榮學(xué)亮，黃 僑

（東南大學(xué) 交通學(xué)院，南京 210096）

鋼－混組合梁橋在中國屬于“年輕”的結(jié)構(gòu)形式，但在公路和城市橋梁建設(shè)中已得到了廣泛的應(yīng)用，自1992年在北京修建了第一座車行組合梁橋——積水潭橋開始，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅北京市的立交橋建設(shè)中，就有50多座采用了這種橋型。經(jīng)過20a左右的營運(yùn)使用，早期修建的這些組合梁橋已經(jīng)進(jìn)入了生命周期的第一個階段點(diǎn)，該階段點(diǎn)主要性能特征包括：橋面板局部破損甚至開裂、結(jié)合面處受到侵蝕；鋼梁表面防腐措施失效；鋼梁構(gòu)件連接（鉚接、栓接、焊縫等）松動、銹蝕、疲勞，出現(xiàn)裂紋；鋼梁局部損傷、疲勞裂紋等[1－2]。

剪力鍵作為鋼－混組合梁橋的關(guān)鍵構(gòu)件，其抗疲勞及耐久性直接影響到鋼－混組合梁橋的耐久性能和使用壽命。目前對組合梁橋剪力鍵進(jìn)行的靜力試驗(yàn)以及疲勞試驗(yàn)已有很多，只是類似試驗(yàn)均是針對設(shè)計(jì)階段完好無損的剪力鍵而進(jìn)行的[3－14]。一般情況下包裹于混凝土橋面板內(nèi)的栓釘連接件不會受到外部環(huán)境的侵蝕作用而發(fā)生銹蝕，但是當(dāng)混凝土橋面板開裂導(dǎo)致雨水滲入，結(jié)合面密實(shí)性能不好出現(xiàn)積水受到氯離子侵蝕，或者橋面板更換施工時(shí)保護(hù)措施不當(dāng)?shù)惹闆r時(shí)，都可能會導(dǎo)致栓釘連接件的防護(hù)措施失效而引起銹蝕，而銹蝕后的栓釘連接件的極限承載力與設(shè)計(jì)階段相比退化程度如何，目前尚無研究報(bào)道。

基于上述考慮，該文擬對銹蝕栓釘連接件的靜力工作性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，為組合梁橋的耐久性定量分析提供依據(jù)。首先分析并確定栓釘連接件可能遭受的環(huán)境侵蝕作用，然后采用人工電化學(xué)快速銹蝕方法模擬栓釘連接件受到的侵蝕作用，通過對電流或電壓的控制使栓釘達(dá)到設(shè)計(jì)的銹蝕量。然后對銹蝕后的栓釘連接件的進(jìn)行靜載破壞試驗(yàn)，觀測荷載－滑移性能，極限承載力等基本力學(xué)性能的變化。

1 推出試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概述

試驗(yàn)對銹蝕栓釘連接件的靜力工作性能進(jìn)行研究，主要包括兩方面的內(nèi)容，首先是對標(biāo)準(zhǔn)推出受剪試件進(jìn)行人工電化學(xué)快速銹蝕試驗(yàn)，使推出試件中的栓釘按照預(yù)先設(shè)計(jì)的銹蝕參數(shù)達(dá)到相應(yīng)的銹蝕程度；然后對銹蝕后的推出試件進(jìn)行靜載破壞試驗(yàn)，測量質(zhì)量損失率、銹蝕位置，銹坑深度以及最小直徑比等反應(yīng)栓釘銹蝕特性的參數(shù)對栓釘抗剪承載力的影響。試驗(yàn)共包括12個標(biāo)準(zhǔn)推出受剪試件的破壞試驗(yàn)，考慮實(shí)際可能的銹蝕情形，試驗(yàn)設(shè)計(jì)分類總體包括3種情形，分別是無銹蝕試件、栓釘釘桿（靠近結(jié)合面）銹蝕、栓釘大頭端部銹蝕，具體的試件設(shè)計(jì)分及相關(guān)參數(shù)類見表1。

表1 銹蝕栓釘靜載破壞試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2 試件尺寸及材料

試驗(yàn)采用剪力連接件常用的推出試驗(yàn)方法，試件設(shè)計(jì)參考?xì)W洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會ECCS《組合結(jié)構(gòu)規(guī)范》推薦的推出受剪試件尺寸及配筋[3－4]，具體試件構(gòu)造設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 推出受剪試件的結(jié)構(gòu)圖（mm）

