開孔鋼板型竹混凝土連接件荷載滑移性能

魏 洋 李 寧 吳 剛 端茂軍 李國芬

(1南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210037)(2東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室, 南京 210096)

開孔鋼板型竹混凝土連接件荷載滑移性能

魏 洋1,2李 寧1吳 剛2端茂軍1李國芬1

(1南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210037)(2東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室, 南京 210096)

為研究開孔鋼板型竹-混凝土剪力連接件的力學(xué)行為,對3個開孔鋼板型連接件進(jìn)行了靜載推出試驗,并采用位移計測量法和數(shù)字圖像相關(guān)法對界面滑移進(jìn)行測量．試驗結(jié)果表明,試件破壞時開孔鋼板與竹材之間未發(fā)生明顯破壞,開孔鋼板孔內(nèi)混凝土抗剪榫及鋼板下部混凝土支撐面發(fā)生破壞,破壞過程未見劇烈的破壞反應(yīng),破壞模式屬于延性破壞．連接件的極限承載力標(biāo)準(zhǔn)差較小,承載力學(xué)性能穩(wěn)定．剪力件兩側(cè)滑移沿高度整體分布規(guī)律一致,表明開孔鋼板剪力件的剪力傳遞均勻,荷載-滑移曲線顯示其具有很好的滑移變形能力．開孔鋼板型竹-混凝土剪力連接件的抗剪承載力主要由開孔鋼板孔內(nèi)混凝土抗剪榫及鋼板下部混凝土支撐面提供,特定的鋼-混凝土連接件承載力計算模型對于新型開孔鋼板型竹-混凝土連接件承載力的預(yù)測具有一定的適用性．

組合結(jié)構(gòu);竹-混凝土;連接件;推出試驗;數(shù)字圖像相關(guān)法 (DIC)

竹材具備綠色、低碳、節(jié)能、生態(tài)、環(huán)保等特點,已經(jīng)成為土木工程新型結(jié)構(gòu)材料研究的熱點[1-4].多種材料的組合結(jié)構(gòu)常常能獲得優(yōu)于單一材料的綜合性能,將竹材與混凝土組合,形成竹-混凝土組合結(jié)構(gòu)是提高竹結(jié)構(gòu)的跨越與承載能力的一種有效方法.文獻(xiàn)[5-6]研究了銷栓型連接件的竹-混凝土組合結(jié)構(gòu)的受彎性能,組合結(jié)構(gòu)的抗彎承載力及剛度得到大幅度提高,銷栓型連接件為竹、混凝土之間提供了可靠的連接,表現(xiàn)了柔性的連接特性．在將竹材與混凝土可靠地連接成一體而共同工作的過程中,剪力連接件起到關(guān)鍵的連接作用．國內(nèi)外針對木-混凝土組合結(jié)構(gòu)的連接件主要開發(fā)了栓釘、螺釘、凹槽、彎起鋼筋等形式[7-9],這些連接件主要以離散型點式連接件為主,集中應(yīng)力較大,容易在連接件布置處集中受力破壞．本文提出了一種新型開孔鋼板型竹-混凝土連接件,以期為竹與混凝土之間的連接提供更加有效與可靠的連接手段．為研究新型開孔鋼板型竹-混凝土連接件的荷載-滑移性能,制作了3個開孔鋼板連接件試件并進(jìn)行了推出試驗,分析其試件的破壞形態(tài)．然后,采用先進(jìn)的數(shù)字圖像相關(guān)法[10],對連接件的界面滑移進(jìn)行全場測量,得出整個滑移界面的相對滑移規(guī)律．

