藺釗飛，劉玉擎

（同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092）

大直徑焊釘連接件抗剪性能試驗(yàn)

藺釗飛，劉玉擎

（同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092）

為了解決部分情況下組合結(jié)構(gòu)橋梁鋼 混結(jié)合面焊釘布置過密的問題，通過直徑22mm，25mm和30mm焊釘?shù)目辜舫休d性能模型試驗(yàn)比較分析了直徑25mm和30mm大直徑焊釘相對于直徑22mm常規(guī)焊釘破壞模態(tài)、承載力、剛度和變形性能的差異，并對國內(nèi)外橋梁規(guī)范中焊釘抗剪承載力設(shè)計式對于大直徑焊釘?shù)倪m用性進(jìn)行了評估.研究結(jié)果表明，相對于直徑22mm焊釘，直徑25mm和30mm焊釘?shù)目辜舫休d力平均增大約14%和42%，抗剪剛度平均增大約35%和106%.《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范（送審稿）》、規(guī)范Eurocode 4和規(guī)范AASHTO LRFD中的抗剪承載力設(shè)計式均可較為保守地計算大直徑焊釘?shù)目辜舫休d力，其中Eurocode 4最為保守.試驗(yàn)值與設(shè)計值的比值隨焊釘直徑的增加而減小.

組合結(jié)構(gòu)橋梁；焊釘連接件；抗剪性能；模型試驗(yàn)；大直徑

組合結(jié)構(gòu)橋梁常在鋼 混凝土結(jié)合面布置焊釘連接件來抵抗結(jié)合面的剪力和分離.既往研究和實(shí)橋應(yīng)用主要集中于直徑不大于22mm的焊釘［1-3］，因?yàn)槠湓诖蠖鄶?shù)情況下均能滿足設(shè)計的要求.然而，隨著組合結(jié)構(gòu)橋梁跨徑的增大，在主梁剪力較大區(qū)段需要沿翼緣橫向布置多列焊釘，造成實(shí)際布置較為困難且焊接工作量大［4-5］.當(dāng)采用群釘連接件連接預(yù)制橋面板與鋼翼緣時，常規(guī)直徑焊釘需密布，導(dǎo)致群釘剪力分布不均勻，承載力存在一定程度的折減［6］.此外，斜拉橋索塔錨固區(qū)鋼 混結(jié)合面的焊釘需傳遞較大的索力，而結(jié)合面相對較小，且混凝土橋塔鋼筋布置密集，采用常規(guī)直徑焊釘將導(dǎo)致布置困難；鑒于此，國內(nèi)某斜拉橋在索塔錨固區(qū)采用直徑25 mm焊釘以解決該問題［7］.

大直徑焊釘由于具有更大的截面面積，使得其延性破壞下抗剪承載力有較大的提高，故通過采用大直徑焊釘可有效減少結(jié)合面所需焊釘個數(shù)和解決在剪力較大區(qū)域焊釘布置困難的問題.《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范（送審稿）》和規(guī)范Eurocode 4［8］中規(guī)定焊釘最大直徑不得超過25mm；規(guī)范AASHTO LRFD［9］未給出焊釘直徑上限.Badie等［4］通過推出試驗(yàn)和足尺梁式試驗(yàn)研究了直徑31.8mm焊釘?shù)目辜舫休d性能和抗疲勞性能，結(jié)果表明，相對于常規(guī)直徑焊釘，大直徑焊釘具有更高的抗剪承載力和抗疲勞性能，可有效減少組合梁結(jié)合面所需焊釘個數(shù)，加快施工速度和減小橋面板拆除的困難，并將該大直徑焊釘應(yīng)用在一座三跨連續(xù)梁橋中.Shim等［5］采用推出試驗(yàn)研究了直徑25mm，27mm和30mm焊釘抗剪承載性能，結(jié)果表明，大直徑焊釘具有更高的承載力.

