開孔板連接件布置方法試驗研究

趙晨

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

開孔板連接件布置方法試驗研究

趙晨

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

基于42個推出模型試驗數(shù)據(jù)，對組合結(jié)構(gòu)橋梁中開孔板連接件的布置方法進行研究。結(jié)果表明：混凝土強度增加可以提高開孔板連接件抗剪承載力隨孔徑增加的增長率；孔徑和孔中鋼筋直徑相互匹配能有效提高開孔板連接件的抗剪承載力；混凝土板厚度、開孔板板厚、板高和板間距對抗剪承載力影響較小；為充分發(fā)揮開孔板連接件的抗剪能力，實際結(jié)構(gòu)中開孔板厚度宜大于8 mm，板間距不宜小于5.5倍孔徑。

開孔板連接件；組合結(jié)構(gòu)橋梁；布置方法；推出試驗

0　引言

鋼與混凝土結(jié)合面的連接件形式和布置對組合結(jié)構(gòu)力學性能影響很大［1］，一般常用圓柱頭焊釘連接件，而開孔板連接件以其抗疲勞性能良好、承載能力大的特點，近幾年在組合結(jié)構(gòu)橋梁中得到了廣泛應(yīng)用。開孔板連接件在橋梁結(jié)構(gòu)中主要有兩種應(yīng)用形式，即在鋼構(gòu)件加勁板上開孔，或直接在主要受力板件上開孔。各國學者對其承載性能進行了一系列研究，并提出了開孔板連接件的抗剪承載力計算方法［2-4］；同時，研究人員還進行了開孔板連接件試驗方法［5］、混凝土澆筑方式［6］和其構(gòu)造尺寸［7，8］等多方面研究。

目前，開孔板連接件的布置形式呈現(xiàn)復雜和多樣化，表1列出了國內(nèi)8座橋梁中開孔板的構(gòu)造形式。同時，由于材料的發(fā)展，開孔板孔徑、厚度以及孔中混凝土強度等較以往都有了一定提高。為適應(yīng)開孔板連接件的發(fā)展，方便設(shè)計，本文依據(jù)推出試驗數(shù)據(jù)分析，提出了組合結(jié)構(gòu)橋梁中開孔板連接件幾種主要構(gòu)造形式的布置方法。

1　開孔板連接件推出試驗

1.1試件制作及加載

如圖1所示，本文以開孔孔徑（d），孔中鋼筋直徑（ds），開孔板厚度（t）、板高（h）、板間距（e），混凝土板厚度（b）為變化參數(shù)，進行了14組、42個開孔板連接件推出試驗。制作試件時孔中鋼筋固定在圓孔的幾何中心位置，在開孔板鋼板底部設(shè)置55 mm厚度的泡沫墊塊，在鋼板與混凝土的結(jié)合面上涂抹潤滑油，以此忽略鋼與混凝土間的摩擦作用以及鋼板底部混凝土的承壓作用。

試件加載如圖2所示，推出試驗是通過對工字鋼翼緣施加推壓力，在模型試件混凝土板底部設(shè)置細沙墊層，在試件與千斤頂之間放置荷載分配梁，保證模型試件中開孔板圓孔均勻受力。

1.2試驗結(jié)果

14組開孔板連接件推出試驗結(jié)果見表2。

2　試驗結(jié)果分析

2.1開孔孔徑的影響

圖3給出在混凝土強度fcu=43.3 MPa、70.3 MPa時，3種孔徑d=50 mm、60 mm、75 mm的開孔板連接件抗剪承載力與開孔孔徑（d2-d2s）的變化關(guān)系?？辜舫休d力隨孔徑增加而增大，與孔中混凝土的抗剪面積成正比。主要因為在孔中鋼筋直徑不變的情況下，增加孔徑將增大孔中混凝土的抗剪面積，從而提高了開孔板連接件的抗剪承載力。