1 試驗材料

試驗用到的材料有混凝土、重組竹、開孔鋼板、構(gòu)造鋼筋、環(huán)氧樹脂膠．本試驗共制作了相同參數(shù)的3個試件,編號分別為P1,P2,P3．試件由1個140 mm×350 mm×70 mm的竹板和2塊140 mm×350 mm×70 mm的混凝土板組成,竹板位于中部位置,混凝土板對稱布置于竹板的兩側(cè),并與竹板通過扁平開孔鋼板連接件相連(見圖1(a))．剪力連接件采用100 mm×100 mm×2 mm的鋼板制作(見圖1(b))．考慮到試件制作時混凝土集料粒徑較大(最大粒徑為15 mm),為使孔中混凝土順利形成抗剪榫,在扁平開孔鋼板上部設(shè)置1排2列直徑為25 mm的圓孔;考慮到環(huán)氧樹脂膠較好的流動性,為了增加黏結(jié)面積,并使得黏結(jié)力均勻分布,在開孔鋼板下部設(shè)置3排5列直徑為10 mm的小圓孔．試件制作過程如下:首先在竹板上開設(shè)縱縫,縱縫深度為60 mm,寬2.5 mm,利用環(huán)氧樹脂膠將開孔鋼板植入竹板中部位置,鋼板埋入竹材深度60 mm,外露40 mm;待環(huán)氧樹脂膠固化后,按設(shè)計尺寸搭設(shè)模板,并放入綁扎好的構(gòu)造鋼筋,拌制并澆筑混凝土;經(jīng)過養(yǎng)護(hù)后拆模,便可得到成品試件．試驗所用重組竹的實測抗拉強(qiáng)度為149.5 MPa,抗壓強(qiáng)度為90.1 MPa;混凝土配合比m(水泥)∶m(水)∶m(砂)∶m(碎石)=1∶0.41∶1.33∶2.65,實測立方體抗壓強(qiáng)度為45.4 MPa,圓柱體抗壓強(qiáng)度為35.6 MPa,彈性模量為28.2 GPa;實測鋼板的屈服強(qiáng)度為253.4 MPa,彈性模量為197.8 GPa;φ6 mm的構(gòu)造鋼筋屈服強(qiáng)度為550.5 MPa,彈性模量為171.9 GPa．

(a) 開孔鋼板剪力連接件

(b) 開孔鋼板

2 試驗

試驗加載裝置采用3 000 kN高剛度巖石混凝土試驗機(jī)．首先預(yù)加載5 kN,檢查儀器工作是否正常．試驗采用位移控制,加載速度為1 mm/min,接近破壞時改為0.5 mm/min,直到試件破壞．試驗中記錄竹-混凝土連接件界面的荷載-滑移曲線,觀察試件的破壞過程及破壞形態(tài)．界面滑移采用2種方法測量:① 位移計測量法．在每個試件的兩側(cè)界面處各布置3個電測位移計,分別測量試件的底部、中部和頂部的界面滑移,位移計通過表座固定于混凝土板,位移計的測桿固定于相同水平處的竹板之上(見圖2(a))．② 數(shù)字圖像相關(guān)法(DIC)[10]．將試件另一面混凝土和竹材表面打磨和清潔處理后,先噴一層白色亞光涂料,待固化后噴射黑色涂料,使其在表面形成均勻分布的黑色散斑,然后采用2臺圖像采集器采集變形前后試件圖像,經(jīng)運算后得出全場范圍的界面相對滑移(見圖2(b))．

(a) 電測位移計架設(shè)

(b) 數(shù)字圖像相關(guān)法測試裝置

3 試驗結(jié)果

3.1 破壞模式

試件典型破壞形態(tài)見圖3．由圖可知,對于新型開孔鋼板型竹-混凝土連接件,在加載早期,無明顯開裂現(xiàn)象．隨著加載的繼續(xù),在竹材與混凝土的界面逐漸產(chǎn)生細(xì)微的脫開裂縫,界面滑移極其微小,滑移剛度大．當(dāng)荷載值達(dá)到極限荷載的60%～80%時,試件一側(cè)混凝土產(chǎn)生由中部向下延伸的斜裂縫,混凝土局部開裂,混凝土表面產(chǎn)生局部的混凝土剝落．繼續(xù)加載,竹材與混凝土的界面發(fā)生了較為明顯的豎向相對位移,在達(dá)到極限荷載之后,相對滑移發(fā)展穩(wěn)定,未發(fā)現(xiàn)竹材與混凝土之間顯著的垂直分離現(xiàn)象．隨著滑移的增加,荷載值逐漸緩和下降,整個過程未見劇烈的破壞反應(yīng),破壞模式屬于延性破壞．試件破壞后,鑿開試件觀察,開孔鋼板與竹材黏結(jié)尚好,未見二者之間的剝離現(xiàn)象,開孔鋼板與混凝土之間發(fā)生剪切破壞,開孔鋼板孔內(nèi)混凝土抗剪榫及鋼板下部混凝土支撐面被完全剪斷,因此,后期相對滑移主要產(chǎn)生于開孔鋼板與混凝土之間．

