竹-混凝土組合結(jié)構(gòu)螺釘剪力連接件推出試驗(yàn)研究*

俞　宏　吳文清　張立志　車慧敏

(江蘇省南京市交通運(yùn)輸局1)　南京　210008)　(東南大學(xué)交通學(xué)院2)　南京　210096)

(江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司3)　南京　210005)

(中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司江蘇分院4)　南京　210019)

竹-混凝土組合結(jié)構(gòu)螺釘剪力連接件推出試驗(yàn)研究*

俞宏1)吳文清2)張立志3)車慧敏4)

(江蘇省南京市交通運(yùn)輸局1)南京210008)(東南大學(xué)交通學(xué)院2)南京210096)

(江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司3)南京210005)

(中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司江蘇分院4)南京210019)

摘要：為了充分利用環(huán)境友好型材料竹材，文中提出了竹材-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋面板，即以抗拉強(qiáng)度較高的竹膠板作為受拉區(qū),而以抗壓強(qiáng)度較高的混凝土作為受壓區(qū)，2種材料界面處采用螺釘剪力連接件而形成竹-混凝土組合結(jié)構(gòu)板.為了掌握竹-混凝土組合結(jié)構(gòu)螺釘剪力鍵的抗剪承載能力等基本力學(xué)性能，完成了9組共27個(gè)推出試件的推出試驗(yàn)，綜合研究了螺釘?shù)闹睆健⑨斎虢嵌?、順紋向排列間距對(duì)螺釘連接件抗剪承載能力的影響，并對(duì)推出試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合處理分析，提出了該螺釘剪力鍵的抗剪承載能力、抗剪剛度計(jì)算公式,以及螺釘剪力鍵荷載-滑移曲線的函數(shù)表達(dá)式，為該類型剪力連接件在竹-混凝土組合結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用提供必要的前提.

關(guān)鍵詞：竹-混凝土組合結(jié)構(gòu)；螺釘剪力連接件；抗剪承載能力；抗剪剛度；界面滑移

俞宏(1971- )：男，高級(jí)工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)樾虏牧吓c新型橋梁結(jié)構(gòu)

0引言

在組合結(jié)構(gòu)中剪力連接件在組合結(jié)構(gòu)中起著重要的連接和傳力作用，主要用來承擔(dān)竹膠板與混凝土之間的縱向水平剪力，并抵抗兩者之間的掀起作用.由于抗剪連接件受力比較復(fù)雜，不易采用理論推導(dǎo)方法確定其承載能力及其他性能指標(biāo)，一般通過試驗(yàn)的方法獲得.與竹-混凝土組合結(jié)構(gòu)相類似的木-混凝土組合結(jié)構(gòu)，在國內(nèi)外已有較多的研究成果可供竹-混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展借鑒使用.至目前為止，木-混凝土組合梁中的剪力連接件種類繁多，根據(jù)國外各類木結(jié)構(gòu)連接件設(shè)計(jì)規(guī)范，大體可分為：釘類、螺釘、螺栓和銷類剪力連接件等[1].本文主要針對(duì)竹-混凝土組合結(jié)構(gòu)的螺釘剪力連接件基本力學(xué)性能展開試驗(yàn)研究.

目前國內(nèi)外螺釘連接件的抗剪承載能力及抗剪剛度計(jì)算公式?jīng)]有統(tǒng)一的形式，更沒有細(xì)化到木-混凝土組合梁螺釘連接件的計(jì)算.文獻(xiàn)[2-4]均認(rèn)為螺釘連接件的特征剛度值有3個(gè)，分別為在荷載作用達(dá)到40%,60%,80%極限荷載時(shí)荷載-滑移曲線的割線斜率K0.4,K0.6,K0.8，其中假定K0.4為連接件的初始剛度，K0.6可用于正常使用極限狀態(tài)下的剛度計(jì)算，在此之前為構(gòu)件為彈性工作狀態(tài)，K0.8可用于承載能力極限狀態(tài)下的剛度計(jì)算.Dias[5]通過試驗(yàn)得到了螺釘剪力鍵極限荷載及其屈服荷載的計(jì)算模型，該模型被Eurocode5所采用，計(jì)算模型考慮了木材順紋抗壓強(qiáng)度、混凝土抗壓強(qiáng)度以及螺釘?shù)目估瓘?qiáng)度及尺寸的影響.

