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基于双剪试验的铝合金板-混凝土界面粘结滑移性能研究

姜德文 黄海林 刘光伟 张明亮

姜德文, 黄海林, 刘光伟, 张明亮. 基于双剪试验的铝合金板-混凝土界面粘结滑移性能研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 287-295. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S052
引用本文: 姜德文, 黄海林, 刘光伟, 张明亮. 基于双剪试验的铝合金板-混凝土界面粘结滑移性能研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 287-295. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S052
De-wen JIANG, Hai-lin HUANG, Guang-wei LIU, Ming-liang ZHANG. STUDY ON BOND SLIP PERFORMANCE OF ALUMINUM ALLOY-CONCRETE INTERFACE BASED ON DOUBLE SHEAR TEST[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 287-295. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S052
Citation: De-wen JIANG, Hai-lin HUANG, Guang-wei LIU, Ming-liang ZHANG. STUDY ON BOND SLIP PERFORMANCE OF ALUMINUM ALLOY-CONCRETE INTERFACE BASED ON DOUBLE SHEAR TEST[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 287-295. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S052

基于双剪试验的铝合金板-混凝土界面粘结滑移性能研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S052
基金项目: 湖南省自然科学基金青年基金项目(2018JJ3161);湖南省研究生科研创新项目(CX2018B666);湖南建工集团基础研究项目(JGJTK-2018003)
详细信息
    作者简介:

    姜德文(1994−),男,湖南岳阳人,硕士,主要从事基于新材料的既有结构修复与加固研究(E-mail: 1192065782@qq.com)

    刘光伟(1991−),男,湖南邵阳人,硕士,主要从事基于新材料的既有结构修复与加固研究究(E-mail: 1319078234)

    张明亮(1983−),男,湖南涟源人,高工,博士,主要从事基于新材料的既有结构修复与加固研究(E-mail: hnjgzml@163.com)

    通讯作者: 黄海林(1984−),男,湖南邵东人,副教授,博士,主要从事基于新材料的既有结构修复与加固研究(E-mail: hhlvsgenius@163.com)
  • 中图分类号: TU398.9

STUDY ON BOND SLIP PERFORMANCE OF ALUMINUM ALLOY-CONCRETE INTERFACE BASED ON DOUBLE SHEAR TEST

  • 摘要: 铝合金板具有轻质高强、延展性好、低温脆断敏感性小、耐腐蚀、易于成型等优点,可用于腐蚀及寒冷环境下的混凝土结构加固。该文基于双剪试验下的铝合金板-混凝土界面粘结滑移性能研究,完成了45个构件的双面纯剪试验,分析了混凝土强度等级、铝合金板表面粗糙度、铝合金板粘结长度和粘结宽度对粘结界面破坏机理、剥离承载力以及界面滑移的演化规律。研究表明:加载过程中界面应力从加载端向自由端逐步传递,且随着混凝土强度等级、铝合金板的粘结长度和宽度的增加,试件的剥离承载力也有所提高。但铝合金板的粘结长度存在一个有效粘结长度值,超过该值试件的剥离承载力将不会增加,同时铝合金板表面粗糙度对试件剥离承载力的提高没有实质影响。
  • 图  1  双剪试件示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of twin-shear specimen

    图  2  铝合金板不同表面处理方式

    Figure  2.  Different surface treatment of aluminum alloy

    图  3  双剪试验加载装置

    Figure  3.  Double shear test loading device

    图  4  铝合金板上应变测点布置示意图 /mm

    Figure  4.  Diagram of strain measurement points on aluminum alloy

    图  5  试件典型破坏形态

    Figure  5.  Typical failure mode of specimens

    图  6  各级荷载下铝合金板上的应变分布

    Figure  6.  Strain distribution of aluminum plate under various loads

    图  7  各级荷载下界面剪应力分布曲线

    Figure  7.  The shear stress distribution curve of interface under various loads

    图  8  不同参数下铝合金板/混凝土加载端的相对滑移规律

    Figure  8.  Relative slip evolution rule under the influence of different parameters

    图  9  试验基本参数对界面极限承载力及粘结强度影响

    Figure  9.  Effect of basic test parameters on interface ultimate bearing capacity and bonding strength