試件中的鋼梁采用Q235鋼材，選用H型鋼HW 250（H）×255（B）×14（t1）×14（t2），鋼梁長560mm，混凝土翼板由2塊460mm×560mm×150mm的混凝土翼板組成，混凝土等級為C50，翼板內(nèi)配2層鋼筋網(wǎng)，鋼筋選用φ10的HRB335熱軋鋼筋，截面配筋率為0.75%，滿足最小配筋率的要求。每塊混凝土翼板通過2個栓釘剪力鍵與鋼梁連接在一起，按照GB／T 10433—2002選用直徑φ16mm的栓釘、長度90mm，栓釘長度與直徑之比大于4，按規(guī)范要求栓釘用材料為ML-15。

試驗(yàn)前，首先對試件中使用的材料進(jìn)行相關(guān)的力學(xué)性能試驗(yàn)。對于混凝土材料，在澆筑試件的同時(shí)，按照規(guī)范要求制作了15cm×15cm×15cm的標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體石塊，并與推出試件進(jìn)行靜載破壞的同一時(shí)間進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)立方體石塊的壓壞試驗(yàn)，混凝土力學(xué)性能指標(biāo)見表2。栓釘連接件經(jīng)過材料拉伸試驗(yàn)后測得力學(xué)性能指標(biāo)為：屈服強(qiáng)度440N／mm2，極限強(qiáng)度528N／mm2，彈性模量216000N／mm2。

表2 混凝土材料力學(xué)性能指標(biāo)

1.3 人工快速銹蝕試驗(yàn)

當(dāng)包裹栓釘?shù)幕炷涟宄霈F(xiàn)裂縫后，鹽水、雨水等物質(zhì)侵入導(dǎo)致栓釘銹蝕，依據(jù)鋼筋銹蝕的電化學(xué)機(jī)理可知銹蝕的大致過程可以描述為圖2所示。對于試驗(yàn)中的推出試件來說，要人工快速模擬電化學(xué)腐蝕過程，需要滿足2個條件：1）混凝土板出現(xiàn)裂縫，減小栓釘外圍的混凝土保護(hù)層厚度以及便于鹽水侵入；2）增加氯離子濃度，并增加外部電源以加快電化學(xué)反應(yīng)速度。人工快速銹蝕試驗(yàn)布置見圖3。

圖2 栓釘銹蝕基本過程

圖3 栓釘電化學(xué)銹蝕試驗(yàn)布置圖

試件中栓釘銹蝕損失的重量與電極的電流強(qiáng)度和通電時(shí)間的關(guān)系可按法拉第定律確定：

式中：Δw為鋼筋銹蝕損失重量，g，可按Δw＝ρww計(jì)算；w為待銹蝕栓釘質(zhì)量，試件中所用一個栓釘?shù)馁|(zhì)量為179g，則w＝179g×2＝358g；ρw為重量銹蝕率，試驗(yàn)時(shí)已預(yù)先對栓釘銹蝕5%，所以計(jì)算時(shí)，ρw值應(yīng)分別取為5%和15%；M為鐵的相對原子量，取26；I為通過電極的電流強(qiáng)度，A，可按式I＝ai計(jì)算，其中，a為栓釘?shù)谋砻娣e；i為控制電流密度；F為法拉第常數(shù)，F(xiàn)＝96490C·mol－1。

1.4 靜載破壞試驗(yàn)

靜載破壞試驗(yàn)在壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)前在加載臺上先均勻鋪一層細(xì)沙以消除摩擦力的影響，之后分別將連接件試件、傳力鋼板、壓力傳感器等依次安置好，加載系統(tǒng)通過鋼梁端部的鋼板把力傳遞到鋼梁上。加載時(shí)采用緩慢連續(xù)方式加載，荷載不分級，初期加載頻率6kN／min，后期以相對滑移量控制加載速度，每個試件的加載時(shí)間在2h左右[5]。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 銹蝕結(jié)果

按照預(yù)先方案進(jìn)行的人工快速銹蝕試驗(yàn)基本達(dá)到了試驗(yàn)要求，圖4為栓釘根部結(jié)合面處銹蝕和栓釘大頭端部銹蝕的實(shí)際照片。試驗(yàn)完成后，將栓釘鑿出并進(jìn)行清洗、浸泡，經(jīng)過稱重和測量，實(shí)際銹蝕狀況見表3。