(a) 表面裂縫

(b) 相對滑移(c) 試驗后開孔鋼板

3.2 荷載滑移曲線

各開孔鋼板剪力件代表位置處的荷載-滑移曲線見圖4．由圖可知,采用位移計測量法和數(shù)字圖像相關(guān)法測得的曲線整體趨勢基本一致．荷載-滑移曲線可以分為3個階段.第1階段為彈性階段．在加載初期,剪力連接件的滑移量較小,隨著荷載的增大,荷載-滑移曲線基本近似于直線上升,開孔鋼板與竹材黏結(jié)完好,其剪力傳遞可靠．此階段中混凝土的抗剪榫及支撐面也為開孔鋼板提供了有效連接,竹材與混凝土之間的滑移發(fā)展穩(wěn)定．隨后,試件進(jìn)入第2階段,即彈塑性階段,竹材與混凝土界面滑移量增長速度明顯加快,荷載-滑移關(guān)系呈非線性關(guān)系,直到試件達(dá)到極限荷載．孔鋼板孔內(nèi)混凝土抗剪榫發(fā)生剪切破壞,試件進(jìn)入第3階段,即峰值荷載后的塑性階段,荷載緩慢下降,相對滑移發(fā)展穩(wěn)定,當(dāng)滑移量達(dá)到8～12 mm時,荷載基本維持不變,滑移持續(xù)增大,連接件破壞．由于試件表面混凝土剝落后,數(shù)字圖像相關(guān)法無法計算得到滑移值,因此后者得到的極限滑移值相對較?。?/p>

(a) 位移計測量法

(b) 數(shù)字圖像相關(guān)法

各試件的主要試驗結(jié)果見表1．對于剪力連接件,剪切滑移剛度K是評價剪力連接件連接性能的重要指標(biāo),其計算公式為

K=P/S

(1)

式中,K為連接件剪切滑移剛度,kN/mm;P為荷載,kN;S為滑移,mm.

為反映剪力連接件不同受力階段的剪切滑移剛度,將對應(yīng)極限荷載(Pu)40%,60%,80%時的滑移剛度分別定義為正常使用極限狀態(tài)下的滑移剛度Ks,0.4、承載能力極限狀態(tài)下的滑移剛度Ks,0.6和破壞狀態(tài)下的滑移剛度Ks,0.8,3個階段的剪切滑移剛度定義在木-木組合結(jié)構(gòu)[11]和木-混凝土組合結(jié)構(gòu)中證明是合適的[7],同樣適用于竹-混凝土組合結(jié)構(gòu)[5]．將延性系數(shù)D定義為

D=Su/Sy

(2)

式中,Su為荷載下降至80%極限荷載時的極限滑移,mm;Sy為加載至80%極限荷載時的滑移,mm．

由表1可知,對于不同受力階段的剪切滑移剛度Ks,0.4,Ks,0.6,Ks,0.8,基于位移計測量法的計算均值分別為393.3,342.9,290.5 kN/mm,而基于數(shù)字圖像相關(guān)法的計算均值分別為383.5,333.9,272.0 kN/mm,2種計算結(jié)果差別不大．開孔鋼板型連接件的平均極限承載力為74.9 kN,標(biāo)準(zhǔn)差較小,變異系數(shù)僅為0.08,說明開孔鋼板型連接件的承載力學(xué)性能較為穩(wěn)定．基于位移計測量法計算的延性系數(shù)為8.18～19.33,基于位移計測量法計算的延性系數(shù)為7.63～18.24,平均延性系數(shù)約為13,表現(xiàn)出極好的滑移變形能力．

