摘要
为探究部分包裹混凝土(PEC)柱在膨胀剂作用下的黏结滑移性能,设计了6组试件进行短柱推出试验,探究了混凝土强度、黏结长度和膨胀剂掺量对H形钢与混凝土之间黏结性能的影响,分析了黏结应力的组成,建立了反映黏结滑移性能的数值模型.结果表明:H形钢和混凝土之间的黏结性能与混凝土强度、黏结长度以及膨胀剂掺量呈正相关;H形钢与混凝土之间黏结应力的81.6%由摩擦应力提供,考虑黏结长度的摩擦应力与化学胶结力的比值稳定在42%~47%;依据试验建立的折线式黏结滑移本构模型可以较好地反映黏结应力与位移的关系,采用非线性弹簧建立的有限元模型与试验结果吻合较好.
部分包裹混凝土(PEC)具有承载能力高、抗震性能好等优
国内外许多学者已经对薄壁H形钢焊接柱进行了广泛的试验研究,但大多数是研究焊接柱在不同加载条件下的行
本文设计了6组考虑混凝土强度、黏结长度和膨胀剂掺量的试件,探究了无剪切连接件H形钢与混凝土界面黏结力的组成,以确定其黏结滑移本构模型.
采用P·O 42.5水泥(C)配制3种强度的混凝土,配合比及性能见
Strength grade | mW/mC | Mix proportion/(kg· | ƒc/MPa | ƒcu/MPa | E/GPa | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
C | W | G | S | FA | MP | EA | SP | |||||
C40 | 0.38 | 331.0 | 200.0 | 729.0 | 889.0 | 94.0 | 63.0 | 37.0 | 6.7 | 28.0 | 42.0 | 31.36 |
C50 | 0.36 | 340.0 | 194.0 | 797.0 | 859.0 | 97.0 | 65.0 | 38.0 | 8.8 | 33.8 | 50.7 | 33.42 |
C60 | 0.28 | 384.0 | 170.0 | 762.0 | 832.0 | 110.0 | 73.0 | 43.0 | 10.0 | 42.0 | 63.0 | 35.98 |
C4 | 0.38 | 331.0 | 200.0 | 729.0 | 889.0 | 94.0 | 63.0 | 22.0 | 6.7 | 32.5 | 48.7 | 32.97 |
Steel | σb/MPa | σs/MPa | εs | E/GPa | μ | δ/% |
---|---|---|---|---|---|---|
Q235B | 437.5 | 314 |
1 659.3×1 | 196 | 0.29 | 29 |
HRB335 | 581.0 | 373 | 24 |
GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规程》对于PEC构件黏结性能的标准试件没有定义,且Chicoine

图1 PEC推出试件
Fig.1 PEC push‑out specimen
Specimen | Strength grade | w(EA)/% | Size of H‑steel/mm | Bonded length/mm |
---|---|---|---|---|
PEC‑40‑10‑300 | C40 | 10 | 200×200×6×6 | 300 |
PEC‑40‑10‑400 | C40 | 10 | 200×200×6×6 | 400 |
PEC‑40‑10‑500 | C40 | 10 | 200×200×6×6 | 500 |
PEC‑50‑10‑400 | C50 | 10 | 200×200×6×6 | 400 |
PEC‑60‑10‑400 | C60 | 10 | 200×200×6×6 | 400 |
PEC‑40‑6‑400 | C40 | 6 | 200×200×6×6 | 400 |
本文选择短柱推出试验,加载装置如

图2 加载示意图及装置
Fig.2 Loading diagram and device
在黏结破坏过程的3个阶段中,黏结力(P)的分布存在差异,在微滑移阶段极限状态有:
(1) |
式中:为H形钢与混凝土接触的截面周长,mm;l1为化学胶结力存在的区域长度,mm;τb为化学胶结力,MPa; l2为摩擦应力存在的区域长度,mm;τl为摩擦应力,MPa.
则在全滑移阶段中有:
(2) |
式中:l为黏结长度,mm,且有l=l1+l2.

