摘要: 钢管混凝土中钢管和混凝土之间的粘结强度和滑移性能是工程界较为关心的问题。根据国内外对钢管混凝土结构粘结滑移性能的试验研究, 综合概括了国内外对钢管混凝土粘结滑移性能研究的发展及现状，以及钢管凝土界面粘结滑移的机理和钢管与其核心混凝土粘结本构关系的研究，着重分析了钢管混凝土粘结强度的国内外研究现状, 并对粘结强度、粘结滑移本构关系进行了综合分析、比较。
关键词: 钢管混凝土结构,粘结滑移性能,研究现状,综述分析
1.引言
钢管混凝土结构(CFST)是指在钢管中填充混凝土而形成的复合结构。钢管混凝土结构利用钢管和混凝土二者在受力过程中的相互作用，即受力过程中钢管对核心混凝土产生的约束作用，使其处于复杂的应力状态，从而使得混凝土的强度得到提高，继而提高钢管混凝土结构的承载能力;其次通过已有的试验研究可知核心混凝土在钢管的约束下，不但在使用节点改善了它的弹性性质，而且在破坏时具有较大的塑性变形，即使得核心混凝土的塑性和韧性性能得到改善。同时，由于混凝土的存在，使得钢管在一定程度上可避免或是延缓了钢管过早的发生局部屈曲。此外，施工方便也是钢管混凝土结构的一个重要的优点，与普通的钢筋混凝土柱相比，钢管混凝土柱没有绑扎钢筋、支模、拆模等复杂的施工工序，故而可节约模板，加快施工速度。除此之外钢管混凝土还有耐火性能好和经济效益高等的优势。
1.2粘结强度的概念
建筑结构中，梁上作用的竖向荷载是通过梁柱节点传递给柱的。但当采用钢管混凝土柱时，梁端的剪力并非是直接传递给钢管混凝土的核心混凝土部分，而是先传递给包裹核心混凝土的钢管，再由钢管传递部分给核心混凝土。在以往的研究资料中我们多数情况中都假设钢管和混凝土之间的剪切应变是完全连续的，即钢管和混凝土之间没有滑移现象。但实际上他们的应变并非是完全的连续，钢管和混凝土在受力过程中二者之间存在着一定的粘结强度和滑移，尤其是在中、长轴和压弯构件中，其滑移现象更为明显。
目前，关于粘结强度的定义有：
1.2.1极限粘结强度
1975年1980年Virdi K S， Dowling P J通过对推出试验(图1)中混凝土的变形测定，确定了构件的测定，确定了构件的荷载-变形曲线，即剪力-滑移曲线(V-τ)取其混凝土极限粘结应变对应的应力作为钢管与混凝土的极限粘结强度。考虑到混凝土的极限破坏应变大约在0.0035，从安全角度出发，最终选择极限应变在0.0035时所对应的应力值作为极限粘结强度。
1.2.2平均粘结强度
1979年和1982年日本学者Morshita、 Tomii 及Morishita等通过测试钢管变形来确定平均粘结强度，试验中假设钢管与混凝土之间产生的粘结应力长度在 范围内为一常数， ;式中：N是施加于核心混凝土上的轴向荷载; 是钢管和混凝土之间应变连续时钢管的纵向压应力;AS 和t分别表示钢管的截面面积和其壁厚。
1.3钢管混凝土粘结滑移研究现状
1.3.1国外研究情况
1975年和1980年日本学者Virdi K S，Dowling P J进行了大约100个圆钢管混凝土轴心受压构件的实验研究，系统地考察了包括钢管内表面平整度、试件的长度和直径(L/D)、钢管截面的直径(D)、钢管的壁厚(t)、混凝土的强度等级及混凝土浇筑的密实度等参数对钢管和混凝土之间粘结强度的影响，分析其结果表明，以上参数中对钢管和混凝土之间粘结强度影响较大的是钢管内表面的平整度和混凝土浇筑的密实度。通过实验研究结果可知，钢管内表面越是粗糙，二者之间的粘结强度越大。混凝土的密实度越高，粘结强度越高。
