CN110206226B - 一种型钢-钢纤维混凝土极限黏结强度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种型钢‑钢纤维混凝土极限黏结强度计算方法，该方法通过型钢‑钢纤维混凝土组合结构界面化学胶结应力τ_che、型钢‑钢纤维混凝土组合结构界面机械咬合应力τ_b、型钢‑钢纤维混凝土组合结构界面摩擦应力τ_f计算型钢‑钢纤维混凝土极限黏结强度。该计算方法研究这种新型组合结构形式提供理论基础。

Description

一种型钢-钢纤维混凝土极限黏结强度计算方法

技术领域

本发明涉及一种型钢混凝土极限黏结强度计算方法，特别是一种型钢-钢纤维混凝土极限黏结强度计算方法。

背景技术

型钢混凝土是结构工程领域应用的重点，但是型钢混凝土结构中，无论梁柱，还是剪力墙，尤其是节点，均不同程度出现型钢与钢筋在位置上的冲突，主筋不连续，箍筋不闭合等问题。为了解决型钢与钢筋在位置上的冲突，现有的工程措施经常是在型钢的翼缘和腹板处开洞以保证钢筋不被截断，或采用接驳器将钢筋固定在型钢翼缘或腹板上。但是这样的施工方式不但增加了型钢加工和钢筋绑扎的困难，提高工程造价，且由于翼缘和腹板的开洞削弱了型钢的抗弯和抗剪性能，从而影响了构件的受力性能和结构整体的承载性能、可靠度。与此同时，型钢和钢筋笼的同时使用极大地挤占了混凝土的可浇筑空间，因此型钢混凝土结构中混凝土浇筑困难明显大于钢筋混凝土结构，特别是当型钢用量较大时，型钢与钢筋之间、钢筋与模板之间的间隙较小，这也经常造成混凝土浇筑困难，容易出现浇筑不密实的现象。

土木工程行业不断努力改进设计和施工技术，以获得更有效的工程问题解决方案。为了解决型钢混凝土结构施工中的难点，将型钢混凝土中的钢筋笼离散化，用零散的钢纤维替代传统的钢筋笼应用于型钢混凝土结构中，形成无配筋的型钢-钢纤维混凝土组合结构。这样既可以节省繁琐的钢筋绑扎施工工序，无需对型钢进行开洞或焊接接驳器，也能避免型钢与钢筋位置重叠导致的施工困难。此外，由于省去了型钢混凝土中的钢筋笼，可以通过减小钢纤维混凝土保护层厚度的方式使型钢翼缘更贴近构件的截面边缘，增大型钢截面高度、惯性矩与组合截面配钢率，充分发挥型钢的抗弯性能和抗剪性能，提升结构和构件的受力性能。钢纤维的应用有利于控制型钢混凝土结构特有的黏结裂缝的发展，同时能够协助型钢约束弯曲裂缝和剪切裂缝的发展。在型钢与钢纤维的联合作用下，型钢-钢纤维混凝土结构的损伤发展会受到有效的控制，并展现出更良好的受力性能。因此型钢-钢纤维混凝土组合结构的施工极为简便，混凝土的浇筑质量易于保证，具有极佳的工程应用前景。

型钢与钢纤维混凝土之间的黏结效应保证了组合结构的承载能力，因此研究这种黏结效应是准确分析型钢与混凝土组合结构承载力的基础。但这种新型的组合结构形式尚未有极限黏结强度的计算方法。

发明内容

发明目的：本发明公开了一种型钢-钢纤维混凝土极限黏结强度计算方法，通过分析相关试验结果，考虑组成界面黏结强度的各组分，提出适用于型钢-钢纤维混凝土界面极限黏结强度的计算方法，所提出的极限黏结强度计算方法步骤简单，可操作性强，可为型钢-钢纤维混凝土组合结构的工程设计和应用提供一定的依据。

技术方案：一种型钢-钢纤维混凝土极限黏结强度计算方法，包括如下步骤：

步骤1)确定型钢-钢纤维混凝土组合结构的基本参数；

步骤2)计算型钢-钢纤维混凝土组合结构界面化学胶结应力τ_che；

步骤3)计算型钢-钢纤维混凝土组合结构界面机械咬合应力τ_b；

步骤4)计算型钢-钢纤维混凝土组合结构界面摩擦应力τ_f；

步骤5)利用步骤2)～步骤4)计算出的型钢-钢纤维混凝土组合结构界面化学胶结应力τ_che、机械咬合应力τ_b、摩擦应力τ_f计算型钢-钢纤维混凝土组合结构界面极限黏结强度τ_u。