以江澤民為核心的第三代中央領(lǐng)導集體，高舉鄧小平理論偉大旗幟，準確把握時代特征，科學判斷我黨所處的歷史地位，圍繞建設(shè)中國特色社會主義這個主題，集中全黨智慧，以馬克思主義的理論勇氣進行理論創(chuàng)新，形成了“三個代表”重要思想。“三個代表”重要思想在鄧小平理論的基礎(chǔ)上，進一步回答了什么是社會主義、怎樣建設(shè)社會主義的問題，創(chuàng)造性地回答了建設(shè)什么樣的黨、怎樣建設(shè)黨的問題，集中起來就是深化了對中國特色社會主義的認識，又一次開拓了馬克思主義的新境界。

混凝土強度fcu=43.3 MPa時，3種孔徑的抗剪承載力增長率為k=1.3%；混凝土強度fcu=70.3 MPa時，3種孔徑的抗剪承載力增長率為k=3.9%。兩種混凝土強度增加60%，對應(yīng)抗剪承載力隨孔徑（d2-d2s）的增長率增加近3倍。表明混凝土強度的增長可以進一步增加開孔板連接件抗剪承載力隨孔徑的增長率。

2.2孔中鋼筋直徑的影響

開孔板連接件的抗剪由孔中混凝土、孔中鋼筋及其對混凝土的約束三部分作用構(gòu)成。其中，鋼筋對混凝土的約束作用主要表現(xiàn)為兩者間的握裹力，以及鋼筋彎曲時對被鋼筋所包裹區(qū)域的混凝土的壓縮約束作用。

表1　開孔板連接件應(yīng)用實例

圖1　模型試件

圖2　模型加載試驗

表2　推出試驗結(jié)果

圖4為開孔孔徑d=60 mm的模型試件，在孔中鋼筋直徑分別ds=16 mm、20 mm、25 mm時的抗剪承載力與鋼筋直徑ds2的變化關(guān)系。抗剪承載力隨鋼筋直徑的增加而增大，主要因為鋼筋直徑改變孔中鋼筋抗剪面積，對抗剪承載力產(chǎn)生直接影響。

圖3　開孔孔徑的影響

圖4　孔中鋼筋直徑的影響

當孔中鋼筋直徑由16 mm增至20 mm、25 mm時，抗剪承載力的增長率分別為k=30%、k=18%，增長率有所下降。主要因為當孔中鋼筋直徑較小時，鋼筋抗剪及其對混凝土的約束作用均較小。當直徑增加，鋼筋自身抗剪能力增大，但彎曲變形量隨抗彎剛度的增加而降低，從而消弱鋼筋變形對混凝土的約束作用。鋼筋直徑增加至一定值時，鋼筋變形對混凝土的約束作用減少較多，或同時因為圓孔與孔中鋼筋之間孔隙較小，阻礙粗骨料的進入，從而使得抗剪承載力的增加幅度有所降低。因此，孔中鋼筋直徑與開孔孔徑應(yīng)匹配合適，才能有效提高開孔板連接件的抗剪能力。

本文三組鋼筋直徑的試件，孔中鋼筋截面積與孔截面積比AS/A分別為7%、11%、17%。當孔中配筋率達到11%后，抗剪承載力增長率開始降低。因此，實際結(jié)構(gòu)中為最大效率提高開孔板連接件的抗剪承載力，AS/A宜控制在7%～11%范圍內(nèi)。表3給出了幾種較合理的孔徑與孔中鋼筋直徑的對應(yīng)關(guān)系。

表3　孔徑與孔中鋼筋直徑對應(yīng)關(guān)系

圖5為開孔孔徑d=65 mm的模型試件，在開孔板厚度t=16 mm、22 mm時的抗剪承載力與板厚的變化關(guān)系。兩種板厚時的抗剪承載力分別Vu=393.7 kN、404.0 kN，僅增長2.8%。當板厚小于8 mm時，開孔板連接件發(fā)生鋼板的剪切破壞和開孔板前端混凝土的割裂破壞［3］。此時，開孔板連接件承載能力低，變形性能差。當板厚大于8 mm時，開孔板連接件將發(fā)生孔中混凝土的剪切破壞，能充分發(fā)揮開孔板連接件的抗剪能力。此時，板厚不改變孔中混凝土和鋼筋的抗剪面積及材料特性，其變化對抗剪承載力基本不產(chǎn)生影響。