表3 栓釘銹蝕特性

圖4 栓釘銹蝕圖

2.2 極限承載力

2.2.1 栓釘?shù)臉O限抗剪承載力計(jì)算 栓釘是鋼－混凝土組合梁橋中應(yīng)用最廣泛的一種連接件形式，從20世紀(jì)60年代開始學(xué)者們曾對栓釘連接件的抗剪承載力作了大量的試驗(yàn)工作，連接件的試驗(yàn)方法有推出試驗(yàn)及梁式試驗(yàn)2種，推出試驗(yàn)結(jié)果大約是梁式試驗(yàn)結(jié)果下限，一般均以推出試驗(yàn)結(jié)果作為制定規(guī)范的依據(jù)。推出試驗(yàn)中栓釘連接件的破壞形式基本有3種情況，分別是栓釘附近混凝土局部受壓破壞、栓釘剪斷破壞以及連接焊縫破壞，由于焊縫破壞導(dǎo)致栓釘連接件的承載力不能充分發(fā)揮，因此這種破壞是應(yīng)該竭力避免的。而另外2種破壞形式主要受混凝土強(qiáng)度的影響，當(dāng)混凝土強(qiáng)度較高時(shí)容易發(fā)生栓釘剪斷破壞，當(dāng)混凝土強(qiáng)度較低時(shí)，容易發(fā)生混凝土局部壓碎破壞[6－7]。

試驗(yàn)中采用了C50高強(qiáng)度混凝土，從試驗(yàn)結(jié)果來看，12個試件中除了1個發(fā)生焊縫破壞外，其余均為栓釘剪斷破壞。式（2）[8－9]為目前應(yīng)用較多的栓釘破壞時(shí)的承載力計(jì)算式，文獻(xiàn)[10]中也推薦了一種高強(qiáng)度混凝土試件的栓釘承載力計(jì)算式。表4中給出了S1系列試件（無銹蝕試件）承載力的試驗(yàn)結(jié)果，以及與上述2種計(jì)算式的對比情況。

式中：Nvu為單個栓釘?shù)臉O限抗剪承載力；d為栓釘直徑；fu為栓釘?shù)臉O限強(qiáng)度；f′c為150mm×300mm混凝土圓柱體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；Ec為混凝土的彈性模量；ks和kc分別取1.0和0.374。

從表中可以看出，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算公式吻合較好，試驗(yàn)值略微大一些，比較2式的對比情況，式（2）的計(jì)算精度更高一些，因此推薦式（2）作為栓釘極限承載力的計(jì)算式。由于目前橋梁規(guī)范中采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，按分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此由式（2）計(jì)算的Nvu為栓釘極限承載力，不能直接用于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算。本文通過對試驗(yàn)中的S1試件以及其他相關(guān)推出試驗(yàn)試件的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建議取Nvu，k＝0.808 Nvu和Nvu，d＝0.667 Nvu分別作為鋼－高強(qiáng)混凝土組合梁中的栓釘抗剪承載力標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值參與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。

表4 單個栓釘極限承載力試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算的比較

2.2.2 銹蝕栓釘承載力 表5中給出了銹蝕栓釘S2、S3、S4推出試驗(yàn)極限承載力的試驗(yàn)結(jié)果。從表中可以看出栓釘銹蝕后其抗剪承載力有明顯下降。從力學(xué)情況來分析，在標(biāo)準(zhǔn)推出試驗(yàn)中，栓釘受拉剪組合作用，以剪為主。當(dāng)混凝土強(qiáng)度較高時(shí)，栓釘主要發(fā)生根部剪斷破壞，其極限承載力受本身材料性能、栓釘直徑、栓釘長度等因素的影響。栓釘銹蝕位置若產(chǎn)生在釘桿尤其是靠近根部時(shí)，首先直接削弱截面尺寸，降低承載力，其次銹蝕影響栓釘與混凝土之間的粘結(jié)性能。已有研究表明[11]，混凝土包裹栓釘起到緊箍擠壓作用能夠有效的提高栓釘?shù)臉O限承載力，而銹蝕引起保護(hù)層漲裂降低了混凝土與栓釘之間的相互作用，使得栓釘?shù)臉O限承載力也受到一定程度的損失。因此當(dāng)銹蝕發(fā)生在釘桿尤其靠近根部位置時(shí)，對栓釘極限承載力的影響最大。表5中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)，S2、S3試件均為釘桿（根部附近）發(fā)生銹蝕。S2試件銹蝕質(zhì)量損失率約為10%左右，此時(shí)栓釘極限承載力降低3%到12%。S3試件中，質(zhì)量損失率達(dá)到20%左右，此時(shí)最大截面損失率為12%，最大銹坑深度2.9mm，其極限承載力降低了14%到18%。S4試件主要在栓釘大頭端部發(fā)生了銹蝕，其質(zhì)量損失率在21%到28%之間，從試驗(yàn)結(jié)果看出，其極限承載力下降不多，約為3%左右。

