自身承受的壓力以及鋼管直徑；混凝土橫向收縮值e₂：

                                             （2）