型钢-混凝土粘结机理的探讨

　　基金项目：国家自然科学基金资助项目（59378363）时，由于新拌混凝土的体积变化引起下沉，将使型钢的下面聚集浮水、气泡，使型钢下侧产生空隙，导致粘结强度下降。同时，由于型钢的截面面积大，Poisson比的影响也比在钢筋混凝土中的影响要复杂，在受拉和受压这两种不同的受力情况下，粘结性能也因型钢的变形不同而表现出一定的差异。在梁、柱等构件中，由于受拉区和受压区的混凝土的开裂情况不同，型钢翼缘与混凝土的粘结性能也有较大差异。另外，型钢一混凝土之间的粘结应力沿型钢锚固长度分布也是很复杂的，需要进行大量的考虑多因素的试验研究进行分析。

　　1.影响型钢混凝土粘结性能的主要因素影响型钢一混凝土之间的粘结性能的因素很多，例如混凝土的强度等级、龄期、养护条件、温度、保护层厚度，横向配箍率，加载情况，型钢在混凝土中的锚固长度，型钢面积在总截面面积中的占有率，型钢的表面特性，型钢的截面特性等等，下面就其中较为主要的几个因素进行分析。

　　混凝土强度等级的影响型钢一混凝土的大粘结强度主要取决于型钢与混凝土连接面上的化学胶结力，而且粘结破坏大多是由于连接面上混凝土的开裂加快粘结滑移的发展甚至引起胶结滑脱，从而降低粘结应力并导致粘结滑移沿型钢锚固长度的扩展，所以混凝土的强度对型钢一混凝土的大粘结强度有较大的影响。

　　CharlesW.Roeder通过试验得出翼缘局部大粘结应力tf随混凝土圆柱体轴心抗压强度/c的大而大的规律并得出一个考虑试验数据离散的保守公式= 0.09/'c―0.655，/c的单位为N/mm2.笔者通过对Charles.W.Roedei的有关试验结果进行统计回归，得到沿锚固长度的翼缘的平均粘结强度T与混凝土圆柱体轴心抗压强度/c的一个线性关系T= 44/c，又根据模式规范CEB一FIPMC90，/t=1.4（/c/10）2/3得到局部大粘结强度T/和沿锚固长度的平均粘结强度T与混凝土轴混凝土保护层厚度对粘结强度的影响混凝土保护层厚度对型钢混凝土的粘结有较大的影响，当混凝土的保护层厚度较小时，型钢一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；而当混凝土保护层达到一定的厚度时，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，粘结强度也就相应的提高。笔者根据力扩散原理，从混凝土保护层开裂的角度推导出临界保护层厚度Ccr =0.250b//：，b/，/t分别为翼缘的宽度和混凝土保护层的混凝土轴心抗拉强度平均值。以此临界保护层厚度建立以下粘结强度公式=min（Cx，Cy）Cx，C，分别为X，Y方向的混凝土保护层厚度。

　　型钢的表面状况对粘结强度的影响由粘结机理分析可知，型钢一混凝土粘结力的化学胶结力、摩擦阻力和机械咬合力都与型钢的表面状况密切相关。徐有邻等为研究钢筋与混凝土之间的胶结摩阻性能，采用轧制钢板分别进行了不同锈蚀状况下钢材与混凝土的胶结剪切试验和摩阻试验。试验结果表明，随锈蚀程度加，平均胶结剪切强度和摩擦系数均大。西安建筑科技大学也曾作过类似试验，结论相同。amesO.Biyson就型钢表面状况对型钢一混凝土之间粘结强度的影响进行了试验研究。试验结果表明，现场喷砂（让型钢在空气中暴露1个月后再喷砂处理）、喷砂后生赤锈（喷砂后一个月内用盐溶液使型钢表面锈蚀）两种型钢表面的平均粘结强度很接近，但比普通锈蚀并有热轧氧化皮的（保持型钢表面的热轧氧化皮并在空气中自然锈蚀）型钢表面的平均粘结强度高30左右。Hawkirs的试验结果也表明普通锈蚀并有热轧氧化皮的型钢表面的粘结强度较低。日本的研究表明，型钢的表面状况对型钢一混凝土的粘结强度影响相当显著，而且涂料对粘结强度不利，磷酸盐外的沥青、煤焦油、铁丹、铅丹等以及其他金属喷涂等会使粘结强度降低，粘结强度一般下降50以上。

　　1.3.4横向配箍率对粘结强度的影响型钢一混凝土之间的粘结应力在发生粘结滑移之前，主要由化学胶结力承受，而化学胶结力又主要由混凝土的性能和型钢表面特型决定，与横向配箍率的关系不大。但是在滑移发生之后，横向配箍率可以提高发生粘结滑移后的摩擦阻力和机械咬合力，从而提高残余粘结强度。Charles.W.Roeder等的试验结果也证实了横向配箍率对大粘结强度的作用不明显，但对滑移发生后的粘结强度有一定的提高。因此，在计算大粘结强度和残余粘结强度时可以对横向配箍率分别考虑，在反复加载情况下必须配置一定的横向箍筋。

　　2粘结应力沿锚固长度的分布规律型钢一混凝土粘结应力状态很复杂，为了对粘结应力沿型钢锚固长度的分布规律进行分析，可以在拉拔和推出试验的单轴受力状态下，简化为一维问题进行考虑，粘结应力状态的基本变量及相互关系如所示。拉拔力或推出力P引起型钢应力crs（x）和应变5s（x），因界面粘结应力传递而引起混凝土应力（x）和应变e.s（x），应变差产生相对滑移s（x）取微段dx分析受力及变形，可以建立型钢一混凝土粘结的基本方程。通过对Charles.W.Roeder，Hawikns，Bryson和国内外其他试验结果进行分析比较，发现型钢翼缘部分对型钢一混凝土之间的粘结应力作主要贡献，而型钢腹板贡献很小，因此可以不考虑其作用。根据微段的受力可以建立力的平衡方程如下在拉拔和推出受力状态下，当发生粘结破坏（达到粘结强度）之前型钢的应变沿锚固长度le呈指数分布，而型钢应力达不到屈服强度，一般都处于弹性阶段，从而型钢应力也是呈指数分布的，由平衡方程可以得知粘结应力是型钢应力的微分，也是呈指数分布的，但是当荷载P大到一定程度，粘结滑移逐渐向内渗透，引起构件的自由端发生滑移，型钢与混凝土之间的化学胶结力就逐渐失效，粘结应力沿锚固长度的分布趋于常数，但是此时的粘结应力值要小于大粘结应力（粘结强度）粘结应力沿锚固长度的这种变化主要是由于型钢与混凝土表面的滑移所引起的。笔者对Charles.W.Roeder的试验结果进行了统计回归分析并拟合出趋势线，也较好地验证了型钢翼缘粘结应力的分布规律。

　　根据式（1）（2），进一步推导出局部粘结破坏荷载p和粘结破坏的极限荷载pu如下上述计算公式与试验结果吻合较好（表1）