粘結-滑移本構模型在混凝土組合結構中的應用

■ 羅偉兵

江西財經職業學院

前言

混凝土組合結構主要是由鋼管、混凝土、箍筋等幾個部分組成，鋼管或者型鋼是混凝土組合結構的框架。其中，FRP-混凝土組合結構具有聯系生產、材料節約、整體性良好等優點，在整個混凝土組合結構具體設計過程中，粘結-滑移本構模型應用問題逐漸引起了人們關注，它能夠給實際工程提出簡單適用的粘結-滑移本構關系，保證混凝土組合結構在實際工程中的使用效果，設計出更好的混凝土組合結構設計方案。

1 粘結-滑移本構模型

在混凝土組合結構研究中，粘結強度及其影響因素和粘結滑移機理是重點研究內容。在對這兩個方面內容進行研究過程中，提出了粘結-滑移的 τ - s 本構關系。其中，τ 代表粘結應力，s代表剪切粘結滑移。前者，主要是指型鋼表面剪切力。后面，主要是指型鋼與混凝土間的相對位錯。在粘結-滑移的 τ - s 本構關系中，一旦出現粘結強度或者錨固措施不夠的問題，將引發一些質量問題。比如，外包混凝土剝落等等，影響混凝土組合結構設計效果。同時，在外包混凝土剝落以后，型鋼變形能力和承載力也會受到相應影響。基于此，把粘結-滑移本構模型應用到混凝土組合結構中，可給出更為簡單適用的粘結滑移本構關系，通過對粘結滑移本構關系的合理化調整，可實現對型鋼與混凝土間粘結強度的有效利用，且利于減輕混凝土組合結構在地震等動力作用情況下破壞程度。下面，本文將引入《型鋼混凝土粘結滑移基本理論及應用研究》文獻中5個型鋼混凝土曲線，利用OriginPro7.5程序，對其本構關系展開數值和理論方面的分析，明確粘結-滑移本構模型在混凝土組合結構中的具體應用。

2 粘結-滑移本構模型在FRP-混凝土組合結構中的應用影響混凝土組合結構粘結、滑移的因素

根據《型鋼混凝土粘結滑移基本理論及應用研究》文獻中5個型鋼混凝土曲線和型鋼與粘結機理分析可知，在FRP-混凝土組合結構中，混凝土強度、混凝土保護層厚度、橫向配箍率、型鋼埋置深度、加載方式、型鋼表面狀況等等是影響粘結和滑移的主要因素。而通過力學性能分析可知，混凝土抗拉強度、加載方式等是影響劈裂破壞的主要因素。在充分考慮這些影響因素基礎上，本文建立起了關系的基準本構模型，為后續本構關系數值分析和理論分析做好了充足準備。

2.1 粘結-滑移本構關系

1、本構關系數值分析

如下，是本文設計的加載端 τ ˉ - st本構模型。

圖1 加載端本構模型

本文將所研究的試件編號分別標注成了SRC-02、SRC-04、SRC-09、SRC-11、SRC-12，并針對試件混凝土設計強度、實際強度、保護層厚度、埋置長度、配箍率、橫向箍筋配置情況、配鋼率各項參數進行了準確測定，且針對鋼材材料性質展開了細致分析，主要涉及到的鋼材材料包括了6mm鋼板、槽鋼、Φ6鋼筋、Φ8鋼筋、Φ16鋼筋等等。

在上升段，荷載與平均粘結應力、加載端滑移值之間存在著正相關關系，荷載越大，和 Sr數值越大。同時，上升段符合線彈性關系，可用公式： = A + B St對這一種線性關系進行表達。而公式中的A、B可采取實驗方式測得，也可采取平均值計算方法獲得。本文，可結合圖1數據得出A和B的值分別是1.151和1.231。那么在理論分析中，若理論推出的公式與實驗結果相符，就可利用本文加載端 τ ˉ - st本構模型確定出簡單適用的粘結滑移本構關系，滿足FRP-混凝土組合結構設計要求。

2、本構關系理論分析

圖2 應力分布

通過對上圖的觀察與分析，可列出這樣一個公式用于表示豎向平衡條件，

由這一豎向平衡條件可導出加載端滑移的總滑移量。在總滑移量具體計算過程中要先計算出混凝土應變（ε）等數值，而總滑移量具體計算公式如下：

若混凝土處于線彈性階段，可忽略混凝土應變，得出粘結應力最大值這個公式，最終可用公式計算出平均粘結應力。如下：

在上升段，只要保證理論分析和數值分析結果比較吻合，就可以給出一個既簡單又適用的粘結滑移本構關系，為FRP-混凝土組合結構的設計指明方向，確保混凝土組合結構設計更為科學。

本文，先是分析了粘結本構關系影響因素，在結合5個型鋼混凝土曲線，通過應用粘結-滑移本構模型分析總結了混凝土組合結構設計實際情況的粘結本構關系表達式，以數值分析和理論分析相結合的方法，給了相應的粘結滑移本構關系。需要注意的是，在混凝土組合關系具體設計過程中，鋼筋幾何尺寸等等都會對粘結本構產生一定影響。基礎此，為了得出正確的研究結果，要控制好每一個數值分析和理論研究環節，最終實現數值分析與理論分析結果相對吻合的目標。根據結果，做好錨固連接件等的設置工作，增強FRP-混凝土組合結構的地震等動力作用抵抗能力。

結論：綜上可知，在FRP-混凝土組合結構中，因型鋼和混凝土之間粘結應力較小，接觸面積大。所以，一旦出現粘結強度不夠的情況，很容易呈現出混凝土組合結構承載力大幅度下降的問題，無法滿足實際工程施工需求。基于此，利用好粘結-滑移本構模型，分析影響FRP-混凝土組合結構粘結和滑移因素，可給出簡單適用的粘結滑移本構關系，進而通過合理設置錨固連接件，改善其粘結強度不足的問題，且利于地震等動力作用下盡快修復結構。