S-PC剪力鍵荷載-滑移規(guī)律實(shí)驗(yàn)

唐 亮， 周志祥， 徐 建， 向 紅

(重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

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)，它通過(guò)剪力鍵將鋼與混凝土兩種不同的材料連接起來(lái)，用以抵抗在各種載荷作用下，鋼和混凝土之間的滑移和分離，使兩者協(xié)同工作。隨著組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用日趨廣泛，剪力連接件的研究也愈加受到重視。本文中所提出的S-PC剪力鍵特點(diǎn)在于:剪力鍵與鋼箱的固接是通過(guò)后澆混凝土來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這使得S-PC剪鍵有諸多優(yōu)點(diǎn):能夠使用預(yù)制橋面板，能夠?qū)蛎姘鍐为?dú)張拉預(yù)應(yīng)力，能夠防止負(fù)彎矩區(qū)的開(kāi)裂等，是一種適合于裝配式鋼箱-預(yù)應(yīng)力混凝土組合連續(xù)剛構(gòu)橋的剛性剪力鍵。在以往學(xué)者研究中[1-4]，不論是帶頭栓釘式的柔性剪力鍵或是槽鋼式的剛性剪力鍵，都集中于剪力鍵自身及混凝土的強(qiáng)度，而鮮有后澆混凝土對(duì)其性能影響。為了更好地掌握和了解聯(lián)結(jié)混凝土橋面板和鋼梁的S-PC剪力鍵的工作性能，特別是后澆混凝土對(duì)其性能影響，需要試驗(yàn)研究S-PC剪力鍵的變形性能，加載全過(guò)程中荷載-滑移規(guī)律，了解S-PC剪力鍵以及后澆混凝土的工作性能，獲得S-PC剪力鍵的荷載-滑移曲線(xiàn)和破壞形態(tài)，為SBPC組合連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)提供可靠數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)對(duì)兩組5個(gè)試件進(jìn)行了推出試驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了S-PC剪力鍵荷載-滑移關(guān)系計(jì)算公式，最后利用有限元軟件進(jìn)行了全截面應(yīng)力的計(jì)算模擬。

1 試驗(yàn)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩類(lèi)共5個(gè)試件，第一類(lèi)有3個(gè)試件，每個(gè)試件設(shè)計(jì)為正反兩面各2個(gè)剪力鍵，編號(hào)分別為N1，N2，N3。第二類(lèi)每個(gè)試件設(shè)計(jì)為有2個(gè)剪力鍵，相當(dāng)于第一類(lèi)試件中N1，N2試件的半個(gè)模型，尺寸參數(shù)與N1，N2試件對(duì)應(yīng)部分相同，編號(hào)分別為:N1A、N2A。

剪力鍵采用5號(hào)槽鋼，高度5 cm，考慮到是豎向加載的推出試驗(yàn)，故簡(jiǎn)化了S-PC剪力鍵的環(huán)形錨固鋼筋，用直徑8的直鋼筋焊接于5號(hào)槽鋼上面予以代替。其中，對(duì)N2和N2A試件的槽鋼剪力鍵倒外圓角。全部試件中間的鋼構(gòu)件均為工字形構(gòu)件，工字形構(gòu)件上、下各有一塊鋼板封端，鋼板厚度均為6 mm。全部試件混凝土板均為預(yù)制板，預(yù)制時(shí)預(yù)留剪力鍵孔，裝配完成后再現(xiàn)澆筑剪力鍵孔中的混凝土。推出實(shí)驗(yàn)試件的代表性型式構(gòu)造見(jiàn)圖1，裝配完成并澆筑后見(jiàn)圖2。

圖1 試件N1及N1A形式及構(gòu)造圖(mm)

加載試驗(yàn)前預(yù)估算得到每類(lèi)剪力鍵的名義設(shè)計(jì)承載力F，先按0.2F預(yù)壓2次，每次持荷5 min，以消除非彈性變形的影響。預(yù)壓完成后進(jìn)入正式加載測(cè)試工況，典型加載工況如表1所示。

