裝配式栓釘剪力連接件抗剪承載力試驗(yàn)研究

楊未蓬，李成君，宋小明，周志祥,4

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611130;3.成都地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，四川 成都 610000；4.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁與隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，重慶 400074)

圖1 普通栓釘連接件圖2 裝配式栓釘剪力連接件

Slutter等[3]認(rèn)為推出試驗(yàn)結(jié)果可作為評(píng)判栓釘連接件抗剪能力的依據(jù)。對(duì)于普通栓釘剪力鍵的抗剪性能，已有很多學(xué)者采用推出試驗(yàn)開(kāi)展了研究。聶建國(guó)等[4]針對(duì)高強(qiáng)混凝土組合梁進(jìn)行試驗(yàn)研究，并提出了栓釘受剪承載力的計(jì)算方法；An等[5]提出了考慮混凝土強(qiáng)度以及鋼筋和混凝土相互作用的承載能力的計(jì)算公式；丁發(fā)興等[6]對(duì)組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗剪性能推出試驗(yàn)，考慮栓釘直徑、屈服強(qiáng)度等因素，提出了不同因素影響下單個(gè)栓釘抗剪承載力計(jì)算公式；薛偉辰等[7]進(jìn)行了栓釘抗剪試件在單調(diào)荷載作用下的推出破壞試驗(yàn)，考慮栓釘直徑、混凝土強(qiáng)度等級(jí)等影響因素，得出抗剪承載能力變化規(guī)律。

1 推出試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2個(gè)試件尺寸均為95 cm×45 cm×70 cm，見(jiàn)圖3。每個(gè)試件由2個(gè)帶有栓釘?shù)念A(yù)制式混凝土橋道板和1個(gè)鋼箱構(gòu)成，通過(guò)焊接傳力板和鋼箱形成整體，完成裝配化施工。施工工藝見(jiàn)圖4。每個(gè)裝配式栓釘連接件由2列栓釘組成，沿試件高度方向每列布置5排栓釘，整個(gè)試件共布置20顆栓釘。栓釘構(gòu)造尺寸為φ13 mm×80 mm，實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度為369 MPa，抗拉極限強(qiáng)度為498 MPa；傳力板構(gòu)造尺寸為950 mm×8 mm×60 mm，鋼板厚8 mm。橋道板采用C50強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，實(shí)測(cè)立方體抗壓強(qiáng)度為55.2 MPa。

圖3 試件尺寸(單位：mm)

圖4 施工工藝

為研究裝配式栓釘在靜載下的受剪性能，采用推出試驗(yàn)的方法對(duì)裝配式栓釘連接試件進(jìn)行研究，以栓釘剪斷破壞為控制依據(jù)。在重慶交通大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成整個(gè)試驗(yàn)加載過(guò)程，試驗(yàn)裝置選擇千噸壓力試驗(yàn)機(jī)，見(jiàn)圖5。為了消除儀器儀表的使用誤差，加載前須對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載。預(yù)加載時(shí)應(yīng)控制荷載大小，避免混凝土和鋼箱直接產(chǎn)生相對(duì)滑移。為了記錄試件的整個(gè)破壞過(guò)程，預(yù)加載完成后先采用力加載，按0.2的比例等級(jí)逐步加載，直到試件達(dá)到極限承載能力；再采用位移加載，加載速率控制在3 mm/h左右，直至試件完全破壞。試件共安裝6個(gè)百分表，每塊橋道板上對(duì)稱(chēng)設(shè)置3個(gè)，如圖6所示。其中Vab表示位于a排b列的特征測(cè)點(diǎn)位置。

圖5 加載裝置圖6 主要測(cè)點(diǎn)布置(單位:mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞形態(tài)

栓釘剪斷即認(rèn)為本次試驗(yàn)結(jié)束，但栓釘布置在裝配式栓釘連接件的內(nèi)部，無(wú)法直觀判斷。因此只能依據(jù)試件在加載過(guò)程中發(fā)出的聲響予以判斷。同時(shí)需要在試驗(yàn)結(jié)束后解剖試件，觀察內(nèi)部栓釘?shù)钠茐男螒B(tài)并判別其承載性能的強(qiáng)弱，記錄試驗(yàn)現(xiàn)象。

在完成預(yù)加載后開(kāi)始推出破壞試驗(yàn)。記錄試件1在加載過(guò)程中的破壞現(xiàn)象：當(dāng)加載的荷載大小為850 kN 時(shí)，輕微的混凝土開(kāi)裂聲從試件內(nèi)部傳出；當(dāng)荷載繼續(xù)增加到 1 150 kN 時(shí)，在橋道板的板肋根部混凝土發(fā)現(xiàn)水平裂縫，伴隨著輕微的噪聲裂縫持續(xù)擴(kuò)散；隨著荷載逐步增加到 1 500 kN，試件不斷產(chǎn)生噪聲，此時(shí)混凝土橋道板板肋處的傳力板和混凝土產(chǎn)生相對(duì)滑移并逐漸分離；當(dāng)荷載為 1 518 kN 時(shí)，裂縫發(fā)展迅速，相對(duì)滑移量持續(xù)加大，繼續(xù)加載試件的承載力不再繼續(xù)增加反而出現(xiàn)下降的現(xiàn)象；當(dāng)荷載為 1 490 kN，試件內(nèi)部栓釘開(kāi)始剪斷，相對(duì)滑移量增大迅速，同時(shí)伴隨著一聲巨響，所有栓釘剪斷，荷載不再下降。試件的最終承載力保持在690 kN，標(biāo)志著試件推出破壞試驗(yàn)結(jié)束。