本文進(jìn)行了3組焊釘抗剪承載性能模型試驗(yàn)，比較分析了大直徑焊釘與常規(guī)直徑焊釘在破壞模態(tài)、承載力、剛度和變形性能方面的差異，并對國內(nèi)外橋梁規(guī)范中抗剪承載力設(shè)計式對于大直徑焊釘?shù)倪m用性進(jìn)行了評估.

1 模型試驗(yàn)

1.1 模型試件

制作和測試了SN1，SN2和SN3共3組焊釘連接件抗剪承載性能模型試件，其直徑ds分別為22 mm，25mm和30mm.所有試件焊釘高度hs均為200mm.

圖1 試件尺寸（單位：mm）Fig.1 Details of test specimens（unit：mm）

除焊釘外所有模型試件構(gòu)造均相同，SN1試件構(gòu)造如圖1所示.鋼結(jié)構(gòu)部分由2塊焊接T形鋼板通過連接板和高強(qiáng)螺栓拼接而成，鋼結(jié)構(gòu)翼緣板上焊接焊釘連接件.在與混凝土接觸的鋼翼緣板上涂抹潤滑油以減小鋼與混凝土間的黏結(jié)力和摩擦力，焊釘正立澆筑混凝土.沿剪力作用方向布置4層鋼筋網(wǎng)，鋼筋N1，N2和N3直徑分別為20mm，16mm和20mm.

1.2 材料特性

混凝土選用C60等級，在澆筑試件同時，制作邊長為150mm的標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊，以確定混凝土的抗壓強(qiáng)度.分別在養(yǎng)護(hù)28d和進(jìn)行模型試驗(yàn)當(dāng)天（33d）進(jìn)行3個立方體試塊的抗壓強(qiáng)度（fcu）試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1.

表1 混凝土抗壓強(qiáng)度Tab.1 Compressive strength of concrete

按照文獻(xiàn)［10］選用直徑為22mm和25mm的焊釘.直徑30mm焊釘向廠家訂做.文獻(xiàn)［10］規(guī)定焊釘材料屈服強(qiáng)度fsy和抗拉強(qiáng)度fsu最小值分別為320MPa和400MPa.鋼筋采用HRB335熱軋鋼筋，鋼板材質(zhì)采用Q345C.焊釘、鋼筋和鋼板的實(shí)測材料特性由供應(yīng)商提供，見表2.

表2 鋼材材料特性Tab.2 Properties of steel materials

1.3 測試與加載

圖2 加載裝置Fig.2 Test setup

加載裝置如圖2所示，在鋼梁頂面采用千斤頂對試件兩側(cè)對稱施加推壓力，使焊釘處于受剪狀態(tài).試件混凝土底部布置沙墊層以確保結(jié)構(gòu)兩側(cè)施力和受力的均勻，并在試件的前后兩側(cè)與焊釘?shù)雀咛幑膊贾?個位移計，測試鋼板與混凝土塊之間的相對滑移值，取位移計平均值作為相對滑移的結(jié)果.加載前期采用力控制，加載速率為5kN·min-1，加載至約70%的預(yù)估極限荷載時改為位移控制，加載速率為0.6mm·min-1，直至荷載下降至最大荷載的80%或發(fā)生明顯破壞.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞模態(tài)

所有模型試件均為焊釘桿根部剪斷破壞，如圖3所示.大直徑焊釘與常規(guī)直徑焊釘相同，亦為鋼梁側(cè)沿焊腳頂部的剪斷，混凝土側(cè)焊釘根部下方局部混凝土壓潰，混凝土表面未出現(xiàn)裂縫.

圖3 破壞形態(tài)Fig.3 Failure modes

2.2 抗剪承載力

抗剪承載力試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，其中SN1有1個試件由于位移計損壞未列出.由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著焊釘直徑的增加，抗剪承載力逐漸增大，相對于直徑22mm焊釘，直徑25mm和30mm焊釘?shù)目辜舫休d力平均增加約14%和42%.

