孫艷寧，李樹忱，孫國(guó)富，王修偉，王九公

(1 山東大學(xué)齊魯交通學(xué)院巖土工程系， 濟(jì)南 250061； 2 山東交通學(xué)院交通土建工程學(xué)院， 濟(jì)南 250061)

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷推進(jìn)，建筑的“輕型化”、“裝配化”是不容輕視的發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)的整體式現(xiàn)澆鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)(圖1(a))，具有整體性好、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，但是需要現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土；而裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)(圖1(b))的鋼構(gòu)件和混凝土構(gòu)件皆于施工前在工廠預(yù)制，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)安裝，從而縮短工期，降低施工操作難度，減少了現(xiàn)場(chǎng)澆筑后混凝土徐變引起的開裂等問(wèn)題，具有越來(lái)越好的發(fā)展前景。

圖1 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)

對(duì)于傳統(tǒng)的整體式現(xiàn)澆鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究：Slutter[1]通過(guò)對(duì)比梁式試驗(yàn)和推出試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為推出試驗(yàn)結(jié)果可用于判斷剪力連接件極限受剪承載力；聶建國(guó)等[2]通過(guò)縱向抗剪試驗(yàn)研究，給出鋼-混凝土組合梁橫向配筋率為0.64%的建議；Xue等[3]通過(guò)單調(diào)荷載作用下的推出試驗(yàn)，研究了混凝土強(qiáng)度、栓釘直徑、鋼梁類型對(duì)栓釘破壞形態(tài)、機(jī)理、滑移規(guī)律和極限受剪承載力的影響；周緒紅等[4]通過(guò)有限元分析，推導(dǎo)了栓釘連接件的極限受剪承載力計(jì)算方法；丁發(fā)興等[5]通過(guò)推出試驗(yàn)和有限元分析，研究了栓釘直徑和屈服強(qiáng)度對(duì)栓釘連接件承載力的影響；趙根田等[6]通過(guò)對(duì)比重復(fù)荷載和單調(diào)荷載作用下的推出試驗(yàn)，分析了栓釘直徑和混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)栓釘連接件抗剪性能的影響。

對(duì)于新出現(xiàn)的裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了一些研究：鐘瓊等[7]提出了一種預(yù)留孔灌注砂漿的預(yù)制裝配式鋼-混凝土組合梁；李成君等[8]、楊未蓬等[9]針對(duì)一種裝配式組合結(jié)構(gòu)(Prefabricated Composite Shear Stud，PCSS)，考察了其抗剪機(jī)制，并對(duì)剪力釘核心區(qū)的混凝土進(jìn)行力學(xué)分析，提出其承載力計(jì)算方法。但是，目前對(duì)于其他新型的裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究仍然還存在很多不足。

本文以一種新型的裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，該結(jié)構(gòu)連接方式采用不同于傳統(tǒng)栓釘?shù)倪B接方式，而是采用預(yù)制混凝土板預(yù)留連接槽、栓釘均布的連接方式；該結(jié)構(gòu)的制作方式如下：在鋼梁上焊接栓釘，混凝土板在工廠預(yù)制，將二者運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行定位拼裝，拼裝完成后，在連接槽內(nèi)灌注自密實(shí)微膨脹混凝土形成一個(gè)整體。本文通過(guò)推出試驗(yàn)，對(duì)比整體式現(xiàn)澆鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)和裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的破壞模式和抗剪承載能力，并考慮新舊混凝土結(jié)合面力學(xué)參數(shù)，研究裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)抗剪性能。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了4組共12個(gè)試件，分為兩類：一類是整體式現(xiàn)澆鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)試件(簡(jiǎn)稱整澆式試件)，另一類為裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)試件(簡(jiǎn)稱裝配式試件)，裝配式試件基于Birkeland[10]界面摩擦抗剪理論以界面粗糙程度和鋼筋直徑為變量進(jìn)行設(shè)計(jì)。試件尺寸均為75cm×120cm×80cm，試件構(gòu)造尺寸見圖2，具體試件參數(shù)見表1；根據(jù)試驗(yàn)機(jī)加載能力及工程實(shí)際，栓釘布置為3排4列，栓釘規(guī)格為φ22×150。