图3 试件的荷载-滑移曲线
Fig.3 Curves of load‑displacement of specimens
定义H形钢与混凝土产生微滑移时的荷载为Ps,即初始黏结荷载;P0.8为滑移从微滑移转变为全滑移时对应的荷载值;Pu为破坏时的荷载值,即极限黏结荷载.通过
(3) |
式中:H、B分别为H形钢的高度和宽度,mm;t为腹板或者翼缘厚度,mm.
Ps、P0.8、Pu对应的黏结应力τs、τ0.8、τu见
Specimen | τs/MPa | τ0.8/MPa | τu/MPa | τs/τu | S/mm |
---|---|---|---|---|---|
PEC‑40‑10‑300 | 0.043 | 0.143 | 0.197 | 0.218 3 | 28.95 |
PEC‑40‑10‑400 | 0.054 | 0.158 | 0.258 | 0.247 7 | 29.95 |
PEC‑40‑10‑500 | 0.096 | 0.139 | 0.354 | 0.271 2 | 30.00 |
PEC‑50‑10‑400 | 0.068 | 0.124 | 0.313 | 0.217 3 | 28.13 |
PEC‑60‑10‑400 | 0.082 | 0.167 | 0.369 | 0.222 2 | 30.05 |
PEC‑40‑6‑400 | 0.062 | 0.157 | 0.182 | 0.340 7 | 29.52 |
在外荷载P作用下,H形钢和混凝土之间产生的黏结应力τ(x)在H形钢黏结长度x上的积分与外荷载P大小相
(4) |
(5) |
式中:σ为H形钢上的应力,MPa;Es为H形钢的弹性模量,MPa;As为H形钢的受压面积,m
黏结应力经过黏结长度的传递后,H形钢与混凝土之间无滑移,变形协调,应变差为零,在变形截面协调处有:
(6) |
变形截面协调处混凝土受到的压力:
(7) |
在变形截面协调处有εs=εc=ε,则混凝土所受到的压力为:
(8) |
式中:Pc、Ps分别为变形截面协调处混凝土和H形钢所受到的压力,kN;Ec、Es分别为混凝土和H形钢的弹性模量,MPa,详细见表
(9) |
混凝土能达到Ecεc的受压面积仅为全部受压面积的25
Specimen | τl/MPa | τb/MPa | l1/mm | l2/mm |
---|---|---|---|---|
PEC‑40‑10‑300 | 0.143 | 0.021 | 283.0 | 17.0 |
PEC‑40‑10‑400 | 0.158 | 0.026 | 374.2 | 25.8 |
PEC‑40‑10‑500 | 0.139 | 0.050 | 435.0 | 65.0 |
PEC‑50‑10‑400 | 0.124 | 0.034 | 356.8 | 43.2 |
PEC‑60‑10‑400 | 0.167 | 0.040 | 359.4 | 40.6 |
PEC‑40‑6‑400 | 0.157 | 0.030 | 369.2 | 30.8 |
(1)H形钢与混凝土之间的黏结应力主要由摩擦应力提供,整体上摩擦应力占到整个黏结应力的81.6%,摩擦应力是化学胶结力的数倍,在微滑移阶段考虑黏结应力区段长度的摩擦应力与化学胶结力的比值在0.41~0.47.在微滑移阶段,摩擦应力和化学胶结力保持稳定变化,说明不同参数下的黏结性能虽然差别较大,但是从黏结应力组成分析,黏结应力分布是相对稳定的.对比文献[
(2)C40试件的摩擦应力是0.158 MPa,随着混凝土强度的提高,摩擦应力呈现先降低再上升的趋势.相比于C40试件,C50试件的摩擦应力降低了21.5%,C60试件的摩擦应力提高了5.6%,可能的原因是:混凝土的泊松效应使得H形钢与混凝土之间的摩擦效应提高;混凝土强度的提高,更多的水泥基体参与到黏结界面中;混凝土浇筑过程中造成的水泥浆体不均匀分布降低了黏结界面处的黏结效应;几种因素的综合效应使摩擦应力变化表现出离散性和复杂性.C40、C50、C60试件的化学胶结力分别为0.021、0.034、0.040 MPa,表明强度的增加使得H形钢与混凝土间的化学吸附程度增强,使更多的胶凝材料参与到H形钢与混凝土界面处的反应中,增强了H形钢与混凝土间的黏结性能.
(3)黏结长度为300 mm试件的摩擦应力和化学胶结力分别是0.143、0.021 MPa,摩擦应力比黏结长度为400、500 mm的试件分别提高了10.4%和-2.7%,化学胶结力分别提高了23.8%和138.1%.随着黏结长度的增加,摩擦应力表现为先增加再减小,化学胶结力随着黏结长度的增加而增加,变化趋势不一致的原因是:黏结长度的增加会产生更多的劣性区域,且黏结应力沿黏结长度是不均匀分布的,胶凝材料的分布不均匀以及黏结长度的增加使黏结应力不能有效传递是导致变化存在差异的原因.
(4)膨胀剂掺量为10%试件的摩擦应力和化学胶结力分别为0.158、0.026 MPa,与膨胀剂掺量为6%试件的0.157、0.030 MPa相差0.001 MPa和-0.004 MPa.这表明随着膨胀剂掺量的变化,H形钢与混凝土之间的黏结应力几乎没有变化.无剪切连接件H形钢与混凝土的黏结应力主要由摩擦应力提供,由

