重復(fù)加載下抗剪連接件的力學(xué)性能試驗(yàn)

王 梟, 鄧文琴, 張建東, 劉 朵, 倪偉楠

(1. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 湖北 武漢 430074; 2. 山西路橋建設(shè)集團(tuán)股份有限公司, 山西 太原 250001; 3. 南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院, 江蘇 南京 211816; 4. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司, 江蘇 南京 211112)

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮鋼材和混凝土兩者的優(yōu)勢,抗剪連接件作為鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)受力關(guān)鍵部位,國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量試驗(yàn)研究工作.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)抗剪連接件的形式可分為翼緣型、嵌入型和復(fù)合型.其中翼緣型連接件具有較好的承載力和抗剪剛度,且施工方便,受到國內(nèi)外業(yè)界的重視.翼緣型連接件主要包括栓釘連接件、型鋼連接件和PBL連接件等3種,目前國內(nèi)外研究最多的翼緣型連接件為栓釘連接件[1-4].與傳統(tǒng)的栓釘連接件相比,型鋼連接件和PBL連接件具有抗剪強(qiáng)度大、承載力高和延性好等優(yōu)點(diǎn)[5-8].但各國相關(guān)規(guī)范中對型鋼連接件和PBL連接件的承載能力、抗剪剛度、抗震性、疲勞性能等還沒有明確定義.因此，工程中,為確保結(jié)構(gòu)的安全性,不得不采用過高的安全系數(shù),而降低了材料的實(shí)用性.為此,為方便施工,減少焊接量,筆者提出一種新型槽鋼連接件,并基于某橋的抗剪連接件,開展角鋼連接件、槽鋼連接件和Twin-PBL(T-PBL)連接件1 ∶1模型的靜載及重復(fù)荷載推出試驗(yàn),分析3種連接件在兩種加載工況下的受力性能.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計

本試驗(yàn)基于某橋剪力連接件尺寸和設(shè)計要求,材料選用Q345B鋼,屈服強(qiáng)度為400 MPa,極限強(qiáng)度為520 MPa,彈性模量為2.1×105MPa.采用1 ∶1足尺寸試件,共設(shè)計了3組連接件試件,即角鋼連接件、槽鋼連接件及T-PBL連接件,每組4個試件.試件尺寸如圖1所示.

圖1 試件尺寸構(gòu)造圖 (單位:mm)

推出試驗(yàn)試件參數(shù)如表1所示,其中試件的型鋼規(guī)格皆為320 mm×180 mm×16 mm.同時,澆筑了規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm混凝土立方體試塊,其強(qiáng)度等級為C50,與試件同時進(jìn)行養(yǎng)護(hù),測試其28 d齡期抗壓強(qiáng)度為40.26 MPa.試件所用鋼筋分別為混凝土中的構(gòu)造鋼筋Φ10及抗剪連接件貫穿鋼筋Φ25,均采用HRB335鋼筋,其抗拉強(qiáng)度分別為559 MPa和570 MPa.

表1 推出試驗(yàn)試件參數(shù)

1.2 加載方案

試驗(yàn)加載分為單調(diào)加載和重復(fù)加載兩組.加載裝置采用液壓式四柱壓力試驗(yàn)機(jī),如圖2所示.

圖2 加載裝置

加載時,通常試件屈服前采用荷載控制,試件屈服后則采用位移控制.單調(diào)加載時,以極限荷載的5%為增量,試件屈服后采用位移控制,直至破壞.重復(fù)加載時,以極限荷載的5%為增量,待加到每一級設(shè)定荷載后卸載,每級重復(fù)3次,試件屈服后采用位移控制,每級變形以屈服位移為倍數(shù)控制,直至試件破壞,如圖3所示.其中，P為荷載，δ為位移.