1979年和1982年日本学者Morshita、 Tomii 及Morishita等通过推出试验测定了圆形、方形和八角形截面钢管混凝土在轴向压力作用下粘结强度与滑移之间的关系，发现钢管和混凝土之间的粘结强度属圆钢管混凝土的最高大概在0.2-0.4MPa，八角形的钢管混凝土居中，方钢管混凝土的最低大约是0.15-0.3MPa。
1993年Shakir-Khail对40个钢管混凝土短柱试件的核心混凝土进行了推出试验研究，目的是为了测试钢管和混凝土之间的粘结强度和剪力连接件的工作性能。该试验的试件包括矩形、方形和圆形三种构件形式，部分的钢管混凝土内表面设置了起抗剪作用的栓钉。试验研究的结果表明，钢管和混凝土之间的粘结强度与构件的截面形状和截面的尺寸及剪力连接件的设置有关。
1999年Roeder通过理论分析和试验研究结果得知钢管和核心混凝土之间的粘结强度与钢管的径厚比有很大的关系，径厚比越大，钢管和核心混凝土的粘结强度越低。同时，核心混凝土的收缩会降低钢管和混凝土之间的粘结强度。且Roeder最终提出了一种计算粘结强度的简化公式。
2010年由西悉尼大学Zhong Tao、Brian Uy，清华同学韩林海及福州大学Xian Chen等对64个被暴露于ISO834标准火灾中90分钟或180分钟的钢管混凝土柱进行了推出试验。同时还制备了12个为加热的标本作为对比试件。系统的测试了诸如(1)受火时间;(2)横截面形状;(3)横截面的尺寸;(4)界面长度与直径(宽度)的比值;(5)混凝土的类型(普通混凝土和自密实混凝土);(6)粉煤灰类型及混凝土的养护条件等参数对钢管和核心混凝土之间粘结强度的影响。试验研究的结果表明：受火后的钢管及其核心混凝土之间的粘结强度发生了显著的改变。这其中对曝火90分钟的试件观察发现粘结强度下降的显著，然后对于曝火时间延长至180分钟后钢管和其核心混您土之间的粘结强度有部分恢复，其它因素也有一定程度的影响。
Zhong Tao等的试验研究结果得出以下结论：
(1) 研究发现受火90分钟的试件的粘结强度有普遍的下降，但受火时间延长至180分钟的试件，其粘结强度有部分恢复。
(2) 圆形钢管混凝土柱的粘结强度一般比方钢管混凝土柱要高的多。在当前的测试强度范围内，圆钢管混凝土柱和方钢管混凝土柱推荐的粘结强度为0.15～0.4MPa在这方面，受火的影响可以被忽略。
(3) 由于混凝土的收缩，钢管混凝土柱的粘结强度对其横截面尺寸非常的敏感。因此，需要更多的大尺寸截面钢管混凝土柱进行试验研究，采取适当的措施，以提高粘结强度。
(4) 粉煤灰种类、水胶比和水泥替代率的不同对SCC的粘结强度有影响。通过研究表明，一般情况下自密实混凝土与普通混凝土的粘结强度类似。
1.3.2国内研究情况
自90年代后期开始至今，国内学者对钢管混凝土粘结-滑移性能做了大量的试验研究。
1996年薛立红和蔡绍怀考虑到至此尚无人进行过钢管表面粗糙度对粘结强度影响地试验，故而通过32个钢管混凝土的推出试验，系统的分析钢管与核心混凝土的界面粘结性能。研究的结果表明，混凝土的强度等级、钢管的表面状
况和混凝土的养护条件对钢管和核心混凝土的粘结强度有显著的影响，而界面长度的大小对粘结强度的影响不大。并且，此次试验首次实行了反复推出试验，确定了摩阻力对粘结强度的影响。推出了钢管与核心混凝土之间的粘结强度τu计算公式：τu =Nu/πD0l