圖2 試件構(gòu)造尺寸

試件構(gòu)造參數(shù) 表1

兩類試件均采用側(cè)立的方式進(jìn)行澆筑，立模綁扎鋼筋后，整澆式試件直接進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑。裝配式試件先澆筑預(yù)制混凝土板，養(yǎng)護(hù)拆模后，按試件分組對(duì)新舊混凝土結(jié)合面使用混凝土表面毛糙劑處理，再以預(yù)制混凝土板為模板在連接槽內(nèi)澆筑自密實(shí)微膨脹混凝土，與工程實(shí)際一致，不進(jìn)行振搗。

試件工字鋼采用Q345D鋼材，混凝土板采用C50混凝土，板內(nèi)鋼筋均采用HRB400級(jí)鋼筋，除抗剪鋼筋以外的其余鋼筋直徑均為20mm。澆筑試件時(shí)同時(shí)澆筑150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，并與試件同條件養(yǎng)護(hù)，在試驗(yàn)當(dāng)天進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)得，預(yù)制混凝土板的抗壓強(qiáng)度為68.2MPa，灌注自密實(shí)微膨脹混凝土抗壓強(qiáng)度為69.4MPa。栓釘材質(zhì)為ML15，材質(zhì)及其焊接工藝等符合《電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘》(GB/T 10433—2002)要求，材料極限強(qiáng)度為400MPa，屈服強(qiáng)度為320MPa，彈性模量為203GPa。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置和加載制度

試驗(yàn)中在鋼板和混凝土之間安裝百分表測(cè)量試件工字鋼-混凝土相對(duì)位移，具體測(cè)點(diǎn)布置見圖3。試驗(yàn)時(shí)，在試件栓釘中心位置對(duì)應(yīng)的混凝土位置上貼上角鋼，并將百分表基座固定在工字鋼上，百分表指針指向角鋼。數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器由計(jì)算機(jī)采集。試驗(yàn)正式加載前，對(duì)試件進(jìn)行兩次預(yù)加載，預(yù)加載荷載為60kN，以消除彈性變形，并保證各部分接觸緊密。正式加載采用荷載控制，以4kN/s的加載速度加載至2 400kN；再以2kN/s的加載速度繼續(xù)加載，直至工字鋼-混凝土相對(duì)位移不再增加，視為試件完全破壞。試件加載裝置見圖4。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖

圖4 加載裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)

整澆式和裝配式兩類試件破壞模式區(qū)別較大。破壞形態(tài)如圖5所示。整澆式試件破壞狀態(tài)表現(xiàn)為栓釘被剪斷，鋼板與混凝土分離，并伴有局部混凝土壓碎和混凝土裂縫；栓釘由上至下其剪切破壞面逐漸減小，栓釘根部存在一定程度的混凝土壓碎：在加載至極限荷載的80%左右時(shí)，混凝土正立面裂縫出現(xiàn)；在加載至極限荷載的90%時(shí)裂縫迅速擴(kuò)展，主要表現(xiàn)為由底部豎向向上擴(kuò)展至栓釘中心位置附近，然后斜向外側(cè)向一角發(fā)展，同時(shí)頂部裂縫由鋼板側(cè)向外側(cè)發(fā)展，呈八字形，混凝土與鋼板連接一側(cè)的裂縫由上下兩角貫穿最外側(cè)一排栓釘；而后，栓釘開始發(fā)生斷裂，試件達(dá)到極限荷載。相比之下，裝配式試件則大不相同，在試件達(dá)到極限荷載時(shí)，混凝土出現(xiàn)明顯縱向裂縫；試件組PY-20頂部出現(xiàn)裂縫，裂縫沿新舊混凝土界面延伸，同時(shí)后澆混凝土表面出現(xiàn)細(xì)小裂縫；試件組PN-20和PN-14 表現(xiàn)為明顯的混凝土剪切破壞及新舊混凝土結(jié)合面分離，栓釘發(fā)生剪切變形，部分栓釘剪斷，栓釘根部有混凝土壓碎；而且試件組PN-14相對(duì)于試件組PN-20，其混凝土破碎程度更大。

圖5 各試件組破壞形態(tài)