借鑒木-混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展，本文提出了竹-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋面板，即以抗拉強(qiáng)度較高的竹膠板作為受拉區(qū)而以抗壓強(qiáng)度較高的混凝土作為受壓區(qū)組成組合結(jié)構(gòu)板，充分發(fā)揮2種材料各自的特性，有效提高結(jié)構(gòu)剛度，降低結(jié)構(gòu)變形.在竹膠板與混凝土兩種材料的界面處采用螺釘剪力連接件，屬于非連續(xù)柔性連接件.

由于本文提出的竹膠板-混凝土組合結(jié)構(gòu)未見相關(guān)研究成果，對(duì)其剪力連接件的抗剪承載力尚沒有確定的計(jì)算公式，所以需要根據(jù)試驗(yàn)確定其屈服承載能力、極限承載力及其他設(shè)計(jì)參數(shù).本文將采用推出試驗(yàn)來研究螺釘剪力鍵的抗剪承載能力的影響因素、螺釘剪力鍵抗剪承載能力的計(jì)算公式、螺釘剪力鍵荷載-滑移曲線的函數(shù)表達(dá)式，以及抗剪剛度確定方法等.

1竹-混凝土組合結(jié)構(gòu)的剪力連接件推出試驗(yàn)

1.1推出試件的設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)[6-8]及具體研究工程實(shí)際、試驗(yàn)室現(xiàn)有試驗(yàn)材料，設(shè)計(jì)以下竹膠合板-混凝土組合結(jié)構(gòu)的剪力推出試件，共9組27個(gè)試件，每組3個(gè)試件，推出試件示意圖見圖1，竹膠板尺寸為136 mm×200 mm×60 mm，混凝土尺寸為136 mm×200 mm×200 mm，其他參數(shù)見表1.

圖1　剪力推出試件示意圖(單位：cm)

編號(hào)螺釘直徑/mm螺釘橫向間距/mm螺釘縱向間距/mm螺釘與構(gòu)件表面夾角/°I類II類III類BC185090BC2105090BC3125090BC4105045BC51050-45 BC610505090BC710507090BC8105010090BC9無螺釘,竹膠板和混凝土自然粘結(jié)

螺釘連接件的釘入角度見圖2.當(dāng)角度為正時(shí)，螺釘連接件受壓剪力；當(dāng)螺釘角度為負(fù)時(shí)，螺釘連接件受拉剪力.

圖2　螺釘釘入角度示意圖

1.2試驗(yàn)裝置及加載方案

加載裝置：本次試驗(yàn)在TYA-2000型電液式壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.推出試件主要測(cè)量混凝土與竹膠板之間的滑移，本文試驗(yàn)中忽略竹膠板受壓的變形值，認(rèn)為螺釘連接件的滑移量就等于試驗(yàn)機(jī)壓力板的向下位移.因此在試件左右兩側(cè)分別用百分表測(cè)量壓力板的位移，取兩側(cè)百分表讀數(shù)的平均值作為螺釘剪力鍵兩種材料之間的相對(duì)滑移值.

加載方案：由于TYA-2000型電液式壓力試驗(yàn)機(jī)是手動(dòng)控制油壓加載，在試件出現(xiàn)較大位移時(shí)，壓力機(jī)的壓力板會(huì)與試件脫離，荷載不再增加，故認(rèn)為壓力機(jī)荷載不再增加時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載為推出試件的最大承載力.先進(jìn)行預(yù)加載，觀測(cè)各個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)是否合理，然后及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，確認(rèn)無誤后開始正式加載.整個(gè)加載過程的加載速率為5 880 N/min，當(dāng)荷載不再增加即試件出現(xiàn)較大滑移變形停止加載.

1.3試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)各組剪力件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)所繪制的單個(gè)螺釘剪力鍵的荷載-滑移曲線，見圖3.

分析各組試件螺釘連接件的荷載-滑移曲線可得：

1) 試件從加載到破壞共經(jīng)歷了2個(gè)受力階段，在加載初期，試件處于彈性階段，此時(shí)荷載-滑移曲線基本上呈線性關(guān)系，當(dāng)荷載加至屈服點(diǎn)時(shí)，試件進(jìn)入塑性階段，該階段變形速度明顯加快.

2) 其極限荷載隨著螺釘直徑的增大有明顯的增加，加大螺釘直徑對(duì)于提高螺釘剪力連接件的極限承載力十分有效.

