趙晨

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

開(kāi)孔板連接件布置方法試驗(yàn)研究

趙晨

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

基于42個(gè)推出模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)組合結(jié)構(gòu)橋梁中開(kāi)孔板連接件的布置方法進(jìn)行研究。結(jié)果表明：混凝土強(qiáng)度增加可以提高開(kāi)孔板連接件抗剪承載力隨孔徑增加的增長(zhǎng)率；孔徑和孔中鋼筋直徑相互匹配能有效提高開(kāi)孔板連接件的抗剪承載力；混凝土板厚度、開(kāi)孔板板厚、板高和板間距對(duì)抗剪承載力影響較??；為充分發(fā)揮開(kāi)孔板連接件的抗剪能力，實(shí)際結(jié)構(gòu)中開(kāi)孔板厚度宜大于8 mm，板間距不宜小于5.5倍孔徑。

開(kāi)孔板連接件；組合結(jié)構(gòu)橋梁；布置方法；推出試驗(yàn)

0　引言

鋼與混凝土結(jié)合面的連接件形式和布置對(duì)組合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響很大［1］，一般常用圓柱頭焊釘連接件，而開(kāi)孔板連接件以其抗疲勞性能良好、承載能力大的特點(diǎn)，近幾年在組合結(jié)構(gòu)橋梁中得到了廣泛應(yīng)用。開(kāi)孔板連接件在橋梁結(jié)構(gòu)中主要有兩種應(yīng)用形式，即在鋼構(gòu)件加勁板上開(kāi)孔，或直接在主要受力板件上開(kāi)孔。各國(guó)學(xué)者對(duì)其承載性能進(jìn)行了一系列研究，并提出了開(kāi)孔板連接件的抗剪承載力計(jì)算方法［2-4］；同時(shí)，研究人員還進(jìn)行了開(kāi)孔板連接件試驗(yàn)方法［5］、混凝土澆筑方式［6］和其構(gòu)造尺寸［7，8］等多方面研究。

目前，開(kāi)孔板連接件的布置形式呈現(xiàn)復(fù)雜和多樣化，表1列出了國(guó)內(nèi)8座橋梁中開(kāi)孔板的構(gòu)造形式。同時(shí)，由于材料的發(fā)展，開(kāi)孔板孔徑、厚度以及孔中混凝土強(qiáng)度等較以往都有了一定提高。為適應(yīng)開(kāi)孔板連接件的發(fā)展，方便設(shè)計(jì)，本文依據(jù)推出試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，提出了組合結(jié)構(gòu)橋梁中開(kāi)孔板連接件幾種主要構(gòu)造形式的布置方法。

1　開(kāi)孔板連接件推出試驗(yàn)

1.1試件制作及加載

如圖1所示，本文以開(kāi)孔孔徑（d），孔中鋼筋直徑（ds），開(kāi)孔板厚度（t）、板高（h）、板間距（e），混凝土板厚度（b）為變化參數(shù)，進(jìn)行了14組、42個(gè)開(kāi)孔板連接件推出試驗(yàn)。制作試件時(shí)孔中鋼筋固定在圓孔的幾何中心位置，在開(kāi)孔板鋼板底部設(shè)置55 mm厚度的泡沫墊塊，在鋼板與混凝土的結(jié)合面上涂抹潤(rùn)滑油，以此忽略鋼與混凝土間的摩擦作用以及鋼板底部混凝土的承壓作用。

試件加載如圖2所示，推出試驗(yàn)是通過(guò)對(duì)工字鋼翼緣施加推壓力，在模型試件混凝土板底部設(shè)置細(xì)沙墊層，在試件與千斤頂之間放置荷載分配梁，保證模型試件中開(kāi)孔板圓孔均勻受力。

1.2試驗(yàn)結(jié)果

14組開(kāi)孔板連接件推出試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1開(kāi)孔孔徑的影響

圖3給出在混凝土強(qiáng)度f(wàn)cu=43.3 MPa、70.3 MPa時(shí)，3種孔徑d=50 mm、60 mm、75 mm的開(kāi)孔板連接件抗剪承載力與開(kāi)孔孔徑（d2-d2s）的變化關(guān)系?？辜舫休d力隨孔徑增加而增大，與孔中混凝土的抗剪面積成正比。主要因?yàn)樵诳字袖摻钪睆讲蛔兊那闆r下，增加孔徑將增大孔中混凝土的抗剪面積，從而提高了開(kāi)孔板連接件的抗剪承載力。

以江澤民為核心的第三代中央領(lǐng)導(dǎo)集體，高舉鄧小平理論偉大旗幟，準(zhǔn)確把握時(shí)代特征，科學(xué)判斷我黨所處的歷史地位，圍繞建設(shè)中國(guó)特色社會(huì)主義這個(gè)主題，集中全黨智慧，以馬克思主義的理論勇氣進(jìn)行理論創(chuàng)新，形成了“三個(gè)代表”重要思想?！叭齻€(gè)代表”重要思想在鄧小平理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步回答了什么是社會(huì)主義、怎樣建設(shè)社會(huì)主義的問(wèn)題，創(chuàng)造性地回答了建設(shè)什么樣的黨、怎樣建設(shè)黨的問(wèn)題，集中起來(lái)就是深化了對(duì)中國(guó)特色社會(huì)主義的認(rèn)識(shí)，又一次開(kāi)拓了馬克思主義的新境界。

