王建江，陳春雷，朱 剛

(1.浙江公路水運(yùn)工程咨詢(xún)公司，杭州 310000;2.浙江大學(xué)，杭州 310058)

0 引 言

鋼混組合結(jié)構(gòu)是在鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型結(jié)構(gòu)，是由鋼和混凝土兩種材料部件組成，通過(guò)抗剪連接件組合成一體后共同工作的結(jié)構(gòu)體系[1]。抗剪連接件作為鋼混組合結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其作用是為界面提供水平抗滑移力和豎向抗拔力，使彈性模量有很大差別的鋼構(gòu)件和混凝土構(gòu)件形成整體而共同工作。栓釘連接件各向受力性能一致，本身占據(jù)空間較小，不影響混凝土內(nèi)部鋼筋的布置，同時(shí)，由于栓釘?shù)暮附硬捎脤?zhuān)用焊機(jī)，焊接區(qū)域小，焊接殘余應(yīng)力較低。所以，栓釘連接件是組合結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為廣泛的抗剪連接件[2-3]。目前，推出試驗(yàn)是研究栓釘連接件抗剪性能最主要的方法，通過(guò)推出試驗(yàn)可以獲得栓釘?shù)钠茐那闆r和力學(xué)性能。

Viest IM[4]進(jìn)行了12個(gè)推出試驗(yàn)，探討了不同栓釘高度與直徑的比值對(duì)栓釘破壞模式及栓釘抗剪強(qiáng)度的影響，得到了栓釘剪斷破壞和混凝土壓縮區(qū)域破壞兩種破壞模式。Li An[5]進(jìn)行了不同混凝土強(qiáng)度的栓釘推出試驗(yàn)，得到在一定范圍內(nèi)提高混凝土的強(qiáng)度等級(jí)可以提高栓釘?shù)目辜粜阅?。Pil-Goo Lee 和Chang-Su Shim[6-7]通過(guò)推出試驗(yàn)研究了大直徑栓釘(栓釘直徑超過(guò)25mm)的抗剪性能和疲勞性能，認(rèn)為大直徑栓釘?shù)目辜魪?qiáng)度隨直徑增大而增長(zhǎng)的幅度緩于直徑小于25mm的栓釘。Dongyan Xue[8]研究了栓釘在群釘布置和常規(guī)布置下的抗剪性能，發(fā)現(xiàn)群釘布置下的栓釘抗剪強(qiáng)度會(huì)受到其他栓釘?shù)挠绊?，單個(gè)栓釘?shù)目辜魪?qiáng)度小于常規(guī)布置。

1 栓釘抗剪性能推出試驗(yàn)

1.1 試件分組

針對(duì)栓釘高度對(duì)栓釘抗剪性能的影響，設(shè)計(jì)了直徑19mm，不同高度的栓釘推出試驗(yàn)，高度級(jí)度變化設(shè)置為50mm，栓釘鋼材牌號(hào)ML15A型，其抗拉強(qiáng)度極限值為415MPa，彈性模量為213GPa，試驗(yàn)分組如表1。

表1 推出試驗(yàn)分組情況

1.2 尺寸設(shè)計(jì)

由于該試驗(yàn)涉及的栓釘高度較大，本文在歐規(guī)4和日本鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)(JSSC)規(guī)定的推出試件尺寸基礎(chǔ)上對(duì)混凝土板的尺寸進(jìn)行了改進(jìn)，采用單排栓釘布置形式，試件構(gòu)造如圖1。

圖1 栓釘推出試驗(yàn)構(gòu)造圖

1.3 加載設(shè)備和加載方案

試驗(yàn)加載設(shè)備采用浙江大學(xué)紫金港校區(qū)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)大廳1000t微機(jī)控制電液伺服多功能試驗(yàn)機(jī)(見(jiàn)圖2)，試驗(yàn)機(jī)采樣頻率最大為50Hz/s。

圖2 1000t微機(jī)控制電液伺服多功能試驗(yàn)機(jī)

每組試件正式加載之前，施加適當(dāng)荷載，調(diào)整位移傳感器位置以滿(mǎn)足試驗(yàn)要求，調(diào)整傳感器位置之后按40%的理論承載力極限荷載進(jìn)行兩次預(yù)加載，以消除工字梁和混凝土界面的殘余粘結(jié)力的影響。預(yù)加載完成后，按照理論極限荷載的5%～40%循環(huán)加載25次，最后單調(diào)加載直至試件發(fā)生破壞。試件加載的過(guò)程中，在試驗(yàn)荷載較小時(shí)采用荷載控制加載，荷載加載速率為5kN/s，待荷載—滑移曲線(xiàn)斜率趨于平緩后采用位移控制加載，加載速率為0.6mm/s，直至荷載下降至極限荷載的80%時(shí)持荷5min，隨后加載至試件破壞。每個(gè)試件加載時(shí)間不小于30min，栓釘承載力理論極限值根據(jù)歐洲規(guī)范4承載力公式進(jìn)行計(jì)算。