表1 N1推出試件加載工況

圖2 裝配試件后澆筑剪力鍵孔

剪力鍵試件的加載在重慶交通大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中心的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，位移測(cè)量裝置布置在剪力鍵處和兩對(duì)剪力鍵之間，共用6個(gè)百分表進(jìn)行測(cè)量，對(duì)N1A和N2A試件，位移測(cè)量點(diǎn)布置在剪力鍵處，共2個(gè)百分表測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 試件測(cè)點(diǎn)布置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 實(shí)測(cè)荷載-滑移曲線(xiàn)

圖4所示曲線(xiàn)為N1、N2、N3試件中部(即圖3中測(cè)點(diǎn)2、5)的荷載-滑移曲線(xiàn)平均值，中部的荷載-滑移曲線(xiàn)能更好地體現(xiàn)試件的平均滑移?？梢钥闯?，在加載初期，曲線(xiàn)陡直，呈線(xiàn)性;隨之曲線(xiàn)斜率緩慢變小，表現(xiàn)出明顯的非線(xiàn)性;繼續(xù)加載，曲線(xiàn)斜率逐漸變小，趨于較小的恒定斜率值。根據(jù)S-PC剪力鍵的曲線(xiàn)特征，將其工作階段劃分為彈性、彈塑性和塑性階段。

圖4 N1、N2、N3試件中部的荷載-滑移曲線(xiàn)

2.2 試件破壞形態(tài)

試件加載全過(guò)程中，當(dāng)荷載首次達(dá)到0.33Qu時(shí)(Qu為S-PC剪力鍵抗剪強(qiáng)度)，剪力鍵孔邊出現(xiàn)一條很短的裂縫，隨著荷載增加，混凝土板表面也出現(xiàn)了少量短裂縫，整個(gè)過(guò)程裂縫發(fā)展緩慢且數(shù)量極少，如圖5(a)所示。由于是裝配式構(gòu)件，加載過(guò)程中沒(méi)有觀察到鋼與混凝土的剝離，幾乎沒(méi)有破裂的響聲?？梢哉J(rèn)為，當(dāng)荷載小于0.33Qu時(shí)試件為理想彈性工作階段。

當(dāng)荷載增至0.4Qu時(shí)，剪力鍵預(yù)留孔內(nèi)側(cè)角隅出現(xiàn)細(xì)微裂縫;荷載在0.5Qu內(nèi)循環(huán)反復(fù)加載時(shí)，裂縫寬度增加不明顯，試件也可近似認(rèn)為在彈性工作階段。

當(dāng)荷載在(0.5 ～0.7)Qu時(shí)，特別是從 0.7Qu增加至1.0Qu時(shí)，裂縫寬度、條數(shù)和滑移量均顯著增加，在剪力鍵周?chē)跋路降幕炷帘砻娉霈F(xiàn)水平裂縫、斜裂縫和豎向裂縫，試件進(jìn)入破壞階段，如圖5(b)所示。隨著荷載的進(jìn)一步加大，剪力鍵下方的裂縫迅速發(fā)展，并伴有輕微的響聲，最后剪力鍵因混凝土受壓破壞而喪失承載力，如圖5(c)所示。

圖5 試件破壞全過(guò)程圖示

2.3 S-PC剪力鍵荷載-滑移關(guān)系

影響S-PC剪力鍵荷載-滑移關(guān)系的主要因素有剪力鍵的抗剪強(qiáng)度、剪力鍵外荷載Q、剪力鍵的外型特征、剪力鍵的間距等。綜合所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，此處分析所用滑移值為上、下剪力鍵處的平均滑移值，將各滑移曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，建立S-PC剪力鍵荷載-滑移曲線(xiàn)關(guān)系式:

式中:S為S-PC剪力鍵與混凝土交界面處滑移值，mm;Qu為S-PC抗剪強(qiáng)度;Q為試件荷載，kN。以N3試件為例實(shí)測(cè)均值與計(jì)算值對(duì)比曲線(xiàn)如圖6所示。

3 有限元模型建立

通過(guò)有限元軟件ABAQUS進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)一步深入研究S-PC剪力鍵的工作性能和特點(diǎn)，建立有限元模型如圖7所示。模型分別由預(yù)制混凝土板、鋼筋、工字形鋼構(gòu)件及剪力鍵構(gòu)成?；炷帘緲?gòu)關(guān)系采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的單軸受拉和單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，工字形鋼構(gòu)件、剪力鍵和鋼筋的本構(gòu)關(guān)系采用鋼材的彈性-塑性強(qiáng)化模型[5-8]。