    表  1  试件设计

    Table  1.   Specimen design

    试件编号 混凝土强度等级 试件尺寸/mm 表面粗糙度 粘结宽度/mm 粘结长度/mm
    G-75-120-C40 C40 300×150×150 G类 75 120
    G-75-170-C40 C40 300×150×150 G类 75 170
    G-75-220-C40 C40 300×150×150 G类 75 220
    G-75-120-C30 C30 300×150×150 G类 75 120
    G-75-170-C30 C30 300×150×150 G类 75 170
    G-75-220-C30 C30 300×150×150 G类 75 220
    G-50-220-C40 C40 300×150×150 G类 50 220
    G-75-220-C40 C40 300×150×150 G类 75 220
    G-100-220-C40 C40 300×150×150 G类 100 220
    B-75-120-C40 C40 300×150×150 B类 75 120
    B-75-170-C40 C40 300×150×150 B类 75 170
    B-75-220-C40 C40 300×150×150 B类 75 220
    N-75-120-C40 C40 300×150×150 N类 75 120
    N-75-170-C40 C40 300×150×150 N类 75 170
    N-75-220-C40 C40 300×150×150 N类 75 220
    注:表中“G”表示沟槽表面,“B”表示钻孔表面,“N”表示自然表面,“G-75-120-C30”表示沟槽表面,75 mm的粘结宽度,粘结长度为120 mm,混凝土强度等级为C30。
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    表  2  试验结果

    Table  2.   Experimental results

    试件编号 极限荷载Pu/kN 粘结强度τavg/MPa 加载端相对滑
    移值S/mm
    G-75-120-C40 52.05 2.89 0.135
    G-75-170-C40 59.70 2.34 0.103
    G-75-220-C40 64.80 1.96 0.157
    G-75-120-C30 38.50 2.14 0.238
    G-75-170-C30 52.30 2.05 0.110
    G-75-220-C30 61.30 1.86 0.143
    G-50-220-C40 38.17 1.73 0.177
    G-100-220-C40 81.30 1.85 0.681
    B-75-120-C40 48.80 2.71 0.167
    B-75-170-C40 56.20 2.20 0.149
    B-75-220-C40 61.70 1.87 0.133
    N-75-120-C40 54.80 3.04 0.092
    N-75-170-C40 60.50 2.37 0.109
    N-75-220-C40 74.00 2.24 0.122
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-30
  • 修回日期:  2019-12-30
  • 网络出版日期:  2020-06-01
  • 刊出日期:  2020-06-01

基于双剪试验的铝合金板-混凝土界面粘结滑移性能研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S052
    基金项目:  湖南省自然科学基金青年基金项目(2018JJ3161);湖南省研究生科研创新项目(CX2018B666);湖南建工集团基础研究项目(JGJTK-2018003)
    作者简介:

    姜德文(1994−),男,湖南岳阳人,硕士,主要从事基于新材料的既有结构修复与加固研究(E-mail: 1192065782@qq.com)

    刘光伟(1991−),男,湖南邵阳人,硕士,主要从事基于新材料的既有结构修复与加固研究究(E-mail: 1319078234)

    张明亮(1983−),男,湖南涟源人,高工,博士,主要从事基于新材料的既有结构修复与加固研究(E-mail: hnjgzml@163.com)

    通讯作者: 黄海林(1984−),男,湖南邵东人,副教授,博士,主要从事基于新材料的既有结构修复与加固研究(E-mail: hhlvsgenius@163.com)
  • 中图分类号: TU398.9

摘要: 铝合金板具有轻质高强、延展性好、低温脆断敏感性小、耐腐蚀、易于成型等优点,可用于腐蚀及寒冷环境下的混凝土结构加固。该文基于双剪试验下的铝合金板-混凝土界面粘结滑移性能研究,完成了45个构件的双面纯剪试验,分析了混凝土强度等级、铝合金板表面粗糙度、铝合金板粘结长度和粘结宽度对粘结界面破坏机理、剥离承载力以及界面滑移的演化规律。研究表明:加载过程中界面应力从加载端向自由端逐步传递,且随着混凝土强度等级、铝合金板的粘结长度和宽度的增加,试件的剥离承载力也有所提高。但铝合金板的粘结长度存在一个有效粘结长度值,超过该值试件的剥离承载力将不会增加,同时铝合金板表面粗糙度对试件剥离承载力的提高没有实质影响。

