楊曉巍，李小琴，賴靖寧，胡　豪，朱雙燕

(西南交通大學土木工程學院, 四川成都 610000)

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鋼-混凝土組合結構界面受力行為初探

楊曉巍，李小琴，賴靖寧，胡豪，朱雙燕

(西南交通大學土木工程學院, 四川成都 610000)

鋼-混凝土組合結構構件具有承載力高、塑性韌性好、防腐、耐火及防火性能好等諸多優(yōu)點得到廣泛應用。文章對鋼-混凝土組合結構采用栓釘剪力連接件和開孔鋼板PBL剪力連接件展開試驗研究，對混凝土滑移量和應變進行監(jiān)測分析。試驗結果表明：采用栓釘剪力連接件的鋼-混凝土組合結構極限承載力明顯低于開孔鋼板PBL剪力連接件下的鋼-混凝土組合結構，前者破壞形態(tài)呈脆性破壞，后者延性效果優(yōu)于前者，且界面受力行為體現(xiàn)在混凝土板裂縫形態(tài)上，充分發(fā)揮了界面粘結應力強度以及混凝土的抗壓性能。

鋼-混凝土組合結構；栓釘；剪力連接件；開孔鋼板

鋼-混組合結構歷史可以追溯到17世紀。隨著建筑結構黃金年代的到來，從20世紀至今得到了跨越式的發(fā)展。在國外，鋼-混凝土組合結構的大量應用始于二次世界大戰(zhàn)后，主要用于恢復戰(zhàn)爭破壞的房屋和道路橋梁。而在我國，鋼-混凝土組合結構的研究和應用起步較晚，從20世紀50年代才開始開展組合梁的研究和應用，通常將鋼管混凝土、型鋼混凝土結構與鋼筋混凝土結構構件組合起來，從而形成以鋼-混凝土組合構件為主要承重構件的新型結構體系。近年來,鋼-混凝土組合結構在橋梁加固改造中得到了越來越廣泛的應用[1]。

鋼-混組合結構是在鋼結構與鋼筋混凝土結構的基礎上發(fā)展起來的一種新型結構，具有承載力高、塑性韌性好等優(yōu)點[2]。目前國內(nèi)外學者對界面性能和剪力連接件進行了大量的研究。對于粘結-滑移宏觀效應的研究，清華大學的聶建國等人[3]采用折減剛度系數(shù)法來進行模擬，取得了較好的效果。西南交通大學的占玉林[4]采用折減剛度法對PBL剪力連接件的粘結-滑移現(xiàn)象進行了研究，將PBL剪力鍵等效為栓釘，與實驗結果吻合較好。PBL剪力連接件的破壞模式主要有孔內(nèi)混凝土榫的剪切破壞、焊縫的剪切破壞以及開孔間鋼板薄弱處的剪切破壞。隨著國民經(jīng)濟不斷發(fā)展，對鋼-混凝土組合結構的安全、耐久性提出了更高的要求，因此還需要進一步的研究。

鋼-混組合結構的破壞主要源于兩部分：一是材料方面的強度破壞；二是異種材料連接界面的破壞。研究鋼-混凝土組合結構界面受力性能可以指導剪力連接件的性能提升與品種開發(fā)，將鋼-混組合結構的研究與發(fā)展推向一個新階段。在今后很長一個時期內(nèi)，鋼-混組合結構對建設活動而言，仍然具有重要地位，研究其界面受力行為，對鋼-混組合結構的進一步發(fā)展具有重大意義。

1　試驗概況

1.1試件設計及材料性能

混凝土板采用普通混凝土，尺寸為650 mm×150 mm×600 mm，設計強度為C60。粗骨料最大粒徑20 mm，箍筋采用φ12@150，縱筋為4φ12，位于箍筋內(nèi)側(cè)四角；鋼梁采用H型鋼，尺寸為HW250×250×9×14，材料為Q235鋼材。

鋼筋抗拉屈服強度為fy=269 MPa，混凝土力學性能如表1所示。剪力連接件采用栓釘和開孔鋼板(PBL)，栓釘φ12長度120 mm，分布為1行2列，開孔鋼板PBL尺寸為400 mm×120 mm×12 mm，開孔直徑50 mm，貫穿鋼筋直徑12 mm。栓釘和開孔鋼板PBL焊接在鋼梁上(圖1)，栓釘-混凝土組合試件和開孔鋼板PBL-混凝土組合試件在本次研究中各澆鑄3個試件。