1.4 測(cè)量方案

在鋼梁和混凝土界面同一水平位置共布置4個(gè)位移傳感器，以獲取工字梁和混凝土板之間的相對(duì)滑移量，在混凝土板的同一高度位置采用AB膠粘貼四個(gè)長(zhǎng)度為100mm的50mm×50mm×3mm的角鋼作為固定點(diǎn)，用傳感器測(cè)量針頂住角鋼，磁性表座端隨鋼梁的受力產(chǎn)生向下的滑移，繼而引起位移傳感器頂針的變化，最終測(cè)得鋼梁和混凝土間的相對(duì)位移值，位移傳感器布置如圖3。

圖3 位移傳感器布置圖

按照?qǐng)D3所示布置四個(gè)傳感器，每次加載試驗(yàn)前需進(jìn)行傳感器的調(diào)試，試驗(yàn)加載機(jī)進(jìn)行預(yù)加載時(shí)，需觀(guān)察四個(gè)傳感器的即時(shí)數(shù)據(jù)變化情況，如出現(xiàn)過(guò)大零點(diǎn)漂移或者傳感器未能傳送數(shù)據(jù)，需及時(shí)更換傳感器。預(yù)加載完成之后，各傳感器需進(jìn)行調(diào)零，進(jìn)行正式加載。

本試驗(yàn)采用加載機(jī)和傳感器均可實(shí)時(shí)獲取力和位移數(shù)據(jù)，所以不設(shè)置分級(jí)加載，加載機(jī)力傳感器以及安裝的位移傳感器采樣頻率均設(shè)置為1Hz，試驗(yàn)加載情況如圖4。通過(guò)荷載相對(duì)滑移曲線(xiàn)進(jìn)行鋼混組合界面抗剪性能的量化分析和機(jī)理研究。

圖4 推出試驗(yàn)加載情況

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1試驗(yàn)現(xiàn)象

當(dāng)鋼混組合界面相對(duì)位移超過(guò)峰值滑移時(shí)，荷載將隨著相對(duì)位移增長(zhǎng)而逐漸降低直至試件發(fā)生破壞，由于試驗(yàn)中采用了C50混凝土，強(qiáng)度等級(jí)較高，10個(gè)推出試件均發(fā)生了栓釘根部剪斷的破壞形式，栓釘?shù)钠茐男问饺鐖D5。

圖5 推出試件破壞情況

由圖5可以看出，當(dāng)發(fā)生栓釘根部破壞時(shí)，栓釘與工字梁的焊接處焊縫保持完整，焊縫的強(qiáng)度大于栓釘本身的抗剪強(qiáng)度，栓釘在根部焊縫區(qū)域外受力最大處發(fā)生剪斷，斷裂面比較光滑。栓釘根部發(fā)生明顯的剪切變形，與上側(cè)混凝土產(chǎn)生脫空，對(duì)下側(cè)混凝土產(chǎn)生擠壓，栓釘根部一定區(qū)域混凝土受壓發(fā)生破壞，破壞區(qū)域占比很小，遠(yuǎn)離栓釘根部的混凝土區(qū)域未發(fā)生明顯破壞。

2.2 荷載-滑移曲線(xiàn)

荷載-滑移曲線(xiàn)可以完整地反應(yīng)栓釘抗剪連接件的力學(xué)性能變化情況，是分析栓釘抗剪性能最重要的依據(jù)。本文通過(guò)5組推出試驗(yàn)的結(jié)果，繪出了不同高度的栓釘抗剪連接件的荷載—滑移曲線(xiàn)，如圖6所示。

圖6 不同高度栓釘單釘荷載滑移曲線(xiàn)

不同栓釘高度的荷載滑移曲線(xiàn)峰值荷載(即栓釘?shù)目辜魪?qiáng)度)存在明顯差異，不同栓釘高度下栓釘?shù)目辜魪?qiáng)度具體情況如表2。

表2 不同推出試驗(yàn)組栓釘抗剪強(qiáng)度

從圖6和表2可以看出：

(1)試驗(yàn)得出同一栓釘直徑下不同栓釘高度的荷載滑移曲線(xiàn)均具有類(lèi)似的變化趨勢(shì)，當(dāng)相對(duì)滑移值較小時(shí)，荷載滑移曲線(xiàn)均存在一個(gè)近似的線(xiàn)性增長(zhǎng)段，該階段栓釘和混凝土均處于彈性階段，該階段頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相對(duì)滑移值為彈性滑移值。隨著相對(duì)滑移的增長(zhǎng)，荷載滑移曲線(xiàn)趨于平緩，剛度逐漸降低，栓釘和混凝土進(jìn)入塑性階段。當(dāng)荷載滑移曲線(xiàn)緩慢增長(zhǎng)達(dá)到曲線(xiàn)最高值即峰值荷載，栓釘達(dá)到其抗剪強(qiáng)度極限值，該點(diǎn)相對(duì)滑移值為峰值滑移。在同一栓釘直徑下，栓釘抗剪強(qiáng)度極限值隨著栓釘高度的增加而增加。