圖3 重復(fù)加載方法示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 荷載-位移關(guān)系

2.1.1 單調(diào)加載

位移曲線均呈線性關(guān)系,位移增量很小,荷載增加較大,此時試件處于彈性階段;加載至屈服荷載后,試件進(jìn)入彈塑性階段,該階段荷載隨位移的增加而非線性增加,且隨位移增加,荷載增加幅值越來越小,直至連接件達(dá)到極限承載力狀態(tài);當(dāng)達(dá)到極限荷載后,角鋼連接件和新型槽鋼連接件呈現(xiàn)荷載下降,此時連接件承受的剪力不斷下降,但位移持續(xù)增長,直至試件完全破壞.而T-PBL連接件在第1次達(dá)到極限荷載后,隨著荷載緩慢增長,試件產(chǎn)生一定變形后,荷載又出現(xiàn)一個加速上升階段,在荷載-位移曲線上出現(xiàn)第2個峰值點(diǎn).這是由于T-PBL連接件出現(xiàn)一定滑移后,孔中混凝土榫被壓碎,開孔鋼板與橫向貫穿鋼筋直接接觸,導(dǎo)致承載力有所恢復(fù).

由圖4d荷載-位移曲線和表2可以看出:在荷載線性增加階段,當(dāng)發(fā)生相同的相對位移時,槽鋼連接件承載力明顯高于另外2種,T-PBL承載力最小;在荷載-位移非線性增加階段,槽鋼連接件承受的剪力也明顯高于角鋼和T-PBL,槽鋼的最大承載力比角鋼大47.5%左右,比T-PBL連接件大92.1%左右;在達(dá)到極限荷載時,角鋼和槽鋼連接件相對位移差不多,而T-PBL連接件位移比角鋼和槽鋼連接件則要高出很多,極限相對位移由大至小依次為T-PBL連接件(34.3 mm)、角鋼連接件(12.2 mm)和槽鋼連接件(9.2 mm).另外,由表2可知：雙開孔鋼板連接件的延性最好,角鋼連接件的延性略優(yōu)于槽鋼.

圖4 單調(diào)加載荷載-位移曲線

連接件類型試件編號Py/kNP-y/kNδ-y/mmPmax/kNP-max/kNδ-max/mmPu/kNP-u/kNδ-u/mmμJG-13 0003 0501.53 8103 7235.03 2393 16412.28.1角鋼JG-23 1003 0501.53 5603 7235.03 0263 16412.28.1JG-33 0503 0501.53 8003 7235.03 2303 16412.28.1CG-14 4504 7501.54 9705 4903.74 2254 6679.26.1槽鋼CG-24 8004 7501.55 4205 4903.74 6074 6679.26.1CG-35 0004 7501.56 0805 4903.75 1684 6679.26.1TP-11 8001 7330.63 0002 85813.22 5502 43034.357.2T-PBLTP-21 6001 7330.62 9402 85813.22 4992 43034.357.2TP-31 8001 7330.62 6352 85813.22 2402 43034.357.2

2.1.2 重復(fù)加載

重復(fù)加載作用下的試驗(yàn)結(jié)果見表3.試件滯回曲線如圖5所示.滯回曲線是構(gòu)件在重復(fù)荷載作用下得到的荷載-位移關(guān)系曲線,滯回曲線能夠反映出構(gòu)件的剛度退化、耗能能力及延性等力學(xué)性能,是構(gòu)件抗震性能的綜合體現(xiàn).從試件的滯回曲線圖可以看出: 3種連接件的滯回曲線都比較飽滿,表現(xiàn)出良好的耗能能力;在試件屈服前,隨著荷載的持續(xù)增加,荷載和位移基本呈線性關(guān)系,加載與卸載曲線基本重合,滯回環(huán)包圍的面積很小,試件處于彈性工作狀態(tài)；隨著荷載的持續(xù)增加,在試件屈服后,滯回環(huán)包圍的面積也不斷增大,試件剛度不斷退化,殘余變形不斷變大,試件進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)；隨著循環(huán)次數(shù)的增加,試件相對位移不斷增大,循環(huán)的最大荷載也在不斷降低,說明試件內(nèi)部不斷出現(xiàn)新?lián)p傷,耗能不斷增加,直至試件破壞.