图4 试件的平均黏结-滑移曲线
Fig.4 Average bond‑slip curves of specimens
根据试验曲线变化趋势可知,PEC黏结-滑移曲线3个阶段(未滑移阶段、微滑移阶段和大滑移阶段)的变化形式符合直线段函数;所有试件表现出的破坏模式为推出破坏,建立折线段式PEC黏结滑移本构模型,即为:
未滑移阶段: | (10) |
微滑移阶段: | (11) |
大滑移阶段: | (12) |

图5 试件试验曲线与拟合曲线的对比
Fig.5 Comparison of test curves and fitting curves of specimens
试件PEC‑50‑10‑400黏结-滑移曲线的不一致在于加载过程中H形钢与混凝土间接触压力的变化,使得其黏结-滑移曲线表现出差异性;混凝土沿腹板方向变形产生的泊松效应也使H形钢与混凝土之间的黏结性能得到提高;混凝土强度的提高会使得泊松效应更加明显.
Abaqus软件中可以通过定义非线性弹簧Spring2来模拟H形钢与混凝土的之间的黏结性能,确定应力与位移之间的关系.
(1)单元选择及材料属性:H形钢和混凝土单元类型选取实体单元C3D8R,钢筋单元选取桁架单元T3D2,在划分网格阶段将钢筋单元设置成桁架Truss单元;焊接H形钢板与混凝土材料属性见
(2)分析步及作用:初始增量步设置为0.02,最小增量步默认为1×1
(3)网格划分:网格划分时将H形钢底板与H形钢分割开分别划分网格,考虑到后期定义非线性弹簧单元节点的建立,在本文中定义混凝土与H形钢的网格划分一致.
(4)定义非线性弹簧:应用Python软件查询H形钢单元与混凝土单元的各连接点坐标,依据黏结-滑移曲线确定非线性弹簧F‑D之间的关系,对于黏结方向上的弹簧刚度依据黏结滑移模型确定,与黏结界面相对应的2个方向上的弹簧刚度定义为无限大.
试件PEC‑40‑10‑400的Mises应力云图见

图6 试件PEC‑40‑10‑400的Mises应力云图
Fig.6 Mises stress nephogram of specimen PEC‑40‑10‑400

图7 试件黏结-滑移曲线模拟结果与试验结果的对比
Fig.7 Comparison of simulation results and test data of bond‑slip curves of specimens
通过
(1)黏结长度、混凝土强度和膨胀剂掺量与H形钢与混凝土之间的黏结力呈正相关.排除试验误差以后,初始黏结强度与极限黏结强度的比值在20%~35%范围内保持稳定.
(2)H形钢与混凝土之间的黏结应力主要由摩擦应力提供,摩擦应力是化学胶结力的294%,但在微滑移极限阶段,考虑黏结长度的摩擦应力是化学胶结力的42%~47%.
(3)折线式函数模型较好地反映了H形钢与混凝土之间的黏结滑移本构;利用非线性弹簧建立的黏结滑移模型较好地反映了H形钢与混凝土之间的黏结性能.
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