钢混凝土组合结构 [粘结钢-混凝土组合结构实验研究]

　　摘 要:本文论述了有关粘结钢-混凝土组合结构力学性能的实验分析。钢梁和混凝土板由胶粘剂组装而成。对例如胶粘剂的性质和粘合接头的不规则厚度等主要技术参数对力学性能及极限承载力的影响进行了研究。在这项工作中使用了两种胶粘剂。
　　关键词:组合梁 混凝土板 钢梁 胶粘剂 应变 力学性能
　　中图分类号:TU37 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)05(b)-0061-01钢-混凝土混合结构是通常由混凝土板由金属连接件连接到钢梁上组成。这种组装的目的是结合钢材高的抗拉强度和混凝土高的抗压强度。通过这种方式,钢-混凝土组合梁比单独的钢梁或者混凝土板硬度和强度都更大。
　　对钢-混凝土混合结构来说最重要的问题之一是钢-混凝土分界面的抗剪强度。这个难题最近随着剪切螺栓连接件的出现迎刃而解,这种连接件可以保证钢梁和混凝土板之间的可靠连接。这些连接件一般焊接在钢的表面,但它可能降低钢的性能。混凝土板和钢梁之间的连接方式对于钢-混凝土混合桥式结构的耐久性和力学性能非常重要。预制水泥板的使用,而不是在钢表面现浇混凝土,特别令人关注。用粘结连接取代金属连接有可能减少剪应力集中并且可使混凝土与钢之间的作用力持续转移,这是由于以下事实:粘结在一起的钢-混凝土组合梁,材料的粘结表面远大于用焊剪切螺栓连接的表面。
　　目前的工作涉及粘结钢-混凝土组合梁。这个组合梁由一个预制混凝土板和一个由粘合接头连接的钢梁组成。实验程序进行,以确定一些参数的影响,如粘合剂的性质和粘合接头纵、横向的不规则厚度。这里也对在横向、纵向和垂直方向的失效模式和应力分布进行了讨论。粘结钢-混凝土组合结构的设计使粘合接头具有最大剪应力。复合结构是置于不利的条件下,以确定粘合剂的性能。这对于指出粘结组合结构在钢梁屈服前、粘合接头破坏后开始破坏是有用的。
　　1 试验安排
　　1.1?测试结构
　　共测试了四个由一个预制混凝土板和一个钢梁组成的钢混凝土组合梁。混凝土板和钢梁直接用一个粘合接头连接。每根梁长3480mm,简支在3300mm长的跨上。所有组合梁的混凝土板都由三段1160mm长的部分组成,而且每一段都是70mm厚、350mm宽。钢筋混凝土板由四根直径6mm的沿纵向的钢筋和十八根直径6mm的沿横向的钢筋组成。钢梁型号为220,高220mm,宽110mm。对于P1表示的组合梁,钢梁和混凝土板的连接是靠一种稳定粘合剂来保证的,P2所表示的组合梁则是由一种性能较为灵活的粘合剂连接的。P1和P2两根梁的粘结剂的厚度相同为3mm。
　　对于一个钢筋混凝土桥梁,混凝土板和钢梁很难有一个固定的厚度。这就是在这项工作中研究粘合接头厚度变化对粘结组合结构的力学性能和极限承载力的影响的原因。粘结剂横向方向从3mm到5mm和纵向方向从3mm到7mm的不规则厚度被自由创造,与P1和P2梁粘合接头规则的3mm厚度相反。
　　1.2?材料
　　混凝土混和物被设计来实现抗压强度在28天内达到60MPa。使用的水泥型号是普通硅酸盐水泥CEM I 52.5。水泥的比例是400公斤/立方米。在混凝土混和物中也使用了轧制的骨料、硅烟和一种高效减水剂。通过对圆柱体进行的测验所测得的平均抗压强度为68MPa。通过对一个尺寸为10×10×40cm的混凝土立方体试块进行的抗弯实验所获得的拉伸强度为5MPa。测试从钢梁上切下的凸缘和网状物是为了得到钢的材料性质。这个试验是在MST 250kN的拉力试验机上进行的。试验获得的弹性模量和屈服应力的平均值分别为205000MPa和470MPa。极限拉应力是570MPa。钢筋混凝土板中获得的钢筋屈服应力为500MPa。
　　这项工作使用了两种粘合剂。第一种,所指的粘合剂A,是一种在室温下性能稳定的环氧树脂。这环氧树脂可以提供一个良好的粘结强度而不是灵活性。它的粘度允许直接应用于钢材表面。另一种,所指的粘合剂B,是一种在室温下性能灵活的聚氨酯粘合剂,这种粘合剂非常灵活但抵抗性差。它几乎是液态的使在钢梁顶部的凸缘喷射成为可能。P1、P3和P4表示的梁,是由性能稳定的环氧树脂胶粘剂A连接的。另一方面,P2表示的梁,是由性能灵活的聚氨酯胶粘剂B连接的。
　　1.3?测试组合梁
　　运用表面处理以消除任何药剂和任何颗粒,如灰尘,油脂、溶剂的痕迹,微滴,等等。这种处理也可以改变表面的化学性质和提高其表面能量或改进粘结基底的质量。在接触粘合剂的混凝土表面喷砂,然后用溶剂清洗。钢梁顶端凸缘的表面在覆盖了基本的粘合剂后也喷砂。基本粘合剂所扮演的角色是保护钢材抵抗腐蚀和增加表面能。
　　表面处理后一天,粘合剂在钢凸缘表面沿钢梁长度扩散。粘合接头的厚度比最终厚度多了2mm。在检查了要求厚度以后,预制混凝土板被放在粘合剂接合处。剩下的粘合剂立即用铲子移除。粘结操作两天后,可以使用仪器。
　　1.4?仪器
　　仪器是由线性可变动变压仪(LVDT)和应变仪提供的,测量垂直方向的钢材和混凝土沿组合梁的长度和高度、钢梁和混凝土板之间的滑动的跨中应变。对于每一根梁,记录跨中、四分之一梁长和梁端处三个滑动接触面的数据。
　　共有22应变仪被安装在每个组合梁试件上。17应变规被安置在纵向上,另外5个在横向上。应变仪11、15、19、20和21被安装在顶部凸缘的底面,应变仪14和18在底部凸缘的底面,应变仪6、7、8、9和10在加固钢筋的表面,其他在钢梁网的表面。线性可变动变压仪和应变仪的数据被连一个接到一台电脑上的数据采集系统记录。在那里,应变仪能够分析应变和应力沿粘结组合梁的长度、高度和宽度的演变,也可以分析混凝土和钢梁通过粘合接头进行的力的传递过程。
　　在跨中施加集中荷载。在实际测试前,预先在粘结组合梁上施加一个小的20kN的荷载然后逐级卸载。重复这项操作来检验应变仪和传感器的性能以及确保组合梁被正确地固定于支承结构上。在确保所有仪器工作良好后,应变仪及传感器进行初始化。在组合梁上以5kN为一级逐级增加荷载直到梁破坏。
　　2 结语
　　试验结果表明,以环氧胶粘剂保证的钢梁和混凝土板的连接是完美的,而且在钢-混凝土界面没有任何滑动。在由聚氨酯确保的组合梁的界面,连接处很灵活。胶粘剂在厚度上横向方向2mm和纵向方向4mm的变化对于力学性能和极限承载力并不重要。混凝土板上的第一条裂缝出现在横向方向。实验结果表明一个钢筋混凝土组合结构由胶粘剂组合而成是可行的。