表1　混凝土力學性能

圖1　剪力連接件與鋼梁連接

圖2　剪力連接件與板整體澆筑

圖3　滑移和應變測點布置

1.2試驗加載及測試方案

栓釘試件和PBL 試件焊接在H型鋼梁上，同板的鋼筋籠綁扎在一起，整體澆筑混凝土(圖2)。試件制作完成后，經(jīng)過潮濕養(yǎng)護后進行試驗。為監(jiān)測界面滑移量，在混凝土板上粘貼角鋼作為8 個百分表測點的定位支點(圖3)，6號、7號、8號與3號、4號、5號百分表對稱布置；為監(jiān)測界面應變分布，在鋼梁翼緣和混凝土板內(nèi)側(cè)粘貼3 個應變花，布置在鋼梁翼緣上(圖3)?；炷涟鍍?nèi)側(cè)的粘貼位置在同高度鋼-混凝土接觸面附近。

在正式加載前，按屈服荷載的5 %加卸載兩次，檢查儀器儀表工作是否正常。在屈服荷載前以10 %fy作為荷載增量，構件屈服后以5 %(fu-fy)進行加載，當荷載-滑移曲線接近水平段時，采用位移加載。每級加載完成后穩(wěn)定5 min，讀取應變值及滑移量。

2　試驗結果及分析

根據(jù)試驗方案，對兩種不同剪力連接件下的鋼-混凝土組合結構進行加載試驗，采集各級荷載下的應變值以及滑移量。栓釘組合結構與PBL組合結構在各級荷載下的滑移量如圖4、圖5所示。從圖4、圖5可以看出，栓釘組合結構與PBL組合結構荷載-滑移曲線呈現(xiàn)如下規(guī)律：栓釘組合結構極限承載力為289 kN，而PBL組合結構極限承載力達到1 177 kN，后者明顯大于前者；在200 kN、1 000 kN以內(nèi)，栓釘組合結構、PBL組合結構荷載與滑移值呈線性增長關系，此階段結構處于彈性階段；對于栓釘組合結構，從200 kN加載到289 kN過程中，進入塑性強化階段，此階段滑移值為4.58 mm，而PBL組合結構從1 000 kN加載到1 177 kN也進入塑性強化階段，滑移值達到8 mm。后者滑移量明顯大于前者，但前者此階段滑移量在破壞前所占的比值大于后者。達到極限承載力后，二者破壞形式明顯不同，前者由于栓釘在剪力下斷裂導致構件立即失效，發(fā)生脆性破壞，而PBL組合結構達到承載力后進入塑形破壞階段，承載力緩慢下降，滑移量逐漸增大，在破壞前滑移量達到30.29 mm，承載力下降到783 kN,破壞前征兆明顯。

圖4　栓釘組合結構荷載-滑移曲線

圖5　PBL組合結構荷載-滑移曲線

另一栓釘組合結構因加載時存在偏心，但與軸心荷載下的荷載-滑移曲線趨勢基本一致(圖6)，進一步說明栓釘組合結構與PBL組合結構的不同。

圖6　栓釘組合結構(偏心加載)荷載-滑移曲線

從荷載-滑移曲線可以看出，兩種剪力連接件鋼-混凝土組合結構破壞形式明顯不同。試驗結束后發(fā)現(xiàn)，其破壞形態(tài)如圖7、圖8 所示。在圖7中，栓釘在與鋼梁結合處發(fā)生剪切破壞，由于該處剪力最大，超過栓釘最大承載力時導致剪斷，栓釘與混凝土板之間的界面粘結力沒能充分發(fā)揮作用。在圖8中，開孔鋼板與鋼梁整體連接牢固，其最大抗剪承載力大于混凝土抗壓承載力，在焊接處未發(fā)生如栓釘那樣的剪切破壞。PBL組合結構，在破壞過程中，首先在中部產(chǎn)生豎向裂縫，主要因為PBL板對混凝土的劈裂作用導致混凝土開裂。豎向裂縫產(chǎn)生后，PBL板產(chǎn)生較大的滑移，因PBL與混凝土板界面上存在較強的粘結力，使得豎向裂縫中間段混凝土受拉，箍筋處保護層較薄且混凝土抗拉強度低，最終導致在箍筋處產(chǎn)生兩條水平裂縫。隨著荷載的增加，在局部壓力作用下導致PBL下端的混凝土板產(chǎn)生豎向和斜向貫通裂縫，最終導致組合結構發(fā)生破壞，這也充分發(fā)揮了混凝土的抗壓性能。