表5 單個銹蝕栓釘極限承載力試驗(yàn)結(jié)果

2.3 變形性能

1）連接件的變形性能一般用它的荷載－滑移曲線（Nv－Δ）表示[12－15]。栓釘連接件所受的荷載剪力Nv與滑移Δ的關(guān)系可用式（3）表示：Nvu可由試驗(yàn)測得，試驗(yàn)中Nvu＝113.5kN，代入上式即可得試驗(yàn)中無銹蝕栓釘連接件的荷載－滑移曲線，見圖5中（a）所示。與S1組3個無銹蝕試件的試驗(yàn)結(jié)果相比，通過圖中可以看出，理論計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線吻合較好，因此該公式能夠較好的反應(yīng)栓釘連接件的荷載－滑移性能。

式中：Nv為栓釘連接件受到的剪力作用；Δ為滑移量，mm。

圖5 各組試件的荷載－滑移曲線

2）圖5中的（b）、（c）為S2、S3組試件的荷載滑移曲線。這2組試件的栓釘銹蝕位置均在釘桿（靠近根部附近），銹蝕量分別為10%左右和20%左右。2個圖中的理論曲線均為由式（3）所繪出的理論計(jì)算曲線，該式的可靠性已經(jīng)過圖（a）中的S1試件試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證。圖（b）中的S22由于施工問題而發(fā)生了焊縫破壞，因此不加入分析。

通過2個圖可以看出，銹蝕栓釘S21、S23的荷載－滑移性能與無銹蝕栓釘相比，在前期變化比較明顯，加載初期，相同荷載作用下，銹蝕栓釘?shù)幕屏棵黠@大于無銹蝕栓釘。從0加載至50kN（4個栓釘共同承擔(dān)）時(shí)有一個比較大的滑移量，然后增加趨勢減小，呈線性變化，加載至320kN時(shí)，與無銹蝕栓釘?shù)幕屏炕鞠嗤?，然后直至破壞，極限承載力略微降低，與極限荷載相對應(yīng)的滑移量比無銹蝕栓釘要小。

栓釘S31、S32、S33的銹蝕狀況比較均勻，主要為釘桿部位均勻銹蝕，其荷載－滑移曲線比較平順，但與無銹蝕栓釘相比有2個顯著特點(diǎn)，一是滑移量增長更快，這意味著栓釘抗剪剛度的降低；二是與極限荷載相對應(yīng)的滑移量更小，約為無銹蝕栓釘?shù)?8%，這意味著結(jié)構(gòu)預(yù)警時(shí)間和安全余地的減小，這些對于結(jié)構(gòu)安全來說都是極為不利的。

3）S41、S42、S43為一組大頭端部銹蝕，質(zhì)量損失率約為20%的栓釘，圖5中的（d）為其荷載－滑移曲線圖，從中可以看出，大頭端部銹蝕對栓釘連接件（標(biāo)準(zhǔn)推出試驗(yàn)）的極限承載力影響并不大，但對其變形性能有較大影響。當(dāng)栓釘承受的荷載約為其極限荷載30%到50%時(shí)，這也是工程中栓釘?shù)膶?shí)際大致工作狀態(tài)，即使與銹蝕栓釘組S2、S3相比，其滑移量的變化也很大，約為0.58～0.93mm，而無銹蝕栓釘同樣荷載區(qū)間的滑移量僅為0.07～0.25mm?；屏康脑龃笠馕吨Y(jié)構(gòu)撓度的增加，這是結(jié)構(gòu)運(yùn)營不容忽視的問題。

3 結(jié) 論

1）S1組試件的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了式（2）、（3）的可靠性和準(zhǔn)確度，因此推薦式（2）、（3）分別作為鋼-高強(qiáng)度混凝土組合梁結(jié)構(gòu)中栓釘連接件的極限承載力和荷載－滑移關(guān)系的計(jì)算公式。

2）當(dāng)栓釘連接件的釘桿尤其是靠近結(jié)合面處發(fā)生銹蝕時(shí)，栓釘連接件的承載力和變形性能都受到很大影響，隨著銹蝕程度的增加，承載力不斷降低，栓釘抗剪剛度減小，彈性工作階段相對滑移量隨之增加，而與極限荷載相對應(yīng)的滑移量則呈減小趨勢。從S31試件來看，當(dāng)栓釘銹蝕質(zhì)量損失率達(dá)到21.4%，最大銹坑深度為2.9mm，最大截面損失率為12%時(shí)，其極限承載力降低了18%，與極限荷載相對應(yīng)的滑移量減小了12%。

