鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)抗剪連接構(gòu)件承載力試驗研究

張 瑾

(中核新能核工業(yè)工程有限責任公司，山西 太原 030012)

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鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)抗剪連接構(gòu)件承載力試驗研究

張 瑾

(中核新能核工業(yè)工程有限責任公司，山西 太原 030012)

對PBL連接件在一些重要工程中能很好地滿足使用要求的情況進行了分析，并在傳統(tǒng)PBL連接件的基礎(chǔ)上設(shè)計了兩種改良型抗剪連接件，即波形開孔板抗剪連接件、開孔折板抗剪連接件，經(jīng)過試驗證實，這兩種抗剪連接件能有效提高鋼—混凝土構(gòu)件的力學性能與兩種材料間的協(xié)同工作能力。

鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)，抗剪連接件，PBL，試驗研究

近年來隨著建筑工業(yè)的蓬勃發(fā)展，鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)越來越多地出現(xiàn)在建設(shè)工程當中。作為一種新興的建筑結(jié)構(gòu)形式，鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)解決了鋼結(jié)構(gòu)剛度較小，用鋼量較高，造價較高的缺點，而與普通的混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)能夠更加良好地發(fā)揮鋼材抗拉能力強，變形能力強與混凝土抗壓能力強的雙重優(yōu)勢，實現(xiàn)鋼與混凝土更加良好的協(xié)同工作機制。

鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)是由兩種材料共同作用來實現(xiàn)其結(jié)構(gòu)承載作用的，因此不同材料的自身屬性與材料間結(jié)合形式都會對整體結(jié)構(gòu)承載力產(chǎn)生較大影響。在鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)中，抗剪連接件的主要作用是承受鋼構(gòu)件與混凝土翼板接觸面之間產(chǎn)生的縱向剪力，并通過錨固等措施來增大材料接觸面的摩阻力，從而阻止因剪力而產(chǎn)生的相對滑動。為了滿足多樣化的連接形式與不同的承載力設(shè)計要求，抗剪連接件的形式多種多樣，其中栓釘連接因其施工方便連接可靠而被廣泛采用。但隨著鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛，栓釘連接易產(chǎn)生疲勞斷裂，且施工質(zhì)量不易控制的缺點逐漸顯露，在較薄的鋼構(gòu)件上進行栓釘焊接時還容易產(chǎn)生焊透現(xiàn)象。PBL抗剪連接件作為一種新型連接方式具有連接可靠，抗疲勞壽命長[4-]6〗的優(yōu)點，在一些重要工程的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位中越來越多地取代了栓釘連接。本文針對PBL抗剪連接件進行了改良，設(shè)計了兩種新型PBL抗剪件，并試制了一批改良PBL連接小梁進行加載試驗，與原PBL連接小梁進行對比，單因素討論了抗剪連接形式對構(gòu)件承載力的影響。

1 新型PBL抗剪連接件構(gòu)造

1.1 波形開孔板抗剪連接件

這種新型連接方式將如圖1所示的原PBL連接件的兩塊平行開孔鋼板替換為波形開孔鋼板，于波峰、波谷處分別設(shè)置一對貫通孔，然后在貫通孔中穿入鋼筋，形成一套抗剪連接體系(見圖2)。與傳統(tǒng)的PBL連接件相比，這種連接方式有兩大優(yōu)勢：其一，在連接件總長度不變的情況下通過設(shè)置波形鋼板增大了鋼—混凝土接觸面積，從而增加了兩種材料間的摩擦力；其二，波形鋼板波峰波谷間的混凝土與鋼構(gòu)件相互接槎，形成了沿鋼板縱向的抗拔體系，提高了連接件與混凝土的縱向摩阻力。但是在應(yīng)用此類連接件時應(yīng)注意相鄰兩塊鋼板的間距，防止間距過小而導致混凝土不能澆筑到鋼板間，影響其工作性能。

1.2 開孔折板抗剪連接件

開孔折板抗剪連接件的設(shè)計思路是把原PBL連接件的兩條平行鋼板等分后進行隔塊切割，然后將鋼板的被切割部分進行向左或向右的90°彎折并焊接在翼緣板上，在最終形成的L形鋼板的兩肢設(shè)置相對應(yīng)的貫通孔，最后在貫通孔中插入鋼筋，組成上下的正交貫通鋼筋，構(gòu)成一套新型抗剪連接體系(見圖3)。與原PBL連接件相比，這種連接件增加了折形鋼板來承受縱向剪力，而縱橫向的貫通鋼筋形成了一層鋼筋網(wǎng)片，與鋼筋間的混凝土共同作用阻止鋼構(gòu)件與混凝土接觸面在兩個方向的相對滑移。

