1、概述

 CFT柱的應(yīng)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(jìn)行了對于CFT粘結(jié)應(yīng)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(yīng)力，要求粘結(jié)應(yīng)力的持續(xù)發(fā)揮作用，其直徑往往超過1000mm，甚至高達(dá)3000mm。而且d/t 比率達(dá)到了100，有些結(jié)構(gòu)甚至達(dá)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(yīng)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(jìn)行填充，這種固接形式的連接減輕了粘結(jié)應(yīng)力的負(fù)荷。同時還在進(jìn)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(yīng)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(yīng)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(fù)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(jìn)行試驗。粘結(jié)應(yīng)力負(fù)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(fù)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(yīng)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(yīng)力在此處負(fù)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(yīng)力臨界荷載細(xì)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(yīng)還未出現(xiàn)的范圍，這時鋼和混凝土的應(yīng)變并不相同。
　　因為CFT柱的截面是軸對稱的，壓力為P，可以導(dǎo)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(yīng)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(yǎng)護(hù)條件以及直徑，交互表面可能存在三種狀態(tài)：

狀態(tài)A：                                          （3）

 

狀態(tài)B：                                        （4）

狀態(tài)C：                                    （5）

　　e₃鋼管內(nèi)部表面的不規(guī)則產(chǎn)生的間隙值。
　　A狀態(tài)：交互面上混凝土壓力一直存在，收縮后的內(nèi)部粘結(jié)強度是由鋼和混凝土附著力提供的，這種狀態(tài)被稱為化學(xué)膠合力，當(dāng)剪力增強超過這種粘結(jié)形成的承載力后，荷載主要由表面的機械咬合力承擔(dān)。這時，存在兩個特點：由表面壓力相互作用產(chǎn)生的摩擦力，以及由鋼和混凝土咬合產(chǎn)生的粘結(jié)應(yīng)力，本論文沒有區(qū)分這兩種不同的機械粘結(jié)應(yīng)力；
　　B狀態(tài)：當(dāng)發(fā)生收縮后，兩種材料間出現(xiàn)了間隙，剛體產(chǎn)生運動，當(dāng)其中一種材料受到推力時，只有較小的粘結(jié)強度和抗力；
　　C狀態(tài)：是一中間狀態(tài)，粘結(jié)應(yīng)力損失巨大，機械咬合力伴隨不可預(yù)見到達(dá)B狀態(tài)的行為。對CFT構(gòu)件，從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變過渡到另一種狀態(tài)的試驗是有益的。對此數(shù)據(jù)采用的缺省值一般為c=0.003，d/t=100。這數(shù)字表明當(dāng)對混凝土的壓力達(dá)到1.2MPa時，出現(xiàn)A狀態(tài)，當(dāng)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(tài)A很難達(dá)到。
　　對c取值0.003，d取值2540mm，那么為防止?fàn)顟B(tài)B出現(xiàn)，管內(nèi)的粗糙程度應(yīng)達(dá)到0.38mm。如果管徑小，則應(yīng)相應(yīng)小些，在傳統(tǒng)實踐中，實際管內(nèi)部的粗糙度一般能超過0.25mm。這就能預(yù)示出大多數(shù)CFT的表面狀況都趨向于狀態(tài)C。此外，這些比較還顯示出，擁有大收縮度和大管徑的CFT構(gòu)件可能存在B狀態(tài)。
　　狀態(tài)C提供可變性能，前提是混凝土與鋼材表面不規(guī)則的咬合以及混凝土自身的收縮狀態(tài)，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(tài)是不確定的，長CFT構(gòu)件和對管徑大小的不確定性可能達(dá)到狀態(tài)C。d/t的值很有意義，因為只有在管內(nèi)保持不規(guī)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(dǎo)致降低咬合效果產(chǎn)生的粘結(jié)應(yīng)力。
　　狀態(tài)C這種不可預(yù)見的交合面狀態(tài)，不僅沿長度而且在鋼管內(nèi)部的兩種材料相交的邊緣進(jìn)行空間變化。這樣的局部粘結(jié)應(yīng)力的能力是不可靠的，必須在一個有限度的區(qū)域進(jìn)行平均化，以便得到有用的設(shè)計值。
　　計算機分析；為了更好的理解鋼—混凝土粘結(jié)應(yīng)力，采取了一種將實體三維網(wǎng)格化為小單元，分析CFT柱中鋼與混凝土的模擬狀態(tài)，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(dá)到一種混合作用，計算是以實際應(yīng)用中的管直徑、厚度與柱的長度來取值的。當(dāng)交互面狀態(tài)允許0滑動，粘結(jié)應(yīng)力就按指數(shù)分布，就像圖4中的實曲線，對混凝土的壓應(yīng)力使粘結(jié)應(yīng)力正�；�，其值在距施力點最近的交互面處達(dá)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(jié)應(yīng)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(xiàn)了此段距離中鋼—混凝土滑動系數(shù)的模擬。正�；�的粘結(jié)應(yīng)力的極限值可達(dá)到1.0，在加壓處0.2d范圍內(nèi)，滑動的長度再生了摩擦力，復(fù)制迭合了吸收無變化的粘結(jié)應(yīng)力。
　　圖中描述了在滑動段荷載轉(zhuǎn)換的特性以及在非滑動段粘結(jié)應(yīng)力指數(shù)分布發(fā)展的特性、這些分析顯示粘結(jié)應(yīng)力的需求集中在某一區(qū)域，如果要避免滑動的發(fā)生， 必須將鋼與混凝土之間的不平衡荷載分布在小段區(qū)域內(nèi)。