3）栓釘連接件大頭端部銹蝕質(zhì)量損失率約20%時(shí)，極限承載力僅下降3%，但變形性能受到的影響很大，尤其在0.3 Nvu～0.5 Nvu的荷載區(qū)間，這也是正常使用狀態(tài)下栓釘承受的荷載范圍，此時(shí)其滑移量由無銹蝕時(shí)的0.07～0.25mm增長至0.58～0.93mm。

[1]樊建生，聶建國.鋼－混凝土組合梁研究及應(yīng)用新進(jìn)展[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2006，8（5）：35-39.FAN JIAN-SHENG，NIE JIAN-GUO.Progress in research and application of composite steel-concrete bridges[J].Progress in Steel Building Structures，2006，8（5）：35-39.

[2]黃僑，榮學(xué)亮，陸軍.既有鋼－混組合梁橋常見病害分析及其加固策略[C]／／南京：全國既有橋梁加固、改造與評價(jià)學(xué)術(shù)會議，2008：159-164.

[3]朱聘儒.鋼－混凝土組合梁設(shè)計(jì)原理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[4]NGUYEN H T，KIM S E.Finite element modeling of push-out tests for large stud shear connectors[J].Journal of Constructional Steel Research，2009，65（10）：1909-1920.

[5]蘇慶田，劉玉擎，曾明根.蘇通大橋索塔栓釘剪力連接件的力學(xué)性能試驗(yàn) [J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，36（7）：916-921.SU QING-TIAN，LIU YU-QING，ZENG MING-GEN.Experiments on stud shear connectors in cable-pylon of Sutong bridge[J].Journal of Tongji University：Natural Science，2008，36（7）：916-921.

[6]白玲，曾敏.組合梁中栓釘剪力鍵的受力特性分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2005，20（2）：28-31.BAI LING，ZENG MIN. Analysis of forced characteristics of stud connector for composite bridge[J].Steel Structure，2005，20（2）：28-31.

[7]XUE W C，DING M，WANG H，et al.Static behavior and theoretical model of stud shear connectors[J].Journal of Bridge Engineering，2008，13（6）：623-634.

[8]HANSWILLE G，PORSCH M，USTUNDAG C.Resistance of headed studs subjected to fatigue loading Part I：Experimental study[J].Journal of Constructional Steel Research，2007，63（4）：475-484.

[9]HANSWILLE G，PORSCH M，USTUNDAG C.Resistance of headed studs subjected to fatigue loading Part II：Analytical study[J].Journal of Constructional Steel Research，2007，63（4）：485-493.

[10]丁敏，薛偉辰，王驊.鋼－高性能混凝土組合梁栓釘連接件抗剪性能的試驗(yàn) [J].工業(yè)建筑，2007，37（8）：9-13.DING MIN， XUE WEI-CHEN， WANG HUA.Experiment on stud shear connectors in steel-high performance concrete composite beams [J].Industrial Construction，2007，37（8）：9-13.

[11]聶建國，沈聚敏，袁彥聲，等.鋼－混凝土組合梁中剪力連接件實(shí)際承載力的研究 [J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1996，17（2）：21-28.NIE JIAN-GUO，SHEN JU-MIN，YUAN YANSHENG，et al.Experimental and analysis of actual shear capacity of shear connectors in composite steel-concrete beams[J].Journal of Building Structure，1996，17（2）：21-28.

[12]OLLGAARD J G，SLUTTER R G，F(xiàn)ISHER J W.Shear strength of stud connectors in light-weight and normal-weight concrete[J].AISC Eng.Journal，1971：55-64.

[13]LAM D，EI-LOBODY E.Behavior of headed stud shear connectors in composite beam [J].Journal of Structural Engineering，2005，131（1）：96-107.

[14]LI A，KRISTER C.Push-out tests on studs in high strength and normal strength concrete[J].Journal of Constructional Steel Research，1996，36（1）：15-29.

[15]周凌宇，余志武，蔣麗忠.鋼－混凝土組合梁界面滑移剪切變形的雙重效應(yīng)分析 [J].工程力學(xué)，2005，22（2）：104-109.ZHOU LING-YU，YU ZHI-WU，JIANG LI-ZHONG.Analysis of composite beams of steel and concrete with slip and shear deformation[J].Engineering Mechanics，2005，22（2）：104-109.