為了觀察裝配式栓釘和混凝土的破壞情況，剖開(kāi)破壞的試件，發(fā)現(xiàn)栓釘根部剪斷位置處有頸縮現(xiàn)象，栓釘根部發(fā)生了很大的塑性變形且局部混凝土剝落；栓釘周邊混凝土僅出現(xiàn)細(xì)小裂紋，沒(méi)有明顯貫穿式裂紋，試件破壞形態(tài)見(jiàn)圖7。

圖7 試件破壞形態(tài)

2.2 滑移性能分析

圖8 荷載滑移曲線(xiàn)

3 受力性能分析

圖9 鋼箱及傳力板受力分析

鋼箱及傳力板應(yīng)滿(mǎn)足力平衡條件，即

P=Vn+f1+f2

(1)

式中：P為壓力試驗(yàn)機(jī)施加在試件上的外荷載；f1為傳力板與橋道板板肋間混凝土的摩擦力；f2為鋼箱與橋道板板肋間混凝土的摩擦力。

4 承載力計(jì)算與分析

單個(gè)栓釘剪斷破壞時(shí)的抗剪承載力[11]為

(2)

張庭杰[12]計(jì)算抗剪承載力時(shí)考慮了沿試件長(zhǎng)度栓釘數(shù)量的影響，結(jié)合小比例裝配式栓釘剪力連接件推出試驗(yàn)結(jié)果和有限元軟件模擬分析結(jié)果對(duì)規(guī)范公式進(jìn)行系數(shù)修正，得到了極限承載力公式，即

(3)

藺釗飛等[13]取單個(gè)栓釘為隔離體進(jìn)行受力分析，得出單個(gè)栓釘?shù)目辜魟偠萲s計(jì)算公式，即

(4)

式中：ds為栓釘直徑，mm;Ec為混凝土的彈性模量，MPa。

本文在計(jì)算栓釘?shù)某休d力時(shí)，簡(jiǎn)化了裝配式栓釘剪力連接件極限承載力的理論推導(dǎo)過(guò)程，忽略在加載過(guò)程中外部環(huán)境對(duì)栓釘?shù)哪Σ磷枇Γ⒃O(shè)定試件處于彈性階段時(shí)最大承載力為P=0.5Pu。本文在已有單個(gè)栓釘抗剪剛度計(jì)算公式(式(4))的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步推導(dǎo)裝配式栓釘剪力連接件承載力計(jì)算公式。

單個(gè)栓釘抗剪承載力V的計(jì)算公式為

(5)

式中，sk為栓釘對(duì)應(yīng)的滑移量。

(6)

(7)

根據(jù)假定可知V=0.5Vu(Vu為單釘極限承載力)，即Vu=2V，得到裝配式栓釘剪力連接件的單個(gè)栓釘極限承載力為

(8)

5 極限承載力結(jié)果對(duì)比分析

為了驗(yàn)證式(8)的準(zhǔn)確性，將式(8)計(jì)算值與規(guī)范值和試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 裝配式栓釘剪力連接件極限承載力對(duì)比 kN

由表1可知：①計(jì)算值與試驗(yàn)值相比，誤差在5%以?xún)?nèi)，吻合較好；②計(jì)算值明顯高于規(guī)范值，為規(guī)范值的1.59倍，滿(mǎn)足了單個(gè)栓釘應(yīng)具有1.25倍的安全承載能力儲(chǔ)備。說(shuō)明式(8)對(duì)于裝配式栓釘剪力連接件的抗剪承載力計(jì)算具有一定的參考意義。

6 結(jié)論

1)裝配式栓釘剪力連接件推出試驗(yàn)以栓釘剪斷為控制依據(jù)，栓釘根部剪斷位置處有頸縮現(xiàn)象且局部混凝土剝落，栓釘周邊混凝土僅出現(xiàn)細(xì)小裂紋，沒(méi)有明顯貫穿式裂紋。

2)對(duì)鋼板和鋼箱取隔離體進(jìn)行受力性能分析，橋道板板肋處混凝土受傳力板的約束作用，由約束作用提供的擠壓力使得板肋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)間摩擦力增大，進(jìn)而提高裝配式栓釘剪力連接件的抗剪承載力。

3)在考慮滑移沿試件高度不均勻分布系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)影響的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了在考慮混凝土彈性模量、栓釘彈性模量、栓釘直徑、栓釘數(shù)量等因素影響時(shí)裝配式栓釘剪力連接件單個(gè)栓釘極限承載力理論計(jì)算公式。經(jīng)公式計(jì)算安全富余度滿(mǎn)足規(guī)范要求，與試驗(yàn)結(jié)果相比，誤差在5%以?xún)?nèi)，吻合較好，具有一定的參考意義。