具体的，步骤1)中需要确定的型钢-钢纤维混凝土组合结构的基本参数包括：

(1)钢纤维混凝土的参数：

①钢纤维掺量ρ_sf；

②钢纤维混凝土抗弯强度f_t；

③钢纤维混凝土保护层厚度C_ss；

④截面直径或等效直径D₀；

(2)黏结界面的基本参数：

①界面的黏滑动摩擦系数μ_f；

②界面黏结长度L_e。

具体的，步骤2)中：黏结界面的化学胶结应力来自于混凝土中水泥胶体硬化后在黏结界面产生的化学吸附作用，其取值为定值，不受其它设计参数影响；根据不同设计参数对极限黏结强度的影响分析，当消除黏结长度和截面直径的影响后，可获得界面化学胶结力τ_che的取值：

τ_che＝0.218。

具体的，步骤3)中：黏结界面发生相对滑移导致钢纤维混凝土剪坏，产生层状的破损钢纤维混凝土磨屑，黏结界面因此产生了机械咬合力；界面上的机械咬合力随着钢纤维掺量的增加而增强，因此界面机械咬合应力τ_b的计算公式应为：

τ_b＝0.15×(1+100ρ_sf)

其中ρ_sf为钢纤维掺量。

具体的，步骤4)具体步骤如下：

步骤41)黏结界面摩擦应力主要取决黏结界面相互挤压应力的大小及摩擦系数：假定界面黏结应力增加到最大值，即极限黏结强度τ_u时，保护层的外边缘达到钢纤维混凝土抗弯强度f_t；从钢纤维混凝土四点弯曲抗弯强度测试试验也可以发现，钢纤维混凝土开裂后，当裂缝发展到一定程度时，钢纤维充分发挥作用，钢纤维混凝土达到抗弯强度；当钢纤维混凝土达到抗弯强度f_t时，认为受拉区应力线性分布；此时，钢纤维混凝土保护层的拉应力合力为C_ssf_t/2，其百分之一转换为型钢与钢纤维混凝土界面的均匀挤压应力f_bc：

f_bc＝0.005C_ssf_t

其中C_ss为钢纤维混凝土保护层厚度C_ss；

步骤42)根据前步计算所得的界面的均匀挤压应力f_bc，界面摩擦应力τ_f的计算公式应为：

τ_f＝μ_ff_bc＝μ_f(0.005C_ssf_t)

其中μ_f为界面的黏滑动摩擦系数。

具体的，步骤5)具体包括如下步骤：

步骤51)由于构件黏结长径比越大，界面极限黏结强度越小，所以考虑到由于界面黏结长度引起的应力不均匀分布，提出长径比影响的折减系数ζ，其取值方法如下：

其中L_e为界面黏结长度，D₀截面直径或等效直径；

步骤52)型钢-钢纤维混凝土组合结构界面的黏结强度主要由化学胶结应力τ_che、机械咬合应力τ_b以及摩擦应力τ_f组成。因此考虑长径比影响后的型钢-钢纤维混凝土组合结构界面的极限黏结强度应为：

τ_u＝ζ×(τ_che+τ_b+τ_f)。

有益效果：本发明公开的计算一种型钢-钢纤维混凝土极限黏结强度计算方法经过多次实验验证其计算结果可靠性较高，计算过程简洁，可操作性强，可为装配式PEC组合梁的计算提供新思路。

附图说明

图1为型钢-钢纤维混凝土界面的均匀挤压应力f_bc取值示意图；

图2为型钢-钢纤维混凝土界面极限黏结强度计算方法与试验实测结果对比图。

具体实施方式

一种型钢-钢纤维混凝土极限黏结强度计算方法，包括以下步骤：

步骤1，确定型钢-钢纤维混凝土组合结构常见的横截面类型有两种：方形截面和圆形截面；

步骤2，确定型钢-钢纤维混凝土组合结构的基本参数，包括：

(1)钢纤维混凝土的参数：

①钢纤维掺量ρ_sf有四种：0％，1％，2％和3％；

②钢纤维混凝土抗弯强度f_t有四种：3.37MPa，4.07MPa，6.02MPa和6.07MPa；

③钢纤维混凝土保护层厚度C_ss有三种：20mm，40mm和60mm；

④截面直径或等效直径D₀有三种：160mm，200mm和250mm；

(2)黏结界面的基本参数：

①界面的黏滑动摩擦系数μ_f：选用μ_f为0.6的No.10工字钢；

②界面黏结长度L_e有九种：250mm，320mm，400mm，500mm，600mm，640mm，750mm，800mm和960mm；

步骤3，所有试件的界面化学胶结力τ_che取值相同，均为0.218MPa。

τ_che＝0.218MPa

步骤4，将每个试件配制的钢纤维掺量ρ_sf代入下式，得到各个试件的界面机械咬合应力τ_b。

τ_b＝0.15×(1+100ρ_sf)

步骤5，计算界面摩擦应力τ_f，具体步骤如下：

步骤51，将所有试件的钢纤维混凝土保护层厚度C_ss和抗弯强度f_t代入下式，得到各个试件的界面均匀挤压应力f_bc：

f_bc＝0.005C_ssf_t

步骤52，将每个试件的界面黏滑动摩擦系数μ_f和计算所得的界面均匀挤压应力f_bc代入下式，得到各个试件的界面摩擦应力τ_f：

τ_f＝μ_ff_bc＝μ_f(0.005C_ssf_t)