圖4：沿圓形混凝土鋼管柱換算粘結(jié)應(yīng)力的變化

4、相應(yīng)的試驗的研究

　　大多數(shù)評估粘結(jié)能力的試驗為推力試驗，見圖5。粘結(jié)應(yīng)力被定義為表面應(yīng)力的平均值，與相對于鋼管的混凝土核心剛體的滑動相關(guān)聯(lián)。導(dǎo)致滑動的荷載為P，最大平均粘結(jié)應(yīng)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(chǔ)處轉(zhuǎn)變?yōu)椋▊鬟f）鋼—混凝土復(fù)合比例的應(yīng)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(shè)備上已經(jīng)進(jìn)行過粘結(jié)應(yīng)力試驗的有Virdi, Dowling(1975),  Shakir-Kalil(1991, 1993a, b), Morish et al. (1979a, b)，Morisnita以及Tomii (1982)，得出的一些結(jié)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(gòu)件，值不變，連接鍵只有在滑動已經(jīng)開始后才開始起作用。
　　CFT粘結(jié)應(yīng)力試驗的試件直徑最大達(dá)到300mm，大多數(shù)小于200mm，d/t值采用小于60，主要分布在15—35區(qū)間，這些試件的直徑以及d/t取值要小于在實際中應(yīng)用的構(gòu)件，所以存在一個試驗結(jié)果是否適用于實際的問題。

5、概括與總結(jié)

　　通過確定建筑物對于粘結(jié)應(yīng)力需求來設(shè)計和分析兩種結(jié)構(gòu)原型，分析結(jié)果顯示，支撐構(gòu)件粘結(jié)應(yīng)力的需求大于抗彎構(gòu)件。其中粘結(jié)應(yīng)力需求的最重要部位是CFT柱與基礎(chǔ)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(gòu)件力的作用。連接的細(xì)部對于粘結(jié)應(yīng)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(jié)應(yīng)力的要求。
對于鋼管與混凝土填充物交互面狀態(tài)的分析顯示了混凝土干縮的重要與柱直徑對粘結(jié)應(yīng)力性質(zhì)的影響。如果防止了鋼與混凝土交互面層發(fā)生滑移，那么粘結(jié)應(yīng)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(zhuǎn)換長度長一些。當(dāng)滑移產(chǎn)生后，粘結(jié)應(yīng)力沿滑動區(qū)域近似平均分布。
　　先前的試驗結(jié)果，用來檢驗影響粘結(jié)應(yīng)力的因素，結(jié)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(jié)應(yīng)力低于圓形；
      2． 不能明顯看出粘結(jié)應(yīng)力與混凝土的強度有關(guān)；
      3． 粘結(jié)應(yīng)力隨管徑和d/t值增大而降低。
　　最后的現(xiàn)象值得重視，因為在實際應(yīng)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(shù)據(jù)記錄，這就需要進(jìn)一步研究和實踐。