表1 竹-混凝土剪力連接件的試驗結(jié)果

注:S0為峰值滑移；表中數(shù)據(jù)的計算依據(jù)為試件中部位移計及相應(yīng)位置處圖像的黑色散斑．

3.3 滑移分布規(guī)律

對于剪力連接件的相對滑移,采用位移計測量法只能獲得有限位置處的數(shù)值,無法得到相對滑移的分布情況．本文借助于數(shù)字圖像相關(guān)法,可以獲得竹材與混凝土界面兩側(cè)所有位置處的相對滑移大小,以研究竹材與混凝土相對滑移沿著界面高度的分布規(guī)律．對于本文試驗,沿著竹材與混凝土界面高度在界面兩側(cè)等間距各取12個點,計算其相對滑移值,繪制滑移沿界面高度的變化曲線,結(jié)果見圖5．從圖中可看出,剪力件兩側(cè)滑移大小存在一定差異,但是沿高度的整體分布規(guī)律是一致的．同一荷載下界面不同高度位置處的滑移差值為0～0.04 mm,相差不大,表明開孔鋼板剪力件的剪力傳遞均勻,在滑移過程中竹材與混凝土的滑移沿著界面高度一致．加載初期,相同荷載差之間的滑移較小,各級曲線間距均勻,當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的85%(即60 kN)左右時,滑移分布曲線間距急劇增大,滑移發(fā)展呈不穩(wěn)定狀態(tài)．

(a) 左側(cè)

(b) 右側(cè)

圖6給出了試件P3加載過程中的全場位移．試驗機(jī)加載方式為自下向上頂升,即兩側(cè)混凝土向上推,中間竹材相對靜止,考慮試件的整體位移,實際界面滑移應(yīng)為混凝土部分位移值減去相應(yīng)水平界面位置處的混凝土位移值．試件表面位移場沿高度是基本一致的,這與圖5的結(jié)論吻合．受連接件的傳力作用,整體來說,混凝土位移自試件外側(cè)向界面呈減小趨勢．峰值荷載前,由于界面相對滑移的絕對值非常小,試件不同位置處滑移大小相對誤差較高,可達(dá)30%左右;峰值荷載后,由于界面相對滑移的絕對值較大,試件不同位置處滑移大小的相對誤差影響不大．全場位移云圖顯示,荷載下降的后期,試件3個組成部分的各自表面位移完全一致,為剛體位移,連接件傳力作用喪失．

3.4 承載力計算

新型開孔鋼板型竹-混凝土連接件的破壞模式表明,在承載過程中,開孔鋼板的孔內(nèi)榫提供了縱向和垂直于縱向的抵抗力,極限破壞時開孔鋼板與竹材之間未發(fā)生明顯的破壞,破壞主要發(fā)生于開孔鋼板與混凝土之間的剪切破壞,開孔鋼板孔內(nèi)混凝土抗剪榫及鋼板下部混凝土支撐面被完全剪斷．因此,其抗剪承載力可借鑒現(xiàn)有鋼板-混凝土剪力件的承載力公式．

(a) 峰值荷載前

(b) 峰值后

文獻(xiàn)[12]提出的鋼板-混凝土剪力件的承載力公式為

Qu=1.79d2fc

(3)

式中,d為孔洞直徑;fc為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度．

文獻(xiàn)[13]提出的鋼板-混凝土剪力件的承載力公式為

(4)

文獻(xiàn)[14] 提出的另一鋼板-混凝土剪力件的承載力公式為

(5)

式中,Ac為連接件平面中混凝土面積;Abs為混凝土榫受剪總面積．

文獻(xiàn)[15]提出的鋼板-混凝土剪力件的承載力公式為

(6)

由于剪力連接件試件形式的不同以及所考慮的影響因素的差異,式(3)～(6)存在較大差別,所考慮的主要因素包括混凝土的強(qiáng)度、混凝土榫面積、貫通鋼筋面積與屈服強(qiáng)度、開孔鋼板尺寸等．式(3)主要考慮了混凝土榫的剪切破壞,未反映貫通鋼筋的影響;式(4)和(5)在考慮混凝土榫貢獻(xiàn)的同時,還考慮了貫通鋼筋與混凝土支撐面承壓的貢獻(xiàn),區(qū)別主要在于各部分貢獻(xiàn)的系數(shù)取值不同;式(6)在式(4)和(5)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮了普通箍筋配筋率的影響．利用各公式計算本文中開孔鋼板型竹-混凝土連接件的承載力,計算結(jié)果見表2．由表可知,式(6)的計算誤差較大,計算結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實測值,計算值與實測值比值的平均值為0.34．式(3)、(4)和(5)的計算結(jié)果較接近,計算值與實測值比值的平均值分別為0.68,0.73和0.66,其中,式(4)的計算結(jié)果最接近實測值,且仍偏于安全,故而建議其預(yù)測新型開孔鋼板型竹-混凝土連接件的承載力．總體來說,現(xiàn)有鋼-混凝土連接件的承載力計算公式具有一定的適用性．