(2)不同栓釘高度對(duì)應(yīng)的荷載位移曲線(xiàn)存在一定的差異，對(duì)應(yīng)50mm和100mm高度的栓釘，其荷載位移曲線(xiàn)沒(méi)有明顯的屈服階段，而150mm高度以上的栓釘則呈現(xiàn)較為顯著的屈服階段，且其值均在100kN左右，與一般材料力學(xué)中的鋼材剪切試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)較為符合。同時(shí)也可知，栓釘抗剪強(qiáng)度的極限值必然不可能超過(guò)栓釘?shù)目估瓘?qiáng)度，但收斂值需要經(jīng)過(guò)大量的材料試驗(yàn)研究而知。

(3)100mm和150mm兩種高度對(duì)應(yīng)的荷載位移曲線(xiàn)呈現(xiàn)出較為明顯的差異，換算到栓釘?shù)拈L(zhǎng)徑比分別為5.26和7.89，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017-2003)一般要求栓釘長(zhǎng)度在直徑的4倍以上，因此需要根據(jù)不同的栓釘高度對(duì)應(yīng)的荷載位移曲線(xiàn)，進(jìn)一步深化研究栓釘?shù)目辜魳O限強(qiáng)度與栓釘?shù)目估?qiáng)度和抗拉極限強(qiáng)度的關(guān)系。

(4)隨著栓釘高度的增加，荷載位移曲線(xiàn)中的近似線(xiàn)形增長(zhǎng)階段的斜率也在逐漸增加，即栓釘?shù)募羟袆偠纫苍谥饾u增加，但栓釘高度在150mm以上時(shí)，其剪切剛度已較為接近和收斂，栓釘高度增加不再對(duì)剪切剛度產(chǎn)生較大影響。

分析認(rèn)為，在同一栓釘直徑下，栓釘抗剪強(qiáng)度隨著栓釘高度的增加而增加。在推出試驗(yàn)過(guò)程中，栓釘根部背離推出方向一側(cè)鋼梁和混凝土界面將會(huì)發(fā)生分離，分離值會(huì)隨著相對(duì)滑移的增加而增加，栓釘受到彎拉剪耦合力作用。同時(shí)栓釘變形會(huì)對(duì)下側(cè)混凝土產(chǎn)生擠壓作用，隨著加載值的增加，下側(cè)混凝土被壓潰破壞，進(jìn)一步加劇栓釘與背離推出方向一側(cè)混凝土的分離，栓釘繼續(xù)偏離水平方向，栓釘彎拉剪耦合作用進(jìn)一步加強(qiáng)。隨著栓釘高度的增加，栓釘能更好的錨固在混凝土內(nèi)，可使栓釘更好的承擔(dān)彎拉剪耦合作用，從而提高栓釘?shù)某休d能力。

2.3 各國(guó)規(guī)范對(duì)比

歐洲規(guī)范、美國(guó)規(guī)范、我國(guó)規(guī)范[9]均對(duì)栓釘?shù)目辜魪?qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行了規(guī)定，根據(jù)本文使用的栓釘、混凝土和尺寸參數(shù)計(jì)算得出的栓釘抗剪強(qiáng)度結(jié)果如表3所示。

表3 不同規(guī)范栓釘抗剪強(qiáng)度計(jì)算值

表3中，歐洲規(guī)范在計(jì)算時(shí)栓釘強(qiáng)度取用標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度(即屈服強(qiáng)度)，中國(guó)規(guī)范取用抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘γ(抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的比值)，因此中國(guó)規(guī)范抗剪強(qiáng)度計(jì)算值大于歐洲規(guī)范較多。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，50mm(長(zhǎng)徑比約2.6)的栓釘其抗剪強(qiáng)度最小為78 kN，100mm長(zhǎng)度栓釘(長(zhǎng)徑比約2.6)抗剪強(qiáng)度為95kN，均大于各國(guó)規(guī)范的抗剪強(qiáng)度計(jì)算值。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范取用抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘γ是較為合理的。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)長(zhǎng)徑比較短的栓釘其荷載位移曲線(xiàn)沒(méi)有明顯的屈服階段，長(zhǎng)徑比較長(zhǎng)的栓釘則較為明顯，其極限抗剪強(qiáng)度也較高。這類(lèi)栓釘由于在混凝土內(nèi)的錨固深度更大，可使栓釘更好的承擔(dān)彎拉剪耦合作用，從而提高栓釘?shù)某休d能力。

(2)當(dāng)栓釘長(zhǎng)徑比較大時(shí)，抗剪強(qiáng)度計(jì)算時(shí)僅考慮其純剪切強(qiáng)度，而不考慮彎拉剪耦合效應(yīng)，不能精確地描述栓釘?shù)目辜魪?qiáng)度。應(yīng)結(jié)合更多不同栓釘高度的推出試驗(yàn)，進(jìn)一步分析研究栓釘高度的影響，并對(duì)原有的計(jì)算公式進(jìn)行修正。