2.3 抗剪剛度

抗剪剛度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，抗剪剛度取剪力 滑移曲線上50%最大荷載處的割線模量.相對于直徑22mm焊釘，直徑25mm和30mm焊釘?shù)目辜魟偠入S焊釘直徑的增加而增大，平均增大約35%和106%.可見，直徑對于焊釘?shù)目辜魟偠仍龃笞饔幂^為顯著.

2.4 極限滑移

極限滑移試驗(yàn)結(jié)果見表3.規(guī)范Eurocode 4以剪力 滑移曲線下降段中對應(yīng)90%最大剪力的滑移作為極限滑移，表征焊釘?shù)淖冃文芰?相對于直徑22 mm焊釘，直徑25mm焊釘?shù)臉O限滑移平均增大約11%，而直徑30mm焊釘則平均減少約6%，延性略有降低.

3 抗剪承載力設(shè)計式比較分析

為了評估現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計式對大直徑焊釘?shù)倪m用性，選取《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范（送審稿）》、規(guī)范Eurocode 4［8］和規(guī)范AASHTO LRFD［9］這3個規(guī)范進(jìn)行比較分析.

《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范（送審稿）》中給出焊釘抗剪承載力設(shè)計值計算式為

式中：Vsu為抗剪承載力設(shè)計值；As為焊釘桿徑截面面積，文獻(xiàn)［10］中規(guī)定焊釘直徑為10～25mm；Ec為混凝土彈性模量；fcd為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；fsu為焊釘材料抗拉極限強(qiáng)度，按文獻(xiàn)［10］取值，當(dāng)fsu≥400MPa時，宜取400MPa.

規(guī)范Eurocode 4［8］中給出焊釘抗剪承載力設(shè)計值計算式為

式中：PRd為抗剪承載力設(shè)計值；α為焊釘名義高度與桿徑的比值，當(dāng)大于4時取1；d為焊釘直徑，取值范圍16～25mm；Ecm為混凝土彈性模量；fck為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度；γv為分項(xiàng)系數(shù)，取1.25；fu為焊釘材料抗拉極限強(qiáng)度，不大于500MPa.

規(guī)范AASHTO LRFD［9］給出焊釘抗剪承載力設(shè)計值計算式為

表3 試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results

式中：φsc為抗力系數(shù)，取0.85；Qn為抗剪承載力名義值；Asc為焊釘桿徑截面面積；Ec為混凝土彈性模量；f′c為規(guī)定混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；Fu為焊釘材料抗拉極限強(qiáng)度，取415MPa.

采用式（1）至式（3）計算得到的抗剪承載力設(shè)計值與試驗(yàn)值的比較如表3、圖4所示.直徑22mm和25mm焊釘設(shè)計承載力均嚴(yán)格按照各規(guī)范參數(shù)取值計算，焊釘材料強(qiáng)度取400MPa.在計算直徑30mm焊釘承載力設(shè)計值時，直徑超出規(guī)范限值，但仍按規(guī)范計算.

圖4 抗剪承載力試驗(yàn)值與設(shè)計值比較Fig.4 Comparison of the measured shear strength and the predicted ones

結(jié)果表明，采用式（1）至式（3）均能較為安全地設(shè)計常規(guī)直徑和大直徑焊釘?shù)目辜舫休d力，其中，式（2）計算值最為保守，式（1）則介于式（2）和式（3）之間.然而，試驗(yàn)值與設(shè)計值的比值隨著焊釘直徑的增大而逐漸減小.對于直徑22mm焊釘，試驗(yàn)值與式（1）至式（3）計算值比值的平均值分別為2.22，2.43和1.83；而對于直徑30mm焊釘，則分別降為1.69，1.85和1.39.