3) 由BC-2,BC-4,BC-5三組試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)螺釘與竹膠板表面的夾角由45°(壓剪狀態(tài))、90°(純剪狀態(tài))變化至-45°(拉剪狀態(tài))時(shí)，連接件的極限承載力顯著增大，即當(dāng)螺釘處于拉剪狀態(tài)時(shí)，其極限承載力大于純剪及壓剪狀態(tài)，該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后續(xù)通過有限元分析重點(diǎn)進(jìn)行解釋.

圖3　推出試件荷載-滑移曲線

圖4　螺釘連接件承載能力的取值方法

4)由圖3f)～圖3h)所示極限承載力的比較來看，螺釘沿剪切方向的布置間距大小對(duì)其單個(gè)螺釘剪力連接件極限荷載影響不大.

雖然剪力連接件的極限承載力可通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)直接獲得，但是屈服承載力難以從荷載-滑移曲線上直接得到.根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]，螺釘連接件屈服點(diǎn)的位置可通過5%的偏移量來確定,即荷載-滑移曲線與一平行線的交點(diǎn)即為屈服點(diǎn)，該平行線與其線性階段切線相平行，且平行線的偏移量為螺釘直徑的5%，見圖4.依據(jù)該方法，計(jì)算各工況下的單個(gè)螺釘連接件屈服荷載，見表2.

由表2數(shù)據(jù)分析可得：

1) 單個(gè)螺釘剪力連接件的屈服荷載為其極限荷載的65%，屈服荷載隨著螺釘直徑的增大有明顯的增加，如直徑最大的BC3組試件，其屈服承載力最高；當(dāng)螺釘處于拉剪狀態(tài)(BC5)時(shí)，其屈服荷載大于純剪(BC2)及壓剪狀態(tài)(BC4),且純剪狀態(tài)(BC2)時(shí)承載力大于壓剪狀態(tài)(BC4)時(shí)承載力，即從屈服承載力的遞增順序是：壓剪狀態(tài)純剪拉剪狀態(tài)，說明在同樣直徑狀態(tài)下，螺釘處于拉剪狀態(tài)下的屈服承載力最高；螺釘沿剪切方向的布置間距對(duì)其單個(gè)螺釘剪力連接件屈服荷載影響不大.

2) 單個(gè)螺釘剪力連接件的屈服滑移約為極限滑移的32%,說明后續(xù)塑性變形仍較長(zhǎng)，剪力件延性較好.

3) 與對(duì)承載能力的影響不同，螺釘直徑對(duì)屈服位移值的影響很小，幾乎不變；螺釘沿剪切方向的布置間距對(duì)其剪力連接件屈服位移影響也不大；當(dāng)螺釘與竹膠板表面的夾角為45°(BC4壓剪狀態(tài))、-45°(BC5拉剪狀態(tài))時(shí)，其屈服位移均小于純剪狀態(tài)，但是這種狀態(tài)與屈服承載力的變化沒有相關(guān)性.以上事實(shí)說明，螺釘剪力連接件的屈服承載力變化與屈服位移之間缺乏相關(guān)性.

表2　單個(gè)螺釘連接件的極限承載能力和屈服承載能力

2竹-混凝土螺釘連接件的承載能力計(jì)算方法研究

2.1單個(gè)螺釘連接件承載能力建議公式

雖然實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理表明，螺釘剪力連接件的屈服承載力是極限承載力的0.6倍，但是沒有相應(yīng)的承載力設(shè)計(jì)計(jì)算公式，尚不能用于實(shí)際工程.本文參照文獻(xiàn)[5]提出的計(jì)算公式，利用推出試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)，通過擬合處理的方法，確定本文的單個(gè)螺釘連接件極限承載力計(jì)算公式

(1)

式中： β為混凝土的極限抗壓強(qiáng)度與竹膠板順紋方向極限抗壓強(qiáng)度之比；Mu為螺釘極限抗彎承載力，kN·m；fh為竹膠板順紋方向極限抗壓強(qiáng)度，MPa；d為螺釘直徑，mm.

基于同樣的方法，得到單個(gè)螺釘連接件的屈服承載力計(jì)算公式為

(2)

式中： My為螺釘屈服抗彎承載力，kN·m.

本文中螺釘?shù)臉O限抗拉強(qiáng)度為400 MPa，屈服強(qiáng)度為180 MPa.由式(1),(2)，計(jì)算屈服荷載與極限荷載比值Fy/Fu為0.65.