圖7　栓釘剪切破壞

圖8　混凝土板貫通裂縫破壞

根據(jù)應變測量方案，可以獲得栓釘組合結構混凝土板的主應變及其方位角，如圖9、圖10所示。從圖9得知，除開始階段下部混凝土主應變ε2為壓應變，混凝土上中下3個測點混凝土兩個方向主應變均為拉應變，因栓釘對混凝土產(chǎn)生拉拔力；混凝土板中部即栓釘與混凝土界面結合處混凝土主應變ε1最大，由于栓釘與混凝土的界面粘結力主要集中在中部，向上下測點逐漸衰減。圖10為主應變的方位角，上部和下部方位角隨荷載增加而逐漸減小，而中部方位角由正向逐漸向負向發(fā)展且絕對值逐漸增大，這反映出上中下3個測點混凝土受力狀態(tài)的變化，中部測點混凝土受剪；上下測點混凝土受拉愈來愈明顯。根據(jù)有關文獻，栓釘數(shù)量、尺寸、材料性能以及布置方式等因素可能會影響到組合結構的承載力。在本次試驗中，由于試件的局限性，對這些影響因素還待進一步分析。

圖9　栓釘試件混凝土主應變

圖10　栓釘試件混凝土測點主應變方位角

3　結論及展望

本文對鋼-混凝土組合結構使用栓釘和開孔鋼板PBL兩種剪力連接件進行了試驗研究，根據(jù)試驗結果，可以得到如下結論。

(1)栓釘剪力連接件和開孔鋼板PBL剪力連接件對鋼-混凝土組合結構極限承載力影響程度不同，一般情況前者小于后者。若栓釘數(shù)量增多，承載力相應提高。

(2)采用栓釘剪力連接件和開孔鋼板PBL剪力連接件的鋼-混凝土組合結構破壞模式不同，前者多表現(xiàn)為栓釘剪切破壞，屬于脆性破壞，破壞前沒有明顯征兆，后者為混凝土板貫通裂縫破壞，屬于延性破壞，破壞征兆明顯，即有較大的滑移量和逐漸增長的裂縫寬度，在實際工程設計中優(yōu)選后者。

(3)試驗中的栓釘剪力連接件組合結構還未充分發(fā)揮材料的性能，栓釘就發(fā)生剪切破壞，這與栓釘數(shù)量、布置方式等因素有關。

(4)開孔鋼板PBL剪力連接件的界面受力性能明顯優(yōu)于栓釘剪力連接件，這主要體現(xiàn)在混凝土板裂縫形態(tài)上，前者在混凝土板上產(chǎn)生明顯的裂縫，后者混凝土未能開裂。

鋼-混組合結構是被世界各國廣泛采用的結構之一，它充分發(fā)揮了鋼材和混凝土的材料性能，兼具有減小構件截面、提高防火和抗震性能等特性，且施工技術容易達到要求，經(jīng)濟效益良好，目前已得到了很好的發(fā)展及推廣應用。界面剪力傳遞直接影響了組合結構的力學性能，一直是組合結構力學行為研究的熱點和難點。剪力連接件形式多樣，制作工藝簡單，施工技術方便，質(zhì)量容易保證，得到了廣泛應用，取得到了良好的效果。

鑒于鋼-混組合結構在建筑業(yè)內(nèi)的廣泛需求及重要意義，我國已提出了大批鋼-混組合結構新形式，如鋼管混凝土桁架組合梁、鋼腹板-混凝土組合拱、鋼管混凝土勁性骨架柱和拱等。在未來的很長一段時期內(nèi)，鋼混組合結構仍將作為最重要的結構型式之一而繼續(xù)應用和發(fā)展。我們應不斷總結實踐經(jīng)驗，完善規(guī)范，同時加強應用推廣，并根據(jù)工程實際及國際新發(fā)展趨勢，加強組合結構的創(chuàng)新性研究，更好地促進我國組合結構學科發(fā)展和基礎設施建設的技術進步。

[1]聶建國，陶慕軒, 樊鍵生，等.鋼-混凝土組合結構在橋梁加固改造中的應用研究[J].防災減災工程學報，2010，30(增刊):335-344.

[2]白曉紅，白國良.新型鋼-混凝土組合結構的應用與展望[J].工業(yè)建筑，2006，36(增刊):521-527.

[3]聶建國.鋼-混凝土組合結構橋梁[M].北京:人民交通出版社，2011.

[4]占玉林，趙人達，向天宇，等.考慮剛度折減的鋼-混凝土組合橋面板撓度分析[J].四川建筑科學研究，2012，38(6):14-17.

[5]蘇小波，李小珍，肖林，等. PBL剪力鍵力學性能的研究現(xiàn)狀及展望[C]//第21屆全國結構工程學術會議論文集第Ⅱ冊.2012.

[6]聶建國，王宇航，樊健生，等. 鋼-混凝土組合梁加寬混凝土舊橋技術中組合橫梁界面受力性能研究[J]. 土木工程學報，2012，45(3):99-109.

楊曉巍(1994～)，男，研究生，研究方向為土木工程。

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[定稿日期]2016-05-30