English Abstract

姜德文, 黄海林, 刘光伟, 张明亮. 基于双剪试验的铝合金板-混凝土界面粘结滑移性能研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 287-295. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S052
引用本文: 姜德文, 黄海林, 刘光伟, 张明亮. 基于双剪试验的铝合金板-混凝土界面粘结滑移性能研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 287-295. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S052
De-wen JIANG, Hai-lin HUANG, Guang-wei LIU, Ming-liang ZHANG. STUDY ON BOND SLIP PERFORMANCE OF ALUMINUM ALLOY-CONCRETE INTERFACE BASED ON DOUBLE SHEAR TEST[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 287-295. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S052
Citation: De-wen JIANG, Hai-lin HUANG, Guang-wei LIU, Ming-liang ZHANG. STUDY ON BOND SLIP PERFORMANCE OF ALUMINUM ALLOY-CONCRETE INTERFACE BASED ON DOUBLE SHEAR TEST[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 287-295. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S052
  • 我国建筑行业呈现蓬勃的发展态势,随着时代的发展和时间的推移,有相当一部分建筑物会因为劣化、损伤造成使用性能下降,因此,混凝土结构加固和修复技术变得非常必要也十分迫切。目前国内外常见的加固方式之一是将不同材料的板材或者片材粘贴到混凝土的表面,来增加结构的受力性能[1-4]。钢材和FRP材料是使用最广泛的加固材料,钢材具有强度高和延展性好,但耐腐蚀性较差;反之FRP材料轻质高强,耐腐蚀性强,但延展性差[5-7];铝合金材料则克服了钢材和FRP的缺陷有望成为一种新型的加固材料。国内外学者针对铝合金板加固做了大量研究,文献[8]采用外部粘贴铝合金条带的方式来增强混凝土梁的抗剪能力,并提出铝合金条带对混凝土梁的抗剪加固计算公式。同时,有学者针对铝合金加固梁提出了铝-混凝土组合梁承载力和刚度的数值分析模型[9],文献[10]为了研究铝合金材料和碳-环氧树脂复合材料的粘结界面行为,使用有限元方法模拟界面粘结破坏过程,试验结果表明界面粘结强度和失效模式很大程度上取决于粘结剂。由于铝合金板与混凝土粘接界面的粘结机理是一种比较复杂的物理与化学反应过程共同作用,导致目前对界面粘结滑移行为还没有完全理解和形成统一的认识[11-15]。为此本文通过不同参数下的双剪试验,研究铝合金板-混凝土界面的粘结破坏机理、界面的应力传递、界面粘结-滑移规律。并为后期的铝合金板加固混凝土进一步研究提供参考。

    • 试件设计过程中主要考虑了混凝土强度等级、铝合金板表面粗糙度、铝合金板粘结长度和粘结宽度对界面粘结强度的影响。试验根据4个参数进行了对比,分为15组,每组3个构件,一共45个构件,具体参数设计方案如表1。每个构件由混凝土试块、结构胶、铝合金板材3部分组成,混凝土试块设计强度等级为C30、C40,其组成成分为水、水泥、中砂及碎石。C30质量配合比为m水泥mmm=1.00∶1.90∶3.52∶0.60,C40质量配合比分别为m水泥mmm=1.00∶1.36∶2.89∶0.49,由预留混凝土立方体标准试块养护28 d测得,两种不同设计强度等级立方体抗压强度平均值分别为33.4 MPa、42.2 MPa,且混凝土试件尺寸均为300 mm×150 mm×150 mm。双剪试件具体构造及几何尺寸见图1,试验过程中采用的结构胶为广州西卡建筑材料有限公司生产的sika-30CN双组份、无溶剂、触变型环氧树脂结构胶。混凝土表面外贴板材型号为6061-T6,为了考察铝合金板表面粗糙度对粘结性能的影响,铝合金板表面做了两种不同机械加工刻痕处理,用来与自然光滑表面做对比。其中沟槽表面的处理方式为中心距20 mm,每一个沟槽有1 mm的深度和3 mm的宽度。钻孔表面设计为20 mm的竖向中心距,10 mm的横向中心距,1 mm的深度和3 mm的直径,如图2所示。