即按式(1),(2)計(jì)算得到螺釘剪力鍵的屈服荷載為其極限荷載的65%，與文獻(xiàn)[9-10]中通過5%的偏移量確定螺釘剪力鍵屈服點(diǎn)的位置所得到的結(jié)果一致，由此說明上述螺釘剪力連接件的抗剪承載力計(jì)算公式是合理可行的.

2.2荷載-滑移曲線建議公式

參照文獻(xiàn)[11] ，對(duì)本文推出試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合[12]，回歸得到的荷載-滑移曲線見圖5.螺釘連接件的荷載-滑移曲線可表示為

(3)

式中：F為單個(gè)螺釘連接件所承受的剪力，kN；Fu為單個(gè)螺釘剪力鍵的極限荷載，kN；S為與所承受的剪力相應(yīng)的滑移量，mm.

圖5　荷載-滑移曲線回歸擬合曲線

2.3單個(gè)螺釘連接件剛度K的取值

本文取60%極限荷載(即稍小于屈服荷載點(diǎn))處的割線剛度作為抗剪剛度，令(1-e-0.3s)0.8=0.6，可得：

s0.6=2.832

Fu/2.832=0.226Fu

(4)

式中：K0.6為荷載達(dá)到螺釘連接件極限荷載60%時(shí)的抗剪剛度，定義為螺釘?shù)目辜魟偠?，MPa；s0.6為荷載達(dá)到極限荷載60%時(shí)的竹膠板與混凝土板間的相對(duì)滑移，mm.

3結(jié)論

1) 試件從加載到破壞共經(jīng)歷了2個(gè)受力階段，在加載初期，試件處于彈性階段，此時(shí)荷載-滑移曲線基本上呈線性關(guān)系，當(dāng)荷載加至屈服點(diǎn)時(shí)，試件進(jìn)入塑性階段，變形速度明顯加快.

2) 單個(gè)螺釘?shù)目辜舫休d能力隨著螺釘直徑的增大有明顯的增加，加大螺釘直徑對(duì)于提高螺釘剪力連接件的承載力十分有效；當(dāng)螺釘處于拉剪狀態(tài)時(shí)，其承載能力大于純剪及壓剪狀態(tài)；螺釘沿剪切方向的布置間距對(duì)其單個(gè)螺釘剪力連接件的承載能力影響不大.

3) 通過5%的偏移量來確定單個(gè)螺釘剪力連接件的屈服荷載仍然適用，分析表明單個(gè)螺釘連接件的屈服荷載為其極限荷載的65%，屈服滑移約為極限滑移的32%.

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Research of Push-out Test on Screw Connector

of Bamboo-concrete Composite Structure

中圖法分類號(hào)：TU366.3

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.016

收稿日期：2014-10-22

YU Hong1)WU Wenqing2)ZHANG Lizhi3)CHE Huimin4)
(NanjingCityTransportationBureauofJiangsuProvince,Nanjing210008，China)1)
(SchoolofTraffic,SoutheastUniversity,Nanjing211189，China)2)

(JiangsuCommunicationsConsulting&DesignInstitute,Nanjing210005，China)3)

(ChinaNorthwestMunicipalEngineeringDesign&

ResearchInstituteCo.,Ltd.JiangsuBranch,Nanjing210019，China)4)

Abstract：In order to make full use of environmental friendly materials of bamboo, a bamboo - concrete composite bridge deck is presented firstly in this paper, that is bamboo plywood with a higher tensile strength works as tension zone and concrete with higher compressive strength works as compression zone,bamboo-concrete composite structure is shaped with screw shear connectors in two kinds of materials at the interface.For grasping the basic mechanics such as shear bearing capacity of screw shear connector on bamboo-concrete composite structure , nine groups of push-out specimens have been tested in this paper , the comprehensive study of the influence of diameter, screw into the angle, longitudinal direction spacing on the screw shear bearing capacity were conducted. A fitting analysis is conducted to the push out test data, the calculating formula of shear capacity and shear stiffness, as well as the function expression of load-slip curve of screw shear connector are all proposed, which will provides the necessary premise in the actual application of bamboo - concrete composite structure with this type of shear connection.

Key words：bamboo-concrete composite structure; screw shear connector; shear capacity; shear stiffness; interface slip

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(批準(zhǔn)號(hào)：51078079)