混凝土強(qiáng)度f(wàn)cu=43.3 MPa時(shí)，3種孔徑的抗剪承載力增長(zhǎng)率為k=1.3%；混凝土強(qiáng)度f(wàn)cu=70.3 MPa時(shí)，3種孔徑的抗剪承載力增長(zhǎng)率為k=3.9%。兩種混凝土強(qiáng)度增加60%，對(duì)應(yīng)抗剪承載力隨孔徑（d2-d2s）的增長(zhǎng)率增加近3倍。表明混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)可以進(jìn)一步增加開(kāi)孔板連接件抗剪承載力隨孔徑的增長(zhǎng)率。

2.2孔中鋼筋直徑的影響

開(kāi)孔板連接件的抗剪由孔中混凝土、孔中鋼筋及其對(duì)混凝土的約束三部分作用構(gòu)成。其中，鋼筋對(duì)混凝土的約束作用主要表現(xiàn)為兩者間的握裹力，以及鋼筋彎曲時(shí)對(duì)被鋼筋所包裹區(qū)域的混凝土的壓縮約束作用。

表1　開(kāi)孔板連接件應(yīng)用實(shí)例

圖1　模型試件

圖2　模型加載試驗(yàn)

表2　推出試驗(yàn)結(jié)果

圖4為開(kāi)孔孔徑d=60 mm的模型試件，在孔中鋼筋直徑分別ds=16 mm、20 mm、25 mm時(shí)的抗剪承載力與鋼筋直徑ds2的變化關(guān)系?？辜舫休d力隨鋼筋直徑的增加而增大，主要因?yàn)殇摻钪睆礁淖兛字袖摻羁辜裘娣e，對(duì)抗剪承載力產(chǎn)生直接影響。

圖3　開(kāi)孔孔徑的影響

圖4　孔中鋼筋直徑的影響

當(dāng)孔中鋼筋直徑由16 mm增至20 mm、25 mm時(shí)，抗剪承載力的增長(zhǎng)率分別為k=30%、k=18%，增長(zhǎng)率有所下降。主要因?yàn)楫?dāng)孔中鋼筋直徑較小時(shí)，鋼筋抗剪及其對(duì)混凝土的約束作用均較小。當(dāng)直徑增加，鋼筋自身抗剪能力增大，但彎曲變形量隨抗彎剛度的增加而降低，從而消弱鋼筋變形對(duì)混凝土的約束作用。鋼筋直徑增加至一定值時(shí)，鋼筋變形對(duì)混凝土的約束作用減少較多，或同時(shí)因?yàn)閳A孔與孔中鋼筋之間孔隙較小，阻礙粗骨料的進(jìn)入，從而使得抗剪承載力的增加幅度有所降低。因此，孔中鋼筋直徑與開(kāi)孔孔徑應(yīng)匹配合適，才能有效提高開(kāi)孔板連接件的抗剪能力。

本文三組鋼筋直徑的試件，孔中鋼筋截面積與孔截面積比AS/A分別為7%、11%、17%。當(dāng)孔中配筋率達(dá)到11%后，抗剪承載力增長(zhǎng)率開(kāi)始降低。因此，實(shí)際結(jié)構(gòu)中為最大效率提高開(kāi)孔板連接件的抗剪承載力，AS/A宜控制在7%～11%范圍內(nèi)。表3給出了幾種較合理的孔徑與孔中鋼筋直徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表3　孔徑與孔中鋼筋直徑對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖5為開(kāi)孔孔徑d=65 mm的模型試件，在開(kāi)孔板厚度t=16 mm、22 mm時(shí)的抗剪承載力與板厚的變化關(guān)系。兩種板厚時(shí)的抗剪承載力分別Vu=393.7 kN、404.0 kN，僅增長(zhǎng)2.8%。當(dāng)板厚小于8 mm時(shí)，開(kāi)孔板連接件發(fā)生鋼板的剪切破壞和開(kāi)孔板前端混凝土的割裂破壞［3］。此時(shí)，開(kāi)孔板連接件承載能力低，變形性能差。當(dāng)板厚大于8 mm時(shí)，開(kāi)孔板連接件將發(fā)生孔中混凝土的剪切破壞，能充分發(fā)揮開(kāi)孔板連接件的抗剪能力。此時(shí)，板厚不改變孔中混凝土和鋼筋的抗剪面積及材料特性，其變化對(duì)抗剪承載力基本不產(chǎn)生影響。