表3 重復(fù)加載試驗(yàn)結(jié)果

2.1.3 骨架曲線

骨架曲線是指滯回曲線中每級加載的第1次循環(huán)的峰值點(diǎn)所連接的外包絡(luò)曲線.各試件單調(diào)加載平均荷載-位移曲線及重復(fù)加載的骨架曲線如圖6所示.

由圖6、表2和表3可知:各試件在重復(fù)荷載作用下,骨架曲線與其單調(diào)加載的荷載-位移曲線基本一致;角鋼連接件單調(diào)加載最大荷載為3 723 kN,對應(yīng)相對位移為5.00 mm,重復(fù)加載最大荷載為3 100 kN,對應(yīng)相對位移為6.32 mm;槽鋼連接件單調(diào)加載最大荷載為5 490 kN,對應(yīng)相對位移為3.70 mm,重復(fù)加載的最大荷載為5 460 kN,對應(yīng)相對位移為4.21 mm.由此可知：與單調(diào)加載試驗(yàn)的試件相比,角鋼連接件重復(fù)加載時最大荷載是單調(diào)加載的0.83倍,而槽鋼和雙開孔鋼板連接件在重復(fù)加載與單調(diào)加載時的最大荷載均相差不大.

2.2 初始剛度

表4 各連接件初始剛度值

由表4可知: 單調(diào)加載作用下,槽鋼試件初始剛度比角鋼高50%,開孔鋼板比槽鋼低10%,比角鋼試件高35%;重復(fù)荷載作用下試件的初始剛度相差不大.

2.3 剛度退化

單調(diào)加載及重復(fù)加載作用下,試件典型的位移-剛度退化曲線如圖7所示.由圖7可知:單調(diào)加載作用與重復(fù)加載作用下,試件剛度退化趨勢一致;隨著位移增大,剛度不斷減小,各連接件抗剪剛度的退化主要發(fā)生在相對位移較小的階段;當(dāng)相對位移達(dá)到最大位移的1/3左右以后,剛度退化速率減小,位移-剛度退化曲線趨于平緩.

圖7 位移-剛度退化曲線

2.4 耗能能力

構(gòu)件的耗能能力反應(yīng)在滯回曲線上,主要是依據(jù)滯回環(huán)的飽滿程度來判定.筆者采用等效黏滯阻尼系數(shù)來衡量試件的耗能能力,同一荷載級別下,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,試件的耗能能力逐漸降低,且隨著荷載等級的增加,試件的耗能能力也逐漸增加.角鋼、新型槽鋼和T-PBL連接件達(dá)到破壞時,滯回環(huán)的等效黏滯阻尼系數(shù)分別為0.22,0.26和0.29.

3 結(jié) 論

1) 新型槽鋼連接件的抗剪承載力明顯高于角鋼和T-PBL;T-PBL連接件的延性最好,角鋼的延性略優(yōu)于槽鋼;重復(fù)荷載作用下,角鋼連接件最大承載力為單調(diào)荷載下的0.83,新型槽鋼與雙開孔鋼板連接件在不同加載方式下的最大承載力相差不大.

2) 槽鋼連接件初始剛度比角鋼高50%,而開孔鋼板比槽鋼低10%,比角鋼高35%;與單調(diào)荷載作用相比,各試件重復(fù)荷載作用下試件的初始剛度相差不大.

3) 隨循環(huán)次數(shù)增加,試件剛度在不斷退化.槽鋼連接件剛度下降最慢,角鋼和開孔鋼板的剛度退化速度較快.

4) 開孔鋼板連接件的耗能最多,角鋼和槽鋼耗能相當(dāng).因此,槽鋼剪力連接件即提高了強(qiáng)度,又具備了一定的耗能能力,能夠作為良好的剪力連接件,應(yīng)用于組合結(jié)構(gòu)橋梁中,故槽鋼剪力連接件較適用于高地震區(qū).