粘结应力对钢管混凝土性质的影响

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摘要：过去的研究已经总结了建筑中钢管混凝土（CFT）的应用，交互面的粘结应力状态的重要性，同时分析了其组合效应。试验研究表明，收缩对粘结应力非常有害，而收缩的程度是由混凝土的特性、钢管直径以及钢管的内表面的状态而决定的。钢管直径以及d/t值越大，则粘结应力越小，粘结应力与钢与混凝土表面的滑动密切相关。
 

关键词：钢管混凝土 粘结应力 收缩 交互面

1 概述

 CFT柱的应用日本先于美国，而且多数研究成果来自日本，实践中，交互面性能的需求已经做了分析，对于美国在这方面的不足也有证实报告，但其也评估了一些试验结果，进行了对于CFT粘结应力以及剪力连接的不同层次的研究，其中的实验数据可供我们参考。
　　美国多数CFT柱为支撑构件，在竖直荷载作用下的轴向应力，要求粘结应力的持续发挥作用，其直径往往超过1000mm，甚至高达3000mm。而且d/t 比率达到了100，有些结构甚至达到200。由于轴向刚度太弱会影响CFT的整体作用，因此常使用高强混凝土。
　　日本抗震结构中CFT柱的应用更为广泛。不管是圆形管，还是矩形管，都得以推广。圆管直径通常不超过700mm，而d/t 比率小于50。构件的抗剪连接方式见图1，图中防震隔板嵌入钢管中，然后用混凝土进行填充，这种固接形式的连接减轻了粘结应力的负荷。同时还在进行加强粘结能力的创新，如在钢管中设置肋。我国CFT研究开发始于60年代中期，首例应用在北京的地铁工程，并成功地用于"北京站"和"前门站"站台柱的建造，之后环线地铁工程的站台柱全部采用了钢管混凝土结构。70年代以后，逐渐应用于单层和多层工业厂房、高炉和锅炉构架、送变电构架及各种支架结构中，建成的建设工程超过百项，所采用的钢管直径也越来越大。

2 钢管混凝土粘结负荷

　　首先设计结构模型，六层抵抗框架和十二层的支撑框架，荷载作用在同一中心来进行试验。粘结应力负载对于不同结构系统和在结构的不同位置是有变化的，在基础和连接等不连续的区域，负载最大，在连接处填入混凝土比直接的钢连接需要更小的连接力，受弯构件比支撑框架所受到的粘结应力小的多。图2可以解释承受横向荷载的含支撑的框架系统。每个结点处就像图3所示那样支撑上的轴向力转变为一种垂直荷载，在（图2A）位置，拉力被传递至柱的基底（图2B），粘结应力在此处负荷最大。

图2：CFT支撑框架系统的临界状态                    图3：粘结应力临界荷载细部图

3 交接面状态的判定

　　约束力在钢管和混凝土之间的相互传递依赖于由于在壳内的塑性混凝土产生的压力和混凝土核心的收缩而产生的径向位移，以及钢管内部的不规则程度有关。径向位移仅仅局限于混凝土和钢的组合效应还未出现的范围，这时钢和混凝土的应变并不相同。
　　因为CFT柱的截面是轴对称的，压力为P，可以导致横截面辐射e₁扩大，对于钢管：

                                             （1）

d = 直径， t = 壁厚， Es = 弹性模量，c = 混凝土线性收缩应变。

压力范围取决于混凝土的粘度、两端潮湿度、混凝土自身承受的压力以及钢管直径；混凝土横向收缩值e₂：

                                             （2）