鋼管混凝土性質管理論文

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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，其中的實驗數據可供我們參考。

美國多數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發揮作用，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新，如在鋼管中設置肋。我國CFT研究開發始于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。

圖1：鋼梁與CFT柱的連接

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和在結構的不同位置是有變化的，在基礎和連接等不連續的區域，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。每個結點處就像圖3所示那樣支撐上的軸向力轉變為一種垂直荷載，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支撐框架系統的臨界狀態圖3：粘結應力臨界荷載細部圖

3交接面狀態的判定

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）

收縮的影響來自于混凝土自身，養護條件以及直徑，交互表面可能存在三種狀態：

狀態A：（3）

狀態B：（4）

狀態C：（5）

e3鋼管內部表面的不規則產生的間隙值。

A狀態：交互面上混凝土壓力一直存在，收縮后的內部粘結強度是由鋼和混凝土附著力提供的，這種狀態被稱為化學膠合力，當剪力增強超過這種粘結形成的承載力后，荷載主要由表面的機械咬合力承擔。這時，存在兩個特點：由表面壓力相互作用產生的摩擦力，以及由鋼和混凝土咬合產生的粘結應力，本論文沒有區分這兩種不同的機械粘結應力；

B狀態：當發生收縮后，兩種材料間出現了間隙，剛體產生運動，當其中一種材料受到推力時，只有較小的粘結強度和抗力；

C狀態：是一中間狀態，粘結應力損失巨大，機械咬合力伴隨不可預見到達B狀態的行為。對CFT構件，從一種狀態轉變過渡到另一種狀態的試驗是有益的。對此數據采用的缺省值一般為c=0.003，d/t=100。這數字表明當對混凝土的壓力達到1.2MPa時，出現A狀態，當d/t的值更小時，則需要更大的壓力，實際條件下，這些壓力很難獲得。而收縮位移e2，一般都比e1大，這樣在CFT中，狀態A很難達到。

對c取值0.003，d取值2540mm，那么為防止狀態B出現，管內的粗糙程度應達到0.38mm。如果管徑小，則應相應小些，在傳統實踐中，實際管內部的粗糙度一般能超過0.25mm。這就能預示出大多數CFT的表面狀況都趨向于狀態C。此外，這些比較還顯示出，擁有大收縮度和大管徑的CFT構件可能存在B狀態。

狀態C提供可變性能，前提是混凝土與鋼材表面不規則的咬合以及混凝土自身的收縮狀態，先前提到，在比較大直徑的鋼管中，這種咬合力更小些；在更大直徑的鋼管中，或許不存在，且收縮狀態是不確定的，長CFT構件和對管徑大小的不確定性可能達到狀態C。d/t的值很有意義，因為只有在管內保持不規則形狀，咬合力才能有效阻礙混凝土滑動，擁有大的d/t值的鋼管會在徑向剛度上略低。因此容易扭曲而導致降低咬合效果產生的粘結應力。

狀態C這種不可預見的交合面狀態，不僅沿長度而且在鋼管內部的兩種材料相交的邊緣進行空間變化。這樣的局部粘結應力的能力是不可靠的，必須在一個有限度的區域進行平均化，以便得到有用的設計值。

計算機分析；為了更好的理解鋼—混凝土粘結應力，采取了一種將實體三維網格化為小單元，分析CFT柱中鋼與混凝土的模擬狀態，ANSYS和SAP通常用于這種分析。首先在鋼或混凝土上施加軸向荷載或彎矩，接著彈性重分布達到一種混合作用，計算是以實際應用中的管直徑、厚度與柱的長度來取值的。當交互面狀態允許0滑動，粘結應力就按指數分布，就像圖4中的實曲線，對混凝土的壓應力使粘結應力正常化，其值在距施力點最近的交互面處達到最大（端部），但在大約距離端部d/2處近似為0，這種計算分布受長度影響不大，除非試件長度接近d/2。對于d/t值大于100的鋼管來說，粘結應力接近零點的距離略小于d/2，而對于d/t值小于50的，則略大于d/2。在圖4虛線顯現了此段距離中鋼—混凝土滑動系數的模擬。正常化的粘結應力的極限值可達到1.0，在加壓處0.2d范圍內，滑動的長度再生了摩擦力，復制迭合了吸收無變化的粘結應力。

圖中描述了在滑動段荷載轉換的特性以及在非滑動段粘結應力指數分布發展的特性、這些分析顯示粘結應力的需求集中在某一區域，如果要避免滑動的發生，必須將鋼與混凝土之間的不平衡荷載分布在小段區域內。

4相應的試驗的研究

大多數評估粘結能力的試驗為推力試驗，見圖5。粘結應力被定義為表面應力的平均值，與相對于鋼管的混凝土核心剛體的滑動相關聯。導致滑動的荷載為P，最大平均粘結應力為，表示為：

圖5：推力試驗

（6）

L=混凝土表面長度；

對圖5，另一種試驗方案是去除空氣隔離，取而代之的是混凝土與鋼的組合體，這樣一來，公式（6）中P是在基礎處轉變為（傳遞）鋼—混凝土復合比例的應力提供的最大荷載。此試驗中獲得的值比圖5中所求的值易小。在此類設備上已經進行過粘結應力試驗的有Virdi,Dowling(1975),Shakir-Kalil(1991,1993a,b),Morishetal.(1979a,b)，Morisnita以及Tomii(1982)，得出的一些結論為：

1、在偏心荷載作用下，值的增長率大于軸心受力；

2、隨著鋼—混凝土交互面粗燥程度的增長值增長；

3、無論安裝不安裝連接構件，值不變，連接鍵只有在滑動已經開始后才開始起作用。

CFT粘結應力試驗的試件直徑最大達到300mm，大多數小于200mm，d/t值采用小于60，主要分布在15—35區間，這些試件的直徑以及d/t取值要小于在實際中應用的構件，所以存在一個試驗結果是否適用于實際的問題。

5概括與總結

通過確定建筑物對于粘結應力需求來設計和分析兩種結構原型，分析結果顯示，支撐構件粘結應力的需求大于抗彎構件。其中粘結應力需求的最重要部位是CFT柱與基礎的連接，但支撐梁與CFT柱的連接同樣重要，因為支撐起傳送豎向構件力的作用。連接的細部對于粘結應力的需求是非常重要的，如有抗剪鍵的部件插入到混凝土填充物中來抵抗鋼與混凝土之間的滑移，可以大大減少粘結應力的要求。

對于鋼管與混凝土填充物交互面狀態的分析顯示了混凝土干縮的重要與柱直徑對粘結應力性質的影響。如果防止了鋼與混凝土交互面層發生滑移，那么粘結應力需求降低，并且沿交互面不超過直徑的1/2，而對d/t值較大的鋼管，其傳送長度短一些，小一點d/t值，轉換長度長一些。當滑移產生后，粘結應力沿滑動區域近似平均分布。

先前的試驗結果，用來檢驗影響粘結應力的因素，結果雖顯得十分分散，但清楚的表明了三個趨勢：

1．矩形CFT柱的粘結應力低于圓形；

2．不能明顯看出粘結應力與混凝土的強度有關；

3．粘結應力隨管徑和d/t值增大而降低。

最后的現象值得重視，因為在實際應用中，益采用更大直徑也就意味著更大d/t值的CFT柱，而過去沒有這方面數據記錄，這就需要進一步研究和實踐。

參考文獻：

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