      表 1  试件设计

      Table 1.  Specimen design

      试件编号 混凝土强度等级 试件尺寸/mm 表面粗糙度 粘结宽度/mm 粘结长度/mm
      G-75-120-C40 C40 300×150×150 G类 75 120
      G-75-170-C40 C40 300×150×150 G类 75 170
      G-75-220-C40 C40 300×150×150 G类 75 220
      G-75-120-C30 C30 300×150×150 G类 75 120
      G-75-170-C30 C30 300×150×150 G类 75 170
      G-75-220-C30 C30 300×150×150 G类 75 220
      G-50-220-C40 C40 300×150×150 G类 50 220
      G-75-220-C40 C40 300×150×150 G类 75 220
      G-100-220-C40 C40 300×150×150 G类 100 220
      B-75-120-C40 C40 300×150×150 B类 75 120
      B-75-170-C40 C40 300×150×150 B类 75 170
      B-75-220-C40 C40 300×150×150 B类 75 220
      N-75-120-C40 C40 300×150×150 N类 75 120
      N-75-170-C40 C40 300×150×150 N类 75 170
      N-75-220-C40 C40 300×150×150 N类 75 220
      注:表中“G”表示沟槽表面,“B”表示钻孔表面,“N”表示自然表面,“G-75-120-C30”表示沟槽表面,75 mm的粘结宽度,粘结长度为120 mm,混凝土强度等级为C30。

      图  1  双剪试件示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of twin-shear specimen

      图  2  铝合金板不同表面处理方式

      Figure 2.  Different surface treatment of aluminum alloy

    • 本装置由钢立柱框架、穿力式千斤顶、刚性连杆、六边形连接件、钢套筒、螺帽、万向转铰、拉力传感器、铝合金板上下夹具、加劲肋支撑钢板、等组成,如图3所示。

      试验时千斤顶施加的力通过上、下夹具给混凝土施加竖向荷载,然后通过界面粘结方式传力给铝合金板,试验下部混凝土部分为非试验区,粘结长度为250 mm。试验上部分为试验区,有3种不同粘结长度,分别为120 mm、170 mm、220 mm。由于非试验区的粘结长度比试验区的要长,所以理想的破坏模式是试验区的铝合金板与混凝土之间的界面粘结失效破坏。为了防止试验过程中加载端混凝土(这里指通过铝合金板连接的混凝凝土试块端部)发生三角形拉裂破坏,在混凝土端部留有20 mm的非锚固区。由于本实验是严格的双剪试验,试验装置设置了可随意转动的上下两个半球铰,可在最大程度减少试件的受拉偏心,保证铝合金板处于纯剪受力状态。上下夹具固定上下两块混凝土试块,且夹具端部钢板只有20 mm的伸出长度,为了防止在试验过程中混凝土发生劈裂剪切破坏,在上、下夹具内预留了150 mm×145 mm×5 mm的薄钢板。试验时为了检查双剪构件是否对中及量测仪表能否正常工作,试验要进行预加载,加载速率控制在2 kN/min,预加载至8 kN时结束。正常加载时速率控制在2 kN/min,直至试件失效不能继续承载为止。

      图  3  双剪试验加载装置

      Figure 3.  Double shear test loading device

      试验过程中要采集的数据有千斤顶施加的竖向荷载值、试验区铝合金板在粘结区域中线各点的应变、铝合金板与混凝土在加载端与自由端的相对滑移。使用的仪器有蚌埠市一诺传感器有限公司生产的HK-T8拉力传感器、秦皇岛市北戴河兰德科技有限责任公司生产的WY系列位移传感器,浙江黄岩测试仪器厂生产的电阻应变片。试验区铝合金板中部以20 mm间距均匀粘贴应变片,同时为了预测铝板悬空段的拉力水平,在铝合金板中部也粘贴了一个应变片,应变片在铝合金板上面的测点布置如图4所示。为了实现数据的同步采集,这些仪器通过连接江苏东华测试技术股份有限公司生产的DH3821静态应变测试分析系统,并由电脑直接读取数值。