圖5　開孔板厚度的影響

2.4開孔板高度的影響

圖6為開孔板高度，分別為h=100 mm、150 mm時的抗剪承載力與板高的變化關(guān)系。兩種板高時的抗剪承載力分別Vu=329.6 kN、332.1 kN，僅增長0.9%。主要因為試件底部設(shè)置泡沫墊塊，忽略了鋼板底部混凝土的承壓作用，板高對抗剪承載力基本不產(chǎn)生影響。在橋梁結(jié)構(gòu)中，一般開孔板連接件沿主要受力方向連續(xù)開孔，其鋼板底部混凝土承壓作用占比較小，開孔板連接件抗剪性能與本文試件相似；而當實際構(gòu)件沿受力方向開孔數(shù)量較少時，則不能忽略鋼板底部的承壓作用，板高對抗剪承載力將產(chǎn)生一定影響。

圖6　開孔板高度的影響

2.5開孔板板間距的影響

圖7為開孔孔徑d=60 mm的模型試件，在開孔板板間距分別e=75 mm、150 mm、200 mm時的抗剪承載力與板間距的變化關(guān)系。板間距由e=75 mm增至200 mm，抗剪承載力僅增長2.0%，板間距對抗剪承載力影響較小。

圖7　開孔板板間距的影響

實際結(jié)構(gòu)中，開孔板連接件通過圓孔周圍的混凝土將荷載傳遞出去，當多排并列布置時，相鄰兩排的開孔板連接件相互影響，單孔抗剪承載力有所降低；當板間距增大時，相鄰兩板的相互影響減弱，單孔抗剪承載力隨之增大并最終趨于穩(wěn)定，類似于焊釘連接件的群釘效應(yīng)［1］。這種影響與開孔孔徑有直接關(guān)系，當孔徑增大，開孔板連接件需要傳遞的荷載增大，傳遞剪力所需周圍混凝土的區(qū)域也變大。

表4　板間距對抗剪承載力的影響

兩組試件中抗剪承載力最小值分別為Vu（min）= 332.1 kN、215.7 kN。圖8給出試驗數(shù)據(jù)中的抗剪承載力比（Vu/Vu（min））與板間距和孔徑比（e/d）的變化關(guān)系?？梢钥闯?，當板間距小于5.5倍孔徑時，抗剪承載力基本不隨板間距的變化而改變。當板間距超過5.5倍孔徑時，抗剪承載力達到最大值，約為之前抗剪承載力的1.1倍。由此，實際結(jié)構(gòu)中為充分發(fā)揮開孔板連接件的抗剪能力，板間距不宜小于5.5倍孔徑。

圖8　板間距與孔徑比對抗剪承載力的影響

2.6混凝土板厚度的影響

圖9為混凝土板厚度分別b=300 mm、400 mm時的抗剪承載力與混凝土板厚度的變化關(guān)系。兩種厚度時的抗剪承載力僅增長1.7%，其對抗剪承載力影響較小。因此對于橋梁結(jié)構(gòu)，設(shè)計時不需單獨考慮為增加開孔板連接件抗剪承載力而加大混凝土板的厚度。

圖9　混凝土板厚度的影響

3　結(jié)語

本文進行了42個推出模型試驗，對開孔孔徑、孔中鋼筋直徑、開孔板厚度、高度、板間距和混凝土板厚度的布置方法進行研究。結(jié)果如下：

（1）混凝土強度增加可以進一步提高開孔板連接件抗剪承載力隨孔徑增加的增長率。

（2）孔中鋼筋直徑與開孔孔徑應(yīng)匹配合適，才能有效提高開孔板連接件的抗剪承載力。

（3）為充分發(fā)揮開孔板連接件的抗剪能力，開孔板厚度宜大于8 mm，板間距不宜小于5.5倍孔徑。此時，兩者變化對開孔板連接件抗剪承載力基本不產(chǎn)生影響。

（4）橋梁結(jié)構(gòu)中沿主要受力方向連續(xù)開孔的開孔板連接件，板高對其抗剪承載力影響較小。

（5）混凝土板厚度對抗剪承載力影響較小，設(shè)計時不需單獨考慮為增加開孔板連接件抗剪承載力而加大混凝土板的厚度。

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U442.5

B

1009-7716（2016）06-0306-05

2016-02-01

趙晨（1983-），男，山東棗莊人，博士，工程師，從事橋梁設(shè)計工作。