張 瑾

(中核新能核工業(yè)工程有限責(zé)任公司，山西 太原 030012)

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鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)抗剪連接構(gòu)件承載力試驗(yàn)研究

張 瑾

(中核新能核工業(yè)工程有限責(zé)任公司，山西 太原 030012)

對(duì)PBL連接件在一些重要工程中能很好地滿足使用要求的情況進(jìn)行了分析，并在傳統(tǒng)PBL連接件的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了兩種改良型抗剪連接件，即波形開孔板抗剪連接件、開孔折板抗剪連接件，經(jīng)過試驗(yàn)證實(shí)，這兩種抗剪連接件能有效提高鋼—混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能與兩種材料間的協(xié)同工作能力。

鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)，抗剪連接件，PBL，試驗(yàn)研究

近年來隨著建筑工業(yè)的蓬勃發(fā)展，鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)越來越多地出現(xiàn)在建設(shè)工程當(dāng)中。作為一種新興的建筑結(jié)構(gòu)形式，鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)解決了鋼結(jié)構(gòu)剛度較小，用鋼量較高，造價(jià)較高的缺點(diǎn)，而與普通的混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)能夠更加良好地發(fā)揮鋼材抗拉能力強(qiáng)，變形能力強(qiáng)與混凝土抗壓能力強(qiáng)的雙重優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)鋼與混凝土更加良好的協(xié)同工作機(jī)制。

鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)是由兩種材料共同作用來實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)承載作用的，因此不同材料的自身屬性與材料間結(jié)合形式都會(huì)對(duì)整體結(jié)構(gòu)承載力產(chǎn)生較大影響。在鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)中，抗剪連接件的主要作用是承受鋼構(gòu)件與混凝土翼板接觸面之間產(chǎn)生的縱向剪力，并通過錨固等措施來增大材料接觸面的摩阻力，從而阻止因剪力而產(chǎn)生的相對(duì)滑動(dòng)。為了滿足多樣化的連接形式與不同的承載力設(shè)計(jì)要求，抗剪連接件的形式多種多樣，其中栓釘連接因其施工方便連接可靠而被廣泛采用。但隨著鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛，栓釘連接易產(chǎn)生疲勞斷裂，且施工質(zhì)量不易控制的缺點(diǎn)逐漸顯露，在較薄的鋼構(gòu)件上進(jìn)行栓釘焊接時(shí)還容易產(chǎn)生焊透現(xiàn)象。PBL抗剪連接件作為一種新型連接方式具有連接可靠，抗疲勞壽命長[4-]6〗的優(yōu)點(diǎn)，在一些重要工程的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位中越來越多地取代了栓釘連接。本文針對(duì)PBL抗剪連接件進(jìn)行了改良，設(shè)計(jì)了兩種新型PBL抗剪件，并試制了一批改良PBL連接小梁進(jìn)行加載試驗(yàn)，與原PBL連接小梁進(jìn)行對(duì)比，單因素討論了抗剪連接形式對(duì)構(gòu)件承載力的影響。

1 新型PBL抗剪連接件構(gòu)造

1.1 波形開孔板抗剪連接件

這種新型連接方式將如圖1所示的原PBL連接件的兩塊平行開孔鋼板替換為波形開孔鋼板，于波峰、波谷處分別設(shè)置一對(duì)貫通孔，然后在貫通孔中穿入鋼筋，形成一套抗剪連接體系(見圖2)。與傳統(tǒng)的PBL連接件相比，這種連接方式有兩大優(yōu)勢(shì)：其一，在連接件總長度不變的情況下通過設(shè)置波形鋼板增大了鋼—混凝土接觸面積，從而增加了兩種材料間的摩擦力；其二，波形鋼板波峰波谷間的混凝土與鋼構(gòu)件相互接槎，形成了沿鋼板縱向的抗拔體系，提高了連接件與混凝土的縱向摩阻力。但是在應(yīng)用此類連接件時(shí)應(yīng)注意相鄰兩塊鋼板的間距，防止間距過小而導(dǎo)致混凝土不能澆筑到鋼板間，影響其工作性能。

1.2 開孔折板抗剪連接件

開孔折板抗剪連接件的設(shè)計(jì)思路是把原PBL連接件的兩條平行鋼板等分后進(jìn)行隔塊切割，然后將鋼板的被切割部分進(jìn)行向左或向右的90°彎折并焊接在翼緣板上，在最終形成的L形鋼板的兩肢設(shè)置相對(duì)應(yīng)的貫通孔，最后在貫通孔中插入鋼筋，組成上下的正交貫通鋼筋，構(gòu)成一套新型抗剪連接體系(見圖3)。與原PBL連接件相比，這種連接件增加了折形鋼板來承受縱向剪力，而縱橫向的貫通鋼筋形成了一層鋼筋網(wǎng)片，與鋼筋間的混凝土共同作用阻止鋼構(gòu)件與混凝土接觸面在兩個(gè)方向的相對(duì)滑移。

2 對(duì)比試驗(yàn)

2.1 試件設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證改進(jìn)抗剪件連接形式對(duì)鋼—混凝土構(gòu)件力學(xué)性能有影響，現(xiàn)設(shè)計(jì)三組采用不同抗剪連接件的小梁進(jìn)行集中力加載試驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)組含7個(gè)相同小梁，各組試件鋼結(jié)構(gòu)部分均采用8 mm厚Q345鋼焊接而成，鋼筋采用HRB335(Ⅱ級(jí)鋼)，試件的其余參數(shù)如表1所示。