圖5　開(kāi)孔板厚度的影響

2.4開(kāi)孔板高度的影響

圖6為開(kāi)孔板高度，分別為h=100 mm、150 mm時(shí)的抗剪承載力與板高的變化關(guān)系。兩種板高時(shí)的抗剪承載力分別Vu=329.6 kN、332.1 kN，僅增長(zhǎng)0.9%。主要因?yàn)樵嚰撞吭O(shè)置泡沫墊塊，忽略了鋼板底部混凝土的承壓作用，板高對(duì)抗剪承載力基本不產(chǎn)生影響。在橋梁結(jié)構(gòu)中，一般開(kāi)孔板連接件沿主要受力方向連續(xù)開(kāi)孔，其鋼板底部混凝土承壓作用占比較小，開(kāi)孔板連接件抗剪性能與本文試件相似；而當(dāng)實(shí)際構(gòu)件沿受力方向開(kāi)孔數(shù)量較少時(shí)，則不能忽略鋼板底部的承壓作用，板高對(duì)抗剪承載力將產(chǎn)生一定影響。

圖6　開(kāi)孔板高度的影響

2.5開(kāi)孔板板間距的影響

圖7為開(kāi)孔孔徑d=60 mm的模型試件，在開(kāi)孔板板間距分別e=75 mm、150 mm、200 mm時(shí)的抗剪承載力與板間距的變化關(guān)系。板間距由e=75 mm增至200 mm，抗剪承載力僅增長(zhǎng)2.0%，板間距對(duì)抗剪承載力影響較小。

圖7　開(kāi)孔板板間距的影響

實(shí)際結(jié)構(gòu)中，開(kāi)孔板連接件通過(guò)圓孔周圍的混凝土將荷載傳遞出去，當(dāng)多排并列布置時(shí)，相鄰兩排的開(kāi)孔板連接件相互影響，單孔抗剪承載力有所降低；當(dāng)板間距增大時(shí)，相鄰兩板的相互影響減弱，單孔抗剪承載力隨之增大并最終趨于穩(wěn)定，類似于焊釘連接件的群釘效應(yīng)［1］。這種影響與開(kāi)孔孔徑有直接關(guān)系，當(dāng)孔徑增大，開(kāi)孔板連接件需要傳遞的荷載增大，傳遞剪力所需周圍混凝土的區(qū)域也變大。

表4　板間距對(duì)抗剪承載力的影響

兩組試件中抗剪承載力最小值分別為Vu（min）= 332.1 kN、215.7 kN。圖8給出試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的抗剪承載力比（Vu/Vu（min））與板間距和孔徑比（e/d）的變化關(guān)系?？梢钥闯?，當(dāng)板間距小于5.5倍孔徑時(shí)，抗剪承載力基本不隨板間距的變化而改變。當(dāng)板間距超過(guò)5.5倍孔徑時(shí)，抗剪承載力達(dá)到最大值，約為之前抗剪承載力的1.1倍。由此，實(shí)際結(jié)構(gòu)中為充分發(fā)揮開(kāi)孔板連接件的抗剪能力，板間距不宜小于5.5倍孔徑。

圖8　板間距與孔徑比對(duì)抗剪承載力的影響

2.6混凝土板厚度的影響

圖9為混凝土板厚度分別b=300 mm、400 mm時(shí)的抗剪承載力與混凝土板厚度的變化關(guān)系。兩種厚度時(shí)的抗剪承載力僅增長(zhǎng)1.7%，其對(duì)抗剪承載力影響較小。因此對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)不需單獨(dú)考慮為增加開(kāi)孔板連接件抗剪承載力而加大混凝土板的厚度。

圖9　混凝土板厚度的影響

3　結(jié)語(yǔ)

本文進(jìn)行了42個(gè)推出模型試驗(yàn)，對(duì)開(kāi)孔孔徑、孔中鋼筋直徑、開(kāi)孔板厚度、高度、板間距和混凝土板厚度的布置方法進(jìn)行研究。結(jié)果如下：

（1）混凝土強(qiáng)度增加可以進(jìn)一步提高開(kāi)孔板連接件抗剪承載力隨孔徑增加的增長(zhǎng)率。

（2）孔中鋼筋直徑與開(kāi)孔孔徑應(yīng)匹配合適，才能有效提高開(kāi)孔板連接件的抗剪承載力。

（3）為充分發(fā)揮開(kāi)孔板連接件的抗剪能力，開(kāi)孔板厚度宜大于8 mm，板間距不宜小于5.5倍孔徑。此時(shí)，兩者變化對(duì)開(kāi)孔板連接件抗剪承載力基本不產(chǎn)生影響。

（4）橋梁結(jié)構(gòu)中沿主要受力方向連續(xù)開(kāi)孔的開(kāi)孔板連接件，板高對(duì)其抗剪承載力影響較小。

（5）混凝土板厚度對(duì)抗剪承載力影響較小，設(shè)計(jì)時(shí)不需單獨(dú)考慮為增加開(kāi)孔板連接件抗剪承載力而加大混凝土板的厚度。

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U442.5

B

1009-7716（2016）06-0306-05

2016-02-01

趙晨（1983-），男，山東棗莊人，博士，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。