      图  4  铝合金板上应变测点布置示意图 /mm

      Figure 4.  Diagram of strain measurement points on aluminum alloy

    • 整个实验过程中没有出现铝合金板被拉断的现象,其破坏形态多为铝合金板与混凝土界面的剥离和分层破坏。试验加载初期,铝合金板应变值随着荷载的增加而逐渐增大。但只有靠近加载端的几个应变片有明显读数,此时加载端基本没有明显的滑移。随着荷载进一步的增加,应变片的读数向自由端转移,表明界面应力开始由加载端向自由端逐渐传递,并且可以听到铝合金板从混凝土表面剥离的声音,当荷载增加到接近极限荷载时,此时铝板加载端附近出现端部的局部剥离,铝合金板与混凝土之间产生界面裂缝,此时相对滑移明显增加;当荷载达到极限荷载时,滑移呈指数急剧增大,伴随着一声巨响,铝板从混凝土表面完全剥离,试件破坏无法继续承载,停止试验。

      试件B-75-170-C40-a为铝合金板-结构胶层分层破坏形式,其铝合金板表面没有粘附混凝土,出现这种分层破坏的原因是粘结树脂的粘结作用不足或者结构胶层太厚。试件G-100-220-C40-a为混凝土层剥离破坏,剥离下来的混凝土面积大于铝合金板的面积,并发现混凝土界面有一连串十分细小的悬臂柱。少部分试件铝板剥离时在混凝土端部15 mm×15 mm的三角柱状混凝土被拉扯下来。试件的典型破坏形态如图5所示。

      图  5  试件典型破坏形态

      Figure 5.  Typical failure mode of specimens

    • 通过在铝板表面中心线上连续布置电阻应变片,能精确的测量出沿铝合金板长度上的应变规律。应变片编号规则为自由端附近为1#截面,至铝板悬空段中部依次增大。图6所示为不同参数下的荷载-应变分布曲线图,横坐标表示千斤顶所加荷载,纵坐标表示铝合金板上的应变。

      图  6  各级荷载下铝合金板上的应变分布

      Figure 6.  Strain distribution of aluminum plate under various loads

      从总体上看,所有试件呈现出相同的应变变化规律:在初始加载阶段,只有加载端附近的应变测点读数有明显变化,此时铝板、胶粘剂和混凝土共同参与工作,荷载-应变曲线呈线性变化,而后随着荷载的增加,铝板与混凝土之间开始产生滑移,界面刚度减弱,荷载-应变变化规律呈现出非线性;在整个加载过程中无论粘结长度长短自由端附近应变读数都较小,说明这部分区域并没有进行应力传递;说明各试件都存在一个有效粘结长度,当超过这个有效粘结长度,应力将不会传递,从不同参数影响下的应变传递区域来看,可以得到有效粘结长度在80 mm~120 mm这个范围。同时随着混凝土的强度等级以及铝合金板的粘结宽度增加,界面剥离承载力也有所增加,而铝合金板表面的粗糙度对界面粘结性能的影响不大。应变线性阶段由加载端向自由端逐渐增加,说明界面损伤从加载端向自由端传递存在一个过程,加载端至自由端的曲线斜率变化依次降低,说明界面刚度损失程度依次降低;在达到极限荷载时,铝板都有一个应变突变急剧增大的过程,最终铝合金板从混凝土表面剥离。

    • 在不同荷载水平下,沿铝合金板与混凝土界面分布着局部剪应力,并且局部剪应力是界面粘结-滑移关系的一个重要的参数,根据公式 ${\tau _{\rm{i}}} = $ $ {t_{\rm{f}}}.\dfrac{{{\rm{d}}{\sigma _{\rm{f}i}}}}{{{\rm{d}}x}} = {t_{\rm{f}}}.{E_{\rm{f}}}.\dfrac{{{\rm{d}}{\varepsilon _{\rm{f}i}}}}{{{\rm{d}}x}}$ 可以得到相邻应变片之间铝合金板与混凝土界面的平均粘结剪应力。其中 ${t_{\rm{f}}}$ 为铝合金板材厚度, ${E_{\rm{f}}}$ 为铝合金弹性模量。图7为各级荷载下界面剪应力分布曲线,横坐标表示距混凝土加载端距离,纵坐标表示界面上的剪应力。