從試件破壞形態(tài)來(lái)看，整澆式試件的破壞為栓釘破壞，混凝土整體性較好；裝配式試件則主要表現(xiàn)為混凝土剪切破壞，新舊混凝土結(jié)合面粗糙程度對(duì)試件和破壞形式有很大影響，增加粗糙程度和抗剪鋼筋直徑可增加結(jié)構(gòu)整體性。

2.2 荷載-滑移曲線

推出試驗(yàn)中，荷載使工字鋼向下移動(dòng)，工字鋼與混凝土之間形成豎向力，使彼此發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，圖6為本次試驗(yàn)中試件的荷載-滑移曲線，并選取每組典型試件的全過(guò)程荷載-滑移曲線進(jìn)行分析。其中工字鋼-混凝土相對(duì)位移為試件4個(gè)位移計(jì)測(cè)得的平均值。

由圖6可以看出，整澆式試件和裝配式試件的荷載-滑移曲線表現(xiàn)出明顯的區(qū)別；就極限受剪承載力而言，整澆式試件高于裝配式試件；就荷載-滑移曲線而言，兩類試件都可分為三個(gè)階段，即彈性階段、塑性階段和下降階段，如圖6(e)所示；在彈性階段，表現(xiàn)為荷載迅速增加，滑移增加小，整澆式試件在彈性階段的荷載能達(dá)到極限荷載的85%～90%，而裝配式試件在彈性階段的荷載只能達(dá)到極限荷載的50%～70%；在塑性階段，則表現(xiàn)為荷載增長(zhǎng)較慢，滑移迅速增加，整澆式試件塑性變形為1～6mm，而裝配式試件則約為0.5～10mm，裝配式試件塑性滑移高于整澆式試件，延性更好；在下降階段，整澆式試件荷載較緩慢下降，滑移緩慢增加，而裝配式試件荷載迅速下降，承載力迅速減小，幾乎沒(méi)有滑移。

圖6 荷載-滑移曲線

由圖6(b)～(d)可以看出，裝配式試件中，試件組PY-20的彈性階段長(zhǎng)于試件組PN-20，前者荷載能達(dá)到極限荷載的65%，后者荷載則約為極限荷載的55%，后者荷載-滑移曲線在彈性階段斜率小，滑移增加更快。就塑性階段而言，試件組PY-20滑移最大，其次是試件組PN-20，最小的為試件組PN-14。

2.3 極限受剪承載力和滑移性能

試件的極限受剪承載力Pu′、極限受剪承載力對(duì)應(yīng)的滑移Su、特征滑移St以及極限滑移Smax的試驗(yàn)結(jié)果見表2，其中特征滑移為荷載下降到極限荷載的85%時(shí)的滑移，極限滑移為加載至試件完全破壞時(shí)的滑移。從表中可以看出，整澆式試件和裝配式試件在極限受剪承載力和滑移性能上有明顯的區(qū)別。

極限受剪承載力和滑移試驗(yàn)結(jié)果 表2

相對(duì)試件組C-20，試件組PY-20的平均極限受剪承載力下降約20.6%；相對(duì)試件組PY-20，試件組PN-20的平均極限受剪承載力下降約5%，而試件組PN-14的平均極限受剪承載力下降約10.7%。

就滑移性能來(lái)說(shuō)，裝配式試件的滑移比整澆式試件有所增大，試件組PY-20，PN-20，PN-14的極限滑移分別比試件組C-20增大了17.7%，8.6%及7.1%，特征滑移均增加了74%左右。歐洲規(guī)范Eurocode-4[11]規(guī)定，特征滑移超過(guò)6mm時(shí)，剪力連接件可視為延性連接件，試件的滑移量是判斷剪力連接件延性好壞的依據(jù)。由表2中可知，此裝配式組合結(jié)構(gòu)并沒(méi)有改變栓釘作為剪力連接件的延性性質(zhì)，而且裝配式組合結(jié)構(gòu)的延性得到明顯改善。

3 受力機(jī)理分析

為了研究裝配式試件在整個(gè)試驗(yàn)加載過(guò)程中荷載-滑移曲線特性，結(jié)合新舊混凝土面力學(xué)特性，對(duì)試件進(jìn)行力學(xué)分析。