4 抗剪剛度計算式比較分析

焊釘連接件的抗剪剛度代表了正常使用狀態(tài)下焊釘?shù)淖冃文芰?，影響著橋梁正常使用狀態(tài)下的整體受力行為，是對橋梁結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)下進(jìn)行受力分析的一個重要參數(shù).目前，抗剪剛度仍主要基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得，應(yīng)用較為不便.Oehlers等［11］基于試驗(yàn)結(jié)果給出了焊釘在一半抗剪承載力處滑移值的計算式，結(jié)合抗剪承載力計算式，即可得到抗剪剛度的顯式表達(dá)式［5］如下：

式中：ke為抗剪剛度；Qmax為焊釘抗剪承載力；fc為混凝土平均抗壓強(qiáng)度.

圖5所示為抗剪剛度試驗(yàn)值與式（4）計算值的比較.Qmax采用式（2）計算，γv取1.0.直徑22mm，25 mm和30mm焊釘抗剪剛度試驗(yàn)值與計算值比值的平均值分別為2.7，3.2和4.1.式（4）能夠反映焊釘抗剪剛度隨直徑增加而增大的變化規(guī)律，但對于所有試件，式（4）剛度計算值均過于保守.計算值與試驗(yàn)值存在較大差別可能由2個原因引起：① 抗剪剛度試驗(yàn)值的離散度較大，本文樣本數(shù)較少，可能沒有反映總體情況；② 式（4）的提出主要是基于直徑小于22mm的焊釘試驗(yàn)結(jié)果，不能反映大直徑焊釘?shù)膭偠茸兓攸c(diǎn).式（4）計算值偏于保守，在應(yīng)用于實(shí)際結(jié)構(gòu)計算變形時偏于安全.然而，在收縮、徐變和溫度梯度作用下，鋼 混組合結(jié)構(gòu)將發(fā)生內(nèi)力或應(yīng)力重分布，剛度越大則相互約束作用越強(qiáng)，引起的內(nèi)力或應(yīng)力重分布程度越高，抗剪剛度取值保守是不利的.因此，有必要進(jìn)一步研究，提出更為準(zhǔn)確而便于應(yīng)用的抗剪剛度顯式表達(dá)式，以能夠合理地反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力特性.

圖5 抗剪剛度試驗(yàn)值與計算值比較Fig.5 Comparison of the measured shear stiffness and the predicted ones

5 剪力滑移曲線計算式比較分析

焊釘連接件的剪力 滑移曲線對于結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)下的受力性能有較大影響，焊釘在極限狀態(tài)下有足夠的變形能力有利于焊釘內(nèi)力重分布和地震荷載下能量的耗散，對結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)下的受力十分有利，因此，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析時剪力滑移本構(gòu)關(guān)系必不可少.

以往的剪力滑移本構(gòu)關(guān)系中，Ollgaard等［12］的指數(shù)形式和Buttry［13］的分?jǐn)?shù)形式具有較高的認(rèn)可度，如式（5）和式（6）所示，式中已將原式中的單位換算為毫米.然而，其擬合曲線時所采用的數(shù)據(jù)中焊釘直徑和強(qiáng)度相對較小，對于大直徑焊釘是否適用需進(jìn)行比較分析.

式中：V為所施加剪力，kN；s為相對滑移值，mm.

圖6為試驗(yàn)曲線與式（5）和式（6）計算值的比較.對于22mm的常規(guī)直徑焊釘，式（5）能夠準(zhǔn)確地反映焊釘實(shí)際的剪力 滑移行為，式（6）在初期近似線性段與試驗(yàn)曲線吻合較好，進(jìn)入非線性段后，傾向于低估實(shí)際的剪力荷載，與試驗(yàn)曲線的吻合度不如式（5）.式（5）亦能較好地預(yù)測直徑25mm焊釘?shù)募袅魄€；而直徑30mm焊釘在相同滑移值處的割線剛度比常規(guī)直徑焊釘要大，式（5）不能反映此變化，低估了所施加的剪力荷載.式（6）低估了直徑25 mm和30mm焊釘非線性上升段的剪力.綜上，對于直徑22mm和25mm焊釘，式（5）均能較好地預(yù)測其實(shí)際的剪力 滑移行為，建議進(jìn)行組合結(jié)構(gòu)非線性分析時采用式（5）模擬焊釘?shù)募袅?滑移行為.對于直徑30mm焊釘，需要進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)研究，以提出適宜于大直徑焊釘?shù)募袅?滑移曲線.