      加载初期,局部粘结剪应力主要分布在加载端附近区域。剪应力分布曲线大致为抛物线,且抛物线的最高点随着荷载的增加,不断向自由端转移,说明随着荷载的增加,加载端界面剪应力快速增长,并不断向自由端转移,当加载端附近剪应力减少至0时,表明界面开始剥离,直到界面完全剥离失效。在极限状态时,最大粘结剪应力一般情况下均出现在距离加载端60 mm~80 mm的位置,其值一般约为5 MPa~10 MPa。大量试验数据表明;粘结长度越长,其峰值剪应力越高,剪应力开始由加载端向自由端传递的速度越慢;混凝土强度等级越高,峰值剪应力值越高,剪应力开始由加载端向自由端传递的速度越快;粘结宽度越宽,其对峰值剪应力没有太大影响,剪应力开始由加载端向自由端传递的速度越快;同时G类、B类试件的峰值剪应力比N类试件要高,分析原因可能在截面削弱处产生应力集中,剪应力开始由加载端向自由端传递的速度要慢。

      图  7  各级荷载下界面剪应力分布曲线

      Figure 7.  The shear stress distribution curve of interface under various loads

    • 试验采用自行设计的位移计夹具在铝板加载端与自由端固定WY系列位移传感器的方法来测量相对滑移。相对滑移值反映了加载过程中铝合金板与混凝土之间的位移差值,也间接的反映了界面的粘结刚度。由试验结果可知,在整个加载过程中各试件的铝合金板/混凝土界面自由端相对滑移几乎为0,可以忽略不计,因此仅考虑铝合金板/混凝土在加载端的相对滑移。

      图8表示不同参数下的相对滑移演化规律,可以看出所有曲线大致呈现出相同的规律:1)线性增长阶段,滑移随荷载的增长呈线性增长,此时界面三种材料共同工作,协同变形;2)快速增长阶段,滑移随着荷载的增加出现非线性增长,界面开始出现损伤,界面刚度变弱;3)失稳增长阶段,加载端界面开始剥离,此时荷载不再增加但滑移会迅速增长。

      图8中4个参数分别分析可知,经过表面粗糙度加工处理后的G类、B类试件相比N类试件相对滑移还有一定程度的增加,可能是表面加工处理后试件截面刚度会降低,且界面受力时更容易出现应力集中现象,导致剪应力值较大的截面过早的出现损伤软化,因此界面的粘结刚度会变弱。并且混凝土强度等级越高,其界面粘结刚度越大,相对滑移值越小,这是因为混凝土强度等级越高,混凝土表面抗拉强度越大,混凝土、结构胶与铝板三者之间的共同相互作用增强,导致粘结界面的刚度变大,滑移值变小。同时粘结宽度越宽的试件,界面粘结刚度越大,相对滑移值越小,达到极限荷载时的滑移值越大。但粘结长度对试件的初始粘结刚度并没有太大影响,初始曲线斜率基本保持一致。在加载后期,有效粘结长度范围内,粘结长度越短的试件应力传递速度更快,界面损伤更快发生,界面粘结刚度下降更快,导致在相同荷载作用下滑移值最大。粘结长度越长的试件,破坏时的滑移值越大。

      图  8  不同参数下铝合金板/混凝土加载端的相对滑移规律

      Figure 8.  Relative slip evolution rule under the influence of different parameters