對(duì)于有植筋的新舊混凝土結(jié)合面，Birkeland[10]界面摩擦抗剪理論(圖7)認(rèn)為，新舊混凝土結(jié)合面為鋸齒狀，在新舊混凝土結(jié)合面即將產(chǎn)生剪切位移時(shí)，因?yàn)榻Y(jié)合面的粗糙性，界面會(huì)有張開的趨勢(shì)，而穿過(guò)該界面的鋼筋會(huì)因變形受到拉力反作用于界面上，使界面壓緊，產(chǎn)生摩擦力來(lái)抵抗剪力，界面極限受剪承載力計(jì)算如式(1)所示。

圖7 Birkeland[10]界面摩擦抗剪理論示意圖

Vn=Avffytanφ=Avffyμ

(1)

式中：Vn為界面極限受剪承載力；Avf為抗剪鋼筋截面面積；fy為植入鋼筋的抗拉屈服強(qiáng)度；μ為界面摩擦系數(shù)，μ=tanφ，φ為摩擦角。

由式(1)可知，界面摩擦系數(shù)和植入鋼筋的直徑為決定新舊混凝土結(jié)合面極限受剪承載力的主要因素。

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果分析，在試驗(yàn)加載初期，試件處于彈性階段，荷載-滑移曲線呈線性增長(zhǎng)，裝配式試件因新舊混凝土結(jié)合面上摩擦和植筋的共同作用，其整體性和強(qiáng)度較高。裝配式試件和整澆式試件荷載-位移發(fā)展規(guī)律呈現(xiàn)出相似的形式。隨荷載逐步增加，工字鋼向下的位移增加，新舊混凝土結(jié)合面處開始產(chǎn)生抵抗剪切的變形和剪力，滑移增加，裝配式試件進(jìn)入塑性階段，而整澆式試件繼續(xù)保持彈性。隨荷載繼續(xù)增加，栓釘開始發(fā)生剪切變形，混凝土開始出現(xiàn)裂縫，整澆式試件滑移開始加大，進(jìn)入塑性階段。而此階段裝配式試件因?yàn)樾屡f混凝土結(jié)合面的存在，滑移迅速增加，也由于結(jié)合面摩擦性質(zhì)和抗剪鋼筋的錨固作用，試件整體性得到一定保證，延性增加。當(dāng)荷載約達(dá)到極限荷載時(shí)，整澆式試件的栓釘剪切變形增加，混凝土壓碎，進(jìn)而破壞。試件組PY-20因?yàn)樾屡f混凝土結(jié)合面粗糙度高、抗剪鋼筋直徑大，抗剪強(qiáng)度高，在加載至極限荷載時(shí)，栓釘根部混凝土受壓變形，栓釘?shù)募羟凶冃窝杆僭黾?，栓釘根部被剪斷。PN-20和PN-14兩組試件界面抗剪強(qiáng)度相對(duì)較低，破壞時(shí)，界面分離錯(cuò)動(dòng)，混凝土壓碎。

4 極限受剪承載力計(jì)算與分析

國(guó)內(nèi)外規(guī)范或文獻(xiàn)給出了整澆式組合結(jié)構(gòu)中栓釘連接件的單釘承載力的計(jì)算方法，如歐洲規(guī)范Eurocode-4[11]、文獻(xiàn)AASHTO LRFD[12]、加拿大規(guī)范CAN/CSA-S16-01[13]及我國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[14]。

歐洲規(guī)范Eurocode-4的表達(dá)式如下：

(2)

式中：Pu為連接件單釘承載力；fu為栓釘材料的極限抗拉強(qiáng)度，不大于500MPa；Asv為栓釘截面面積；d為栓釘直徑；fck為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度；Ecm為混凝土彈性模量。

AASHTO LRFD的表達(dá)式如下：

(3)

式中：Pu為連接件單釘承載力；Asc為栓釘截面面積；fc′為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度；Ec為混凝土彈性模量；fu為栓釘材料的極限抗拉強(qiáng)度。

加拿大規(guī)范CAN/CSA-S16-01的表達(dá)式如下：

(4)