步骤6，计算型钢-钢纤维混凝土组合结构界面极限黏结强度τ_u，具体步骤如下：

步骤61，将每个试件的界面黏结长度L_e和截面直径或等效直径D₀代入下式，得到各个试件的长径比影响的折减系数ζ：

步骤62，将前述步骤中所求的长径比影响的折减系数ζ以及化学胶结应力τ_che、机械咬合应力τ_b、摩擦应力τ_f代入下式，得到型钢-钢纤维混凝土组合结构界面的极限黏结强度τ_u：

τ_u＝ζ×(τ_che+τ_b+τ_f)

根据该计算方法得到的计算界面极限黏结强度τ_u,c与试验实测的界面极限黏结强度τ_u,t比较如附图2所示。如下表1所示，共进行了36个试件的黏结推出试验，所有试件的τ_u,c/τ_u,t的平均值为1.016，标准差为0.121，其中20个方形截面试件的标准差仅为0.083。因此该计算方法与试验实测结果具有高度的一致性，说明经过试验验证该计算方法具有较强的实用性。

表1试件设计参数

Claims (1)

1.一种型钢-钢纤维混凝土极限黏结强度计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1)确定型钢-钢纤维混凝土组合结构的基本参数；

步骤2)计算型钢-钢纤维混凝土组合结构界面化学胶结应力τ_che；

步骤3)计算型钢-钢纤维混凝土组合结构界面机械咬合应力τ_b；

步骤4)计算型钢-钢纤维混凝土组合结构界面摩擦应力τ_f；

步骤5)利用步骤2)～步骤4)计算出的型钢-钢纤维混凝土组合结构界面化学胶结应力τ_che、机械咬合应力τ_b、摩擦应力τ_f计算型钢-钢纤维混凝土组合结构界面极限黏结强度τ_u；所述步骤1)中需要确定的型钢-钢纤维混凝土组合结构的基本参数包括：

(1)钢纤维混凝土的参数：

①钢纤维掺量ρ_sf；

②钢纤维混凝土抗弯强度f_t；

③钢纤维混凝土保护层厚度C_ss；

④截面直径或等效直径D₀；

(2)黏结界面的基本参数：

①界面的黏滑动摩擦系数μ_f；

②界面黏结长度L_e；

所述步骤4)具体步骤如下：

步骤41)黏结界面摩擦应力主要取决黏结界面相互挤压应力的大小及摩擦系数：假定界面黏结应力增加到最大值，即极限黏结强度τ_u时，保护层的外边缘达到钢纤维混凝土抗弯强度f_t；从钢纤维混凝土四点弯曲抗弯强度测试试验发现，钢纤维混凝土开裂后，当裂缝发展到一定程度时，钢纤维充分发挥作用，钢纤维混凝土达到抗弯强度；当钢纤维混凝土达到钢纤维混凝土抗弯强度f_t时，认为受拉区应力线性分布；此时，钢纤维混凝土保护层的拉应力合力为C_ssf_t/2，其百分之一转换为型钢与钢纤维混凝土界面的均匀挤压应力f_bc：

f_bc＝0.005C_ssf_t

其中C_ss为钢纤维混凝土保护层厚度C_ss；

步骤42)根据前步计算所得的界面的均匀挤压应力f_bc，界面摩擦应力τ_f的计算公式应为：

τ_f＝μ_ff_bc＝μ_f(0.005C_ssf_t)

其中μ_f为界面的黏滑动摩擦系数；所述步骤2)中：黏结界面的化学胶结应力来自于混凝土中水泥胶体硬化后在黏结界面产生的化学吸附作用，其取值为定值，不受其它设计参数影响；根据不同设计参数对极限黏结强度的影响分析，当消除黏结长度和截面直径的影响后，可获得界面化学胶结力τ_che的取值：τ_che＝0.218；所述步骤3)中：黏结界面发生相对滑移导致钢纤维混凝土剪坏，产生层状的破损钢纤维混凝土磨屑，黏结界面因此产生了机械咬合力；界面上的机械咬合力随着钢纤维掺量的增加而增强，因此界面机械咬合应力τ_b的计算公式应为：

τ_b＝0.15×(1+100ρ_sf)

其中ρ_sf为钢纤维掺量；所述步骤5)具体包括如下步骤：

步骤51)由于构件黏结长径比越大，界面极限黏结强度越小，所以考虑到由于界面黏结长度引起的应力不均匀分布，提出长径比影响的折减系数ζ，其取值方法如下：

其中L_e为界面黏结长度，D₀截面直径或等效直径；

步骤52)型钢-钢纤维混凝土组合结构界面的黏结强度由化学胶结应力τ_che、机械咬合应力τ_b以及摩擦应力τ_f组成；因此考虑长径比影响后的型钢-钢纤维混凝土组合结构界面的极限黏结强度应为：

τ_u＝ζ×(τ_che+τ_b+τ_f)。

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