    • 表2为各试件的极限承载力、界面平均粘结强度的具体试验结果,为了能直观观察出不同参数下的极限承载力规律,分别绘画出不同参数下的极限承载力柱状图如图9,从图中可知,当混凝土强度等级为C40,对于N类,当粘结长度为170 mm时,试件的极限承载力较120 mm时提高了10.4%;当粘结长度为220 mm时,试件的极限承载力较170 mm时提高了22.3%。但G类、B类铝合金板相对于N类铝合金板,其极限承载力并没有提高。铝合金板的粘结承载力会随着粘结宽度的增加而增加,当试件类型为G类,混凝土强度等级为C40,粘结长度为220 mm时,粘结宽度为75 mm的试件比粘结宽度为50 mm的试件承载力提高了69.8%,粘结宽度为100 mm的试件比粘结宽度为75 mm的试件承载力提高了25.5%。

      表 2  试验结果

      Table 2.  Experimental results

      试件编号 极限荷载Pu/kN 粘结强度τavg/MPa 加载端相对滑
      移值S/mm
      G-75-120-C40 52.05 2.89 0.135
      G-75-170-C40 59.70 2.34 0.103
      G-75-220-C40 64.80 1.96 0.157
      G-75-120-C30 38.50 2.14 0.238
      G-75-170-C30 52.30 2.05 0.110
      G-75-220-C30 61.30 1.86 0.143
      G-50-220-C40 38.17 1.73 0.177
      G-100-220-C40 81.30 1.85 0.681
      B-75-120-C40 48.80 2.71 0.167
      B-75-170-C40 56.20 2.20 0.149
      B-75-220-C40 61.70 1.87 0.133
      N-75-120-C40 54.80 3.04 0.092
      N-75-170-C40 60.50 2.37 0.109
      N-75-220-C40 74.00 2.24 0.122

      图  9  试验基本参数对界面极限承载力及粘结强度影响

      Figure 9.  Effect of basic test parameters on interface ultimate bearing capacity and bonding strength

      根据图9(c)可知,当试件类型为G类,铝合金板宽为75mm时,粘结长度为120 mm的C40试件比C30试件极限承载力提高了35.2%,粘结长度为170 mm的C40试件比C30试件极限承载力提高了14.1%,粘结长度为220 mm的C40试件比C30试件极限承载力提高了5.7%,表明随着混凝土的强度等级增加,铝合金板的粘结强度也会增加。

      根据以上试验研究总结:试件的极限荷载会随着铝合金板的粘结长度和宽度以及混凝土的强度等级的增加而增加,而增加铝合金板表面粗糙度并未达到试验预期效果,没有随着刻痕而增加界面的极限承载力,分析原因可能是对铝板表面做的处理虽然增加粘胶面积,增加了化学胶结力,但是截面削弱处更容易产生应力集中现象,使应力最大处界面过早软化,在此处首先产生滑移,界面粘结强度降低,使试件承载力降低。

    • (1)铝合金板-混凝土的双剪试验的破坏主要发生在铝合金板和混凝土之间的胶层界面,并且破坏形态为剥离和分层两种,破坏前构件没有明显征兆,属于脆性破坏。

      (2)铝合金板-混凝土界面的受力过程是界面应力逐步从加载端向自由端传递的过程,且从应力传递区域来看,各试件均存在一个有效粘结长度值,超过该值应力即不再进行传递。

      (3)不同参数条件对试件的影响界面应力的影响:粘结长度越短、粘结宽度越小、混凝土强度等级越低的试件界面应力传递速度越快;不同表面粗糙度的的试件应变分布曲线规律基本保持一致,且应变大小也基本相同,说明铝板表面处理对试件应变分布、承载力的提高并没有实质影响。

      (4)不同参数条件下铝合金板/混凝土在加载端与自由端相对滑移的影响:提高混凝土强度等级、增加粘结宽度,可以增加界面粘结刚度;粘结长度对界面粘结刚度没有太大影响,但可以增加试件的延性;对于表面粗糙度不同的试件,N类表面粘结刚度最大,G类次之,B类最小。

      (5)不同参数条件对试件剥离承载力和粘结强度的影响:增加粘结长度、粘结宽度、提高混凝土强度等级能够提高试件剥离承载力,尤以粘结宽度影响最为显著,而铝合金板表面处理对剥离承载力并没有实质影响;增加粘结长度粘结强度有所降低,粘结宽度和铝板板表面处理对粘结强度影响不大,提高混凝土强度等级粘结强度增加。

参考文献 (15)

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