圖6 N3計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

混凝土板、工字形構(gòu)件及剪力鍵采用實(shí)體單元模擬，鋼筋采用桁架單元模擬。剪力鍵與混凝土板的連接方式采用嵌入，剪力鍵與混凝土交界面采用接觸分析[9-12]。加載方式及邊界條件與試驗(yàn)條件相同，在工字形鋼構(gòu)件頂端加載，兩塊混凝土板下端支承。

從圖8所示的混凝土板中取C截面，距離剪力鍵承壓面40 mm，沿截面的應(yīng)力分布位置由xoy坐標(biāo)系確定，x軸代表混凝土板寬度方向，y軸代表板厚度方向，應(yīng)力圖中的位置采用該xoy坐標(biāo)系確定。

截取荷載分別為 205 kN(0.33Qu)和 435 kN(0.7Qu)時(shí)，混凝土板沿截面C的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布如圖9所示。

從圖中可以看出，最小主應(yīng)力，即壓應(yīng)力主要分布在剪力鍵下面的核心受壓區(qū)，離開(kāi)剪力鍵一定區(qū)域后，壓應(yīng)力迅速擴(kuò)散變小。最大主應(yīng)力即拉應(yīng)力的最大值出現(xiàn)的區(qū)域，與試驗(yàn)中混凝土板出現(xiàn)的八字形斜裂縫的位置相對(duì)應(yīng)。

圖7 試件的有限元模型

圖8 應(yīng)力取值位置

圖9 C截面的主應(yīng)力

沿剪力鍵承壓面中心線(xiàn)(圖10所示x方向)和剪力鍵棱邊(圖10所示y方向)位置截取剪力鍵的Mises應(yīng)力分布，如圖11所示。

圖10 應(yīng)力取值位置

從圖11可以看出，S-PC剪力鍵是一種剛性剪力鍵[13-14]，承壓面中心和棱邊的應(yīng)力分布差別不大，而根部應(yīng)力大，離根部越遠(yuǎn)應(yīng)力快速變小，剪力鍵的抗剪力分布主要集中在剪力鍵根部位置。隨著荷載的加大，剪力鍵上的應(yīng)力也增大，曲線(xiàn)整體向右移動(dòng)。注意到，剪力鍵棱邊的上端出現(xiàn)應(yīng)力曲線(xiàn)的反彎[15]，這是因?yàn)楹奢d較小時(shí)，整個(gè)剪力鍵像懸臂梁一樣受力，根部最大，末端最小，沒(méi)有反彎現(xiàn)象發(fā)生;當(dāng)荷載較大時(shí)，剪力鍵相對(duì)于焊接剪力鍵的鋼構(gòu)件發(fā)生了一定的轉(zhuǎn)動(dòng)，由于剪力鍵里面的混凝土在剪力鍵端部約束變?nèi)?，剪力鍵末端受力增加，形成了彎剪共同作用，使得應(yīng)力曲線(xiàn)出現(xiàn)了反彎現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

本文所做S-PC剪力鍵的推出試驗(yàn)表明，當(dāng)荷載小于0.33Qu時(shí)，試件近似為理想彈性工作階段，卸載后殘余滑移近似歸零;荷載在0.5Qu內(nèi)循環(huán)加載時(shí)，試件為近似彈性工作階段，裂縫寬度和殘余滑移量增加均不明顯;當(dāng)荷載達(dá)0.5～0.7Qu時(shí)，試件進(jìn)入彈塑性工作階段;當(dāng)荷載從0.7Qu增加至Qu時(shí)，試件進(jìn)入破壞階段，裂縫寬度、條數(shù)和滑移量均明顯增加直至破壞。

圖11 承壓面Mises應(yīng)力

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得到S-PC剪力鍵的荷載-滑移關(guān)系，其計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合良好。對(duì)SPC剪力鍵試件通過(guò)實(shí)體有限元建模，利用ABAQUS通用有限元軟件的分析結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果符合較好。依據(jù)有限元分析結(jié)果，揭示了S-PC剪力鍵的傳力機(jī)制和不同部位及方向的應(yīng)力分布規(guī)律，為這種后澆混凝土的S-PC剪力鍵的研究和應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

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