2 對比試驗

2.1 試件設(shè)計

為驗證改進抗剪件連接形式對鋼—混凝土構(gòu)件力學性能有影響，現(xiàn)設(shè)計三組采用不同抗剪連接件的小梁進行集中力加載試驗，每個實驗組含7個相同小梁，各組試件鋼結(jié)構(gòu)部分均采用8 mm厚Q345鋼焊接而成，鋼筋采用HRB335(Ⅱ級鋼)，試件的其余參數(shù)如表1所示。

表1 各組試件參數(shù) mm

2.2 試驗方式

試件制作完成后安裝在1 000 kN加載試驗架上，并用一臺1 500 t油壓千斤頂進行跨中兩點對稱集中加載試驗，加載形式如圖4所示。

試件安裝完畢后，一次在試驗梁的兩端支點，跨中，對稱荷載加載點這5處安裝位移計和千分表，用來測量試驗加載時試件鋼—混凝土界面的相對滑移和試件這幾個點的豎向變形。本試驗中采用階段性勻速加載并在不同的荷載范圍內(nèi)逐級遞減的方式進行加載試驗，直至試件破壞，具體加載速度如表2所示。

2.3 試驗結(jié)果

對每組取得的荷載與相對滑移值，去掉最小與最大值，取剩余數(shù)據(jù)的平均值為最終結(jié)果，最后得到的荷載—相對滑移曲線如圖5所示。

表2 試件加載速度

每組隨機選取一條梁進行加載，觀測可得出：在加載試驗過程中，當荷載達到410 kN時OP-1試件的鋼—混凝土接觸面開始出現(xiàn)裂縫，當荷載達到470 kN時，OP-1試件的跨中混凝土結(jié)構(gòu)部分開始出現(xiàn)豎向裂縫，當荷載達到510 kN時混凝土部分未完全被壓碎，但鋼—混凝土結(jié)合部分完全撕裂，小梁整體已經(jīng)破壞，加載停止。而NP-1與NP-2試件均在荷載達到470 kN時，鋼—混凝土接觸面與混凝土跨中開始出現(xiàn)裂縫，在荷載達到550 kN時試件混凝土部分被壓碎，從而試件整體結(jié)構(gòu)破壞，加載停止。

3 結(jié)果分析

由以上實驗結(jié)果可以得知，在改進抗剪連接件連接形式后，鋼—混凝土組合構(gòu)件的極限承載力略有提高，鋼—混凝土相對滑移有一定下降，二者結(jié)合能力大幅度提高，在配筋相同的情況下，改進連接件前試件破壞主要是鋼—混凝土連接破壞，但改進連接件后試件破壞原因是混凝土受壓破壞。這表明新型鋼—混凝土組合小梁中，鋼構(gòu)件與混凝土之間的接槎咬合作用提高了兩種材料的結(jié)合作用，能夠充分發(fā)揮混凝土的承壓能力，有效地提升構(gòu)件的整體性與變形協(xié)調(diào)能力。且縱橫向貫穿鋼筋也在一定程度上提升了鋼—混凝土構(gòu)件結(jié)合力，這也是在加載試驗中NP-2組表現(xiàn)優(yōu)于NP-1組的原因之一。

4 結(jié)語

1)改進后的兩種新型連接方式均可以有效加強鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的整體性與協(xié)調(diào)工作能力。2)抗剪連接件中鋼構(gòu)件與混凝土之間的接觸面積與接觸方式會對連接件的力學性能產(chǎn)生較大影響。3)開孔折板抗剪連接件的工作性能優(yōu)于波形折板抗剪連接件。4)貫通鋼筋的數(shù)量與擺放方式也能在一定程度上影響鋼—混凝土組合構(gòu)件中兩種材料的結(jié)合能力，需要進一步設(shè)計實驗進行研究。

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[3]丁發(fā)興,倪 鳴,龔永智,等.栓釘剪力連接件滑移性能試驗研究及受剪承載力計算.建筑結(jié)構(gòu)學報,2014(9):98-106.

[4]肖 林,衛(wèi) 星,強士中.兩類PBL剪力鍵推出試驗的對比研究.土木工程學報,2013(11):70-80.

[5]張清華,李 喬,卜一之.PBL剪力連接件群傳力機理研究(Ⅰ):理論模型.土木工程學報,2011(4):71-77.

[6]張清華,李 喬,卜一之.PBL剪力連接件群傳力機理研究(Ⅱ):極限承載力.土木工程學報,2011(5):101-108.

The analyze of bearing capacity of the shear connector of the steel-concrete composite structures

Zhang Jin

(CNNCXinnengNuclearEngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030012,China)

The paper analyzes PBL connectors’ role in some important engineering, design two improved connectors on the basis of traditional PBL connectors including wave-style hole-opening anti-shearing connector and hole-opening anti-shearing connector. Experimental results show that: both of the connectors improved mechanical performance of steel-concrete structure and their coordinative capacities as well.

steel-concrete composite structure, anti-shearing connector, PBL, experimental research

1009-6825(2015)01-0055-03

2014-10-25

張 瑾(1987- )，男，助理工程師

TU398

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