表2 竹-混凝土開孔鋼板連接件極限承載力計算值與實測值比較 kN

4 結(jié)論

1) 開孔鋼板型竹-混凝土剪力連接件的試驗結(jié)果表明,試件破壞時,開孔鋼板與竹材之間未發(fā)生明顯的破壞,破壞產(chǎn)生于開孔鋼板與混凝土之間的剪切破壞,開孔鋼板孔內(nèi)混凝土抗剪榫及鋼板下部混凝土支撐面被完全剪斷．開孔鋼板型剪力連接件的破壞過程未見劇烈的破壞反應(yīng),破壞模式屬于延性破壞．

2) 開孔鋼板型竹-混凝土剪力連接件的荷載-滑移曲線可以分為彈性、彈塑性和塑性3個階段．在峰值荷載后的塑性階段,荷載下降緩慢,相對滑移發(fā)展穩(wěn)定．開孔鋼板型連接件的極限承載力標(biāo)準(zhǔn)差較小,承載力學(xué)性能較為穩(wěn)定,延性系數(shù)大,開孔鋼板型連接件具有很好的滑移變形能力．

3) 采用位移計測量法和數(shù)字圖像相關(guān)法測得的曲線整體趨勢基本一致．對于不同受力階段的剪切滑移剛度,基于數(shù)字圖像相關(guān)法的計算結(jié)果和基于位移計測量法的計算結(jié)果差別不大．

4) 滑移過程中剪力件兩側(cè)滑移大小存在一定差異,但是沿著高度整體分布規(guī)律是一致的．同一荷載下界面不同高度位置的滑移差值為0～0.04 mm,相差不大,表明開孔鋼板剪力件的剪力傳遞均勻,在滑移過程中竹材與混凝土的滑移沿著界面高度一致．

5) 對于新型開孔鋼板型竹-混凝土連接件,開孔鋼板與竹材之間黏結(jié)可靠,其抗剪承載力主要由開孔鋼板孔內(nèi)混凝土抗剪榫及鋼板下部混凝土支撐面提供．式(4)對新型開孔鋼板型竹-混凝土連接件的承載力計算具有較好的適用性,結(jié)果最接近實測值,且偏于安全．

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Load-slipbehaviorofperforatedplateconnectionsofbamboo-concrete

Wei Yang1,2Li Ning1Wu Gang2Duan Maojun1Li Guofen1

(1College of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China) (2Key Laboratory for Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To investigate the mechanical behaviors of the perforated plate shear connections of bamboo-concrete, three perforated plate connectors were tested under static push-out loading, and the measuring method based on the linear variable displacement transducer (LVDT) and the digital image correlation (DIC) method were used to measure the interface slip. The results show that there is no obvious damage between the perforated plate and the bamboo when the failure of the connectors occurs. The concrete dowels in the holes of the perforated plate and the concrete supporting surface are damaged. No drastic reactions are observed during the failure process and the failure modes are ductile. The standard deviation of the ultimate bearing capacity is small and the bearing capacity of the connectors is stable. The distributions of the slips along the height of both sides are the same, showing that the shear transmits evenly for the perforated plate shear connections, and the load-slip curves exhibit its excellent slip deformation ability. The shear bearing capacity of the perforated plate connectors is mainly provided by the concrete dowels in the hole of the perforated plate and the concrete bearing under the low edge of the steel plate. The specific model for the bearing capacity of the steel concrete connectors has a certain applicability for the prediction of the new perforated plate shear connections of bamboo-concrete.

composite structure; bamboo-concrete; connector; push-out test; digital image correlation method (DIC)

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.06.014

TU375.4

A

1001-0505(2017)06-1167-07

2017-03-18.

魏洋(1978—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，wy78@njfu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51208262，51778300)、江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(BK20151520)、江蘇省“333”工程資助項目(BRA2016421)、江蘇省“青藍(lán)工程”資助項目、江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目(PAPD).

魏洋，李寧，吳剛，等.開孔鋼板型竹混凝土連接件荷載滑移性能[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017,47(6):1167-1173.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.06.014.