钢管混凝土界面经历升、降温火灾后的粘结性能研究

Concrete filled steel tubular (CFST) structure combines the advantages of both steel and concrete, which is increasingly used in engineering structures. The bond behavior of the interface between concrete and steel is fundamental to achieve composite action for CFST structure. In the past, many studies have been performed on the bond behavior between steel and concrete for CFST columns at ambient temperatures. However, there are few research on the bond behavior of CFST members after fire. Therefore, it is of theoretical and applied significance to study the bond behavior of the CFST interface after exposure to fire. In this study, the postfire bond behavior of the CFST interface is investigated thoroughly by experimentation and theoretical analysis. Firstly, CFST columns subjected to fire including heating and cooling and corresponding push-out tests are conducted successively. The bond stress transfer between the steel and concrete and the effects of different parameters on bond strength are analysed and formulae for bond strength and bond stress to relative slip model are proposed. A refined finite element analysis (FEA) model for bond-slip behavior of CFST column after fire including the degradation of materials and the interaction between the steel and concrete is established and verified by the above tests. Based on the validated FEA model, the bond-slip mechanism between the steel and concrete is discussed and the load bearing capacity of CFST structures (single members and joints) after fire considering the bond-slip between the steel and concrete are anlysized parametrically. And then the effects of parameters are found. Finally, the corresponding calculating methods and some suggestions of the postfire load bearing capacity of CFST structures (single members and joints) are proposed.

钢管混凝土充分发挥了混凝土和钢材的优点，在工程结构中得到了广泛应用。钢管与混凝土之间的粘结作用是两者能共同工作的基础。目前，已有不少关于其常温下界面粘结性能的研究，相比火灾后粘结性能的研究比较少。因此，开展该方面的研究具有重要的理论应用和应该价值。 本项目采用试验研究和理论分析相结合的方法，深入研究火灾后钢管混凝土界面的粘结性能。首先开展钢管混凝土试件的升、降温火灾试验和相应火灾后推出试验，分析界面粘结力的传递规律及各参数对粘结强度的影响规律，得出火灾后粘结强度公式和粘结力-相对滑移本构关系；接着建立考虑材料劣化以及钢管与混凝土相互作用的钢管混凝土火灾后推出滑移的精细有限元模型，采用试验进行验证；基于建立的有限元模型，深入探讨钢管混凝土的粘结滑移机理；在此基础上，进行考虑界面粘结滑移的钢管混凝土结构（构件和节点）火灾后承载力的参数分析，得到各参数的影响规律，并提出相应的计算方法和设计建议。

随着钢管混凝土在实际工程中的应用日益增多，其发生火灾的概率也随之提高。深入研究其火灾后的力学性能和承载力损伤，对合理制定该类结构火灾后的修复加固措施非常必要。特别对于受火后的建筑，是拆除重建还是修复加固，将直接产生巨大的经济效益。.钢管混凝土的界面粘结性能是钢管和混凝土之间共同受力与协调变形的基础。目前，国内外对钢管混凝土界面粘结性能的研究大多局限于常温下的研究，对于受火灾作用后以及高温下的研究很少。已有的研究表明，钢材和混凝土的材料性能在高温下和高温后均有不同程度的劣化，导致火灾下和火灾后的钢与混凝土界面粘结强度发生损失，从而对钢管混凝土构件的变形和承载力产生较大影响。.基于以上背景，同时本文对经历升、降温火灾后以及高温下钢管混凝土界面的粘结性能进行研究。主要工作和成果如下：.（1）进行了52根钢管混凝土柱试件的火灾升、降温试验与火灾后反复推出试验，分析了截面类型、钢管径厚比、长径比、升温时间、降温速率及火灾类型等因素对粘结强度与荷载—滑移曲线的影响，并得到了界面粘结力的分布规律。.（2）进行了23个恒高温下钢管混凝土试件的推出滑移试验，主要研究参数包括恒温温度、长径比和径厚比等。试验结果表明，在20℃～900℃研究范围内，恒温温度和长径比对圆钢管混凝土平均粘结强度有显著的影响，而钢管径厚比对平均粘结强度影响很小。.（3）基于本文试验和相关试验结果，分别确定了影响火灾后和火灾下钢管与混凝土之间粘结强度的关键因素，回归了火灾后和火灾下粘结强度以及峰值荷载对应的滑移值公式，并修正了火灾后和火灾下界面粘结力—相对滑移本构关系。.（4）基于火灾后和火灾下钢管混凝土界面粘结力—相对滑移本构关系模型，建立了考虑钢管与混凝土相互作用的钢管混凝土火灾后和火灾下推出滑移的精细有限元模型，采用试验进行验证；基于建立的有限元模型，深入探讨钢管混凝土的粘结滑移机理；并将相关模型和技术应用于包含钢管与混凝土的组合结构力学性能研究中。