圖6 剪力 滑移曲線計算式與試驗(yàn)結(jié)果比較Fig.6 Comparison of the measured load slip curves and the predicted ones

6 結(jié)論

（1）開展了直徑22mm，25mm和30mm焊釘連接件的抗剪承載性能模型試驗(yàn)，結(jié)果表明，相對于直徑22mm焊釘，直徑25mm和30mm焊釘?shù)目辜舫休d力平均增加約14%和42%，采用大直徑焊釘可有效增加焊釘?shù)目辜舫休d力.

（2）相對于直徑22mm焊釘，直徑25mm和30 mm焊釘?shù)目辜魟偠绕骄黾蛹s35%和106%，采用大直徑焊釘可顯著增加焊釘?shù)目辜魟偠?然而，對于常規(guī)焊釘和大直徑焊釘均缺乏能夠較為準(zhǔn)確預(yù)測焊釘剛度的顯式表達(dá)式，實(shí)際結(jié)構(gòu)分析時較為不便，需進(jìn)一步研究.

（3）基于承載力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范（送審稿）》、規(guī)范Eurocode 4［8］和規(guī)范AASHTO LRFD［9］中焊釘連接件的抗剪承載力設(shè)計式對于大直徑焊釘?shù)倪m用性進(jìn)行了評估.結(jié)果表明，三者均能較為保守地計算大直徑的抗剪承載力，其中，Eurocode 4最為保守.然而，計算值的安全量隨著焊釘直徑的增大而逐漸減小.對于直徑22mm焊釘，試驗(yàn)值與三者計算值比值的平均值分別為2.22，2.43和1.83；而對于直徑30mm焊釘，則分別降為1.69，1.85和1.39.

（4）本文模型試驗(yàn)采用的是剪切方向單排2個焊釘?shù)牟贾梅绞剑瑑H能反映不同直徑焊釘之間單釘受力行為的差異.實(shí)際橋梁鋼 混凝土結(jié)合面中一般布置有大量焊釘，焊釘間距和個數(shù)均對其受力行為產(chǎn)生一定的影響，需要進(jìn)一步研究.

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Experimental Study on Shear Behavior of Large Stud Connectors

LIN Zhaofei，LIU Yuqing
（College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

Stud connectors are over densely arranged in steelconcrete composite bridges in some cases.To address this issue，shear behavior of stud connectors with the diameters of 22mm，25mm and 30mm were experimentally studied.Based on the test results，the failure model，shear strength，shear stiffness and slip capacity of large diameter studs（25mm and 30mm studs）were compared with those of normal diameter studs（22mm studs）.In addition，the applicability of the design equations specified in existing codes to large diameter studs were evaluated.The results show that compared with 22mm studs，the average shear strength of 25mm and 30mm studs increase by about 14%and 42%，respectively，and the shear stiffness increase by about 35%and 106%，respectively.The design equations specified in Chinese Code（draw），Eurocode 4 and AASHTO LRFD give conservative predictions for the large diameter studs，and Eurocode 4 gives the most conservative values.The ratio of the measured value to the calculated value decreases as the stud diameter increases.

composite bridge；headed stud connector；shear behavior；model test；large diameter

U441

A

0253-374X（2015）12-1788-06

10.11908／j.issn.0253-374x.2015.12.004

2014 11 07

藺釗飛（1988—），男，博士生，主要研究方向?yàn)榻M合結(jié)構(gòu)橋梁.E-mail：linzhaofei2012@gmail.com

劉玉擎（1962—），男，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)榻M合結(jié)構(gòu)橋梁.E-mail：yql@#edu.cn