粘結(jié)應力對鋼管混凝土性質(zhì)的影響

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摘要：過去的研究已經(jīng)總結(jié)了建筑中鋼管混凝土（CFT）的應用，交互面的粘結(jié)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(jié)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(nèi)表面的狀態(tài)而決定的。鋼管直徑以及d/t值越大，則粘結(jié)應力越小，粘結(jié)應力與鋼與混凝土表面的滑動密切相關(guān)。
 

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土 粘結(jié)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(jīng)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(jié)果，進行了對于CFT粘結(jié)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(gòu)件，在豎直荷載作用下的軸向應力，要求粘結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(jié)應力的負荷。同時還在進行加強粘結(jié)能力的創(chuàng)新，如在鋼管中設(shè)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(jié)構(gòu)。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(gòu)架、送變電構(gòu)架及各種支架結(jié)構(gòu)中，建成的建設(shè)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(jié)負荷

　　首先設(shè)計結(jié)構(gòu)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(jié)應力負載對于不同結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和在結(jié)構(gòu)的不同位置是有變化的，在基礎(chǔ)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(gòu)件比支撐框架所受到的粘結(jié)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(jié)點處就像圖3所示那樣支撐上的軸向力轉(zhuǎn)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(jié)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(jié)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(nèi)的塑性混凝土產(chǎn)生的壓力和混凝土核心的收縮而產(chǎn)生的徑向位移，以及鋼管內(nèi)部的不規(guī)則程度有關(guān)。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）