式中：Qc為連接件單釘承載力；φsc為承載力系數(shù)，取0.8；As為栓釘截面面積；Ec為混凝土彈性模量；fc′為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度；fu為栓釘材料的極限抗拉強(qiáng)度。

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)的表達(dá)式如下：

(5)

式中：N為連接件單釘承載力；Ec為混凝土的彈性模量；As為圓柱頭焊釘(栓釘)釘桿截面面積；f為柱頭焊釘(栓釘)抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；γ為栓釘材料抗拉強(qiáng)度最小值與屈服強(qiáng)度之比。

由式(2)，(3)，(4)，(5)計(jì)算的考慮群釘效應(yīng)后的單釘承載力分別為110.6，117.5，110.6，121.2kN，考慮群釘效應(yīng)的折減系數(shù)α可按照蘇慶田等[15]的研究結(jié)果，按下式計(jì)算：α=-0.002 2n3+0.031 8n2-0.153 7n+1.151 ≥0.85，其中n為栓釘排數(shù)，經(jīng)計(jì)算，折減系數(shù)為0.909 5。由考慮群釘效應(yīng)后的單釘承載力可推出試件極限受剪承載力，計(jì)算結(jié)果見表3。表4中給出了極限受剪承載力試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比值。

極限受剪承載力試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果 表3

由表3、表4可以看出，整澆式試件的極限受剪承載力明顯高于裝配式試件，這是因?yàn)檠b配式試件中存在新舊混凝土結(jié)合面，此結(jié)合面為軟弱結(jié)構(gòu)面，對(duì)試件的整體性造成了不同程度的降低。4組試件組的極限受剪承載力大小順序依次為C-20，PY-20，PN-20，PN-14。

極限受剪承載力試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果比值 表4

試件組PY-20的極限受剪承載力的試驗(yàn)值高于各規(guī)范或文獻(xiàn)的公式計(jì)算值，滿足要求，可用于實(shí)際工程。

組合結(jié)構(gòu)的極限受剪承載力一般主要由抗剪連接件控制，本文這類裝配式組合結(jié)構(gòu)，極限受剪承載力則受到新舊混凝土結(jié)合面參數(shù)的主要影響，新舊混凝土結(jié)合面的抗剪強(qiáng)度主要由抗剪鋼筋直徑和粗糙度決定，所以裝配式試件的極限受剪承載力由新舊混凝土結(jié)合面的鋼筋直徑和粗糙程度決定，故實(shí)際工程中對(duì)新舊混凝土結(jié)合面參數(shù)的設(shè)計(jì)以及界面的施工處理極為重要。

5 結(jié)論

(1)整澆式試件破壞模式為栓釘剪斷并伴隨混凝土開裂，裝配式試件破壞模式為栓釘剪斷并伴隨混凝土破碎，新舊混凝土結(jié)合面參數(shù)對(duì)栓釘剪斷數(shù)量和混凝土破碎情況有不同程度的影響。

(2)試件荷載-滑移曲線明顯分為三個(gè)階段：彈性階段、塑性階段以及下降階段，與整澆式試件相比，裝配式試件彈性階段和下降階段滑移小，塑性階段滑移大，極限滑移大，裝配式試件延性得到改善，具有更好的延性。

(3)整澆式試件的極限受剪承載力高于裝配式試件，新舊混凝土結(jié)合面粗糙、抗剪鋼筋直徑20mm的裝配式試件極限受剪承載力試驗(yàn)值高于整澆式試件的規(guī)范計(jì)算值，結(jié)構(gòu)安全。

(4)裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)試件極限受剪承載力約可達(dá)到整體式現(xiàn)澆鋼-混組合結(jié)構(gòu)試件的80%；界面粗糙度低及抗剪鋼筋直徑大，裝配式試件的極限受剪承載力有明顯提高。新舊混凝土結(jié)合面進(jìn)行粗糙處理后，試件極限受剪承載力約提高5%，抗剪鋼筋直徑由14mm增加為20mm時(shí)，極限受剪承載力約提高10%。裝配式試件的極限受剪承載力受新舊混凝土結(jié)合面參數(shù)(粗糙度和抗剪鋼筋直徑)的影響，設(shè)計(jì)時(shí)此結(jié)合面的處理極為重要。