式中 Nu—粘结破坏荷载(N);
l—界面长度(mm);
D0—钢管内径。(D0=155mm)
1.4钢管混凝土界面粘结机理
与钢筋和混凝土的粘结力构成一样，钢管和其核心混凝土之间的粘结力也是由三部分组成的。
(1) 混凝土内的水泥凝胶体与钢管表面的化学胶结力。钢管与其核心混凝的胶结力收混凝土中的水泥用量、水灰比等因素的影响。
(2) 钢管与其核心混凝土界面粗糙不平的机械咬合力。机械咬合力是由于钢管内表面的凹凸不平与混凝土的挤压力所造成的。类似于光圆钢筋与混凝土的机械咬合力作用，这种咬合力受钢管内表面锈蚀程度的影响较大。当钢管表面非常光滑时，机械咬合作用就很小;相反当钢管锈蚀严重，表面有深度凹痕时，机械咬合力就较大。经多方数据统计分析可知，在钢管与核心混凝土的机械咬合作用与其内表面的粗糙程度成正比，我们称这种机械咬合作用为钢管的“微观机械咬合作用”。
(3) 钢管与混凝土界面间的摩擦力。钢管与核心混凝土之间的界面摩擦力是与钢管的约束力成正比的，钢管与混凝土之间的摩擦力大小取决于钢管的“宏观偏差”。这一概念由Virdi和Dowling首先提出，并称这种作用为钢管的“宏观机械咬合作用”。
1.5钢管与混凝土粘结本构关系的研究
钢管与其核心混凝土粘结本构关系的建立为其粘结性能的进一步研究提供了必要的条件，同时为有限元分析软件的精确分析提供了可能，因此研究钢管与其核心混凝土之间粘结应力的本构关系至关重要。
过去多数关于钢管和其核心混凝土之间粘结本构关系的研究，一般都是，以钢管与混凝土界面的平均粘结应力和钢管混凝土构件的加载端或自由端的钢管与混凝土的相对滑移，近似来描述整根钢管长度方向的本构关系。Nilson、杨勇等人在关于钢筋混凝土粘结滑移性能研究的试验曲线表明，钢筋混凝土中各截面剪切-滑移曲线(τ-s)锚固深度x的不同而变化，即存在着一个曲线族。τ=τ (s，x)，因此，采用单一的τ-s曲线是不能反映局部粘结规律的复杂性的。同理，钢管壁与其核心混凝土界面上的粘结应力与相对滑移的关系也随截面位置(锚固深度x)的不同而变化，单一的τ-s曲线同样不能反映钢管混凝土粘结滑移本构关系沿锚固长度方向的变化，带有明显的局限性。
西安建筑科技大学的赵鸿铁和胡琨等人通过方钢管混凝土推出试验，并参考国内外的相关资料，在考虑长细比和宽厚比两个因素的状况下，引入了反映锚固深度位置变化的两个函数F(x)和G(x)，较为真实全面的反映了不同锚固深度处的钢管与其核心混凝土的粘结滑移本构关系。其中F(x)是与粘结应力有关的位置函数，而G(x)是与滑移有关的位置函数。
1.6结语
由于钢管混凝土结构的应用和发展相对钢筋混凝土结构来说起步较晚，因此，国内外对钢管混凝土结构的粘结滑移研究还不是很深入和完善，而相对来说对钢管混凝土粘结滑移的本构关系研究开展的就更少了，大部分研究都是局限于对钢管混凝土粘结强度方面的研究，但到目前为止仍未给出确定性的结论，还存在较多的分歧和问题。为了建立相对来说比较完整的钢管混凝土结构设计方法和计算分析理论，促进钢管混凝土结构的进一步发展，开展钢管混凝土粘结滑移性能的研究是非常有意义和迫切的进程。
参考文献
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