表1 各組試件參數(shù) mm

2.2 試驗(yàn)方式

試件制作完成后安裝在1 000 kN加載試驗(yàn)架上，并用一臺(tái)1 500 t油壓千斤頂進(jìn)行跨中兩點(diǎn)對(duì)稱集中加載試驗(yàn)，加載形式如圖4所示。

試件安裝完畢后，一次在試驗(yàn)梁的兩端支點(diǎn)，跨中，對(duì)稱荷載加載點(diǎn)這5處安裝位移計(jì)和千分表，用來測(cè)量試驗(yàn)加載時(shí)試件鋼—混凝土界面的相對(duì)滑移和試件這幾個(gè)點(diǎn)的豎向變形。本試驗(yàn)中采用階段性勻速加載并在不同的荷載范圍內(nèi)逐級(jí)遞減的方式進(jìn)行加載試驗(yàn)，直至試件破壞，具體加載速度如表2所示。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)每組取得的荷載與相對(duì)滑移值，去掉最小與最大值，取剩余數(shù)據(jù)的平均值為最終結(jié)果，最后得到的荷載—相對(duì)滑移曲線如圖5所示。

表2 試件加載速度

每組隨機(jī)選取一條梁進(jìn)行加載，觀測(cè)可得出：在加載試驗(yàn)過程中，當(dāng)荷載達(dá)到410 kN時(shí)OP-1試件的鋼—混凝土接觸面開始出現(xiàn)裂縫，當(dāng)荷載達(dá)到470 kN時(shí)，OP-1試件的跨中混凝土結(jié)構(gòu)部分開始出現(xiàn)豎向裂縫，當(dāng)荷載達(dá)到510 kN時(shí)混凝土部分未完全被壓碎，但鋼—混凝土結(jié)合部分完全撕裂，小梁整體已經(jīng)破壞，加載停止。而NP-1與NP-2試件均在荷載達(dá)到470 kN時(shí)，鋼—混凝土接觸面與混凝土跨中開始出現(xiàn)裂縫，在荷載達(dá)到550 kN時(shí)試件混凝土部分被壓碎，從而試件整體結(jié)構(gòu)破壞，加載停止。

3 結(jié)果分析

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知，在改進(jìn)抗剪連接件連接形式后，鋼—混凝土組合構(gòu)件的極限承載力略有提高，鋼—混凝土相對(duì)滑移有一定下降，二者結(jié)合能力大幅度提高，在配筋相同的情況下，改進(jìn)連接件前試件破壞主要是鋼—混凝土連接破壞，但改進(jìn)連接件后試件破壞原因是混凝土受壓破壞。這表明新型鋼—混凝土組合小梁中，鋼構(gòu)件與混凝土之間的接槎咬合作用提高了兩種材料的結(jié)合作用，能夠充分發(fā)揮混凝土的承壓能力，有效地提升構(gòu)件的整體性與變形協(xié)調(diào)能力。且縱橫向貫穿鋼筋也在一定程度上提升了鋼—混凝土構(gòu)件結(jié)合力，這也是在加載試驗(yàn)中NP-2組表現(xiàn)優(yōu)于NP-1組的原因之一。

4 結(jié)語

1)改進(jìn)后的兩種新型連接方式均可以有效加強(qiáng)鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的整體性與協(xié)調(diào)工作能力。2)抗剪連接件中鋼構(gòu)件與混凝土之間的接觸面積與接觸方式會(huì)對(duì)連接件的力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響。3)開孔折板抗剪連接件的工作性能優(yōu)于波形折板抗剪連接件。4)貫通鋼筋的數(shù)量與擺放方式也能在一定程度上影響鋼—混凝土組合構(gòu)件中兩種材料的結(jié)合能力，需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。

[1]王立衡.組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀及前景.山西建筑,2008，34(3):118-120.

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

[3]丁發(fā)興,倪 鳴,龔永智,等.栓釘剪力連接件滑移性能試驗(yàn)研究及受剪承載力計(jì)算.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2014(9):98-106.

[4]肖 林,衛(wèi) 星,強(qiáng)士中.兩類PBL剪力鍵推出試驗(yàn)的對(duì)比研究.土木工程學(xué)報(bào),2013(11):70-80.

[5]張清華,李 喬,卜一之.PBL剪力連接件群傳力機(jī)理研究(Ⅰ):理論模型.土木工程學(xué)報(bào),2011(4):71-77.

[6]張清華,李 喬,卜一之.PBL剪力連接件群傳力機(jī)理研究(Ⅱ):極限承載力.土木工程學(xué)報(bào),2011(5):101-108.

The analyze of bearing capacity of the shear connector of the steel-concrete composite structures

Zhang Jin

(CNNCXinnengNuclearEngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030012,China)

The paper analyzes PBL connectors’ role in some important engineering, design two improved connectors on the basis of traditional PBL connectors including wave-style hole-opening anti-shearing connector and hole-opening anti-shearing connector. Experimental results show that: both of the connectors improved mechanical performance of steel-concrete structure and their coordinative capacities as well.

steel-concrete composite structure, anti-shearing connector, PBL, experimental research

1009-6825(2015)01-0055-03

2014-10-25

張 瑾(1987- )，男，助理工程師

TU398

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