帶翼緣板嵌入式連接件抗剪承載力試驗研究

張 哲，史 錦，李國強，湯 意，李斐然，王 燕，孫東生

(1.鄭州大學 土木工程學院，河南 鄭州 450001； 2.同濟大學 土木工程學院，上海 200092；3.河南省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引言

波紋鋼腹板預應力混凝土橋(簡稱“波紋鋼腹板PC橋”)源于法國[1]，它是由混凝土頂?shù)装濉Ⅲw外預應力筋和波紋鋼腹板三者構成的組合結構，是對傳統(tǒng)的混凝土橋梁的一種改進[2]，它有效地發(fā)揮了混凝土和波紋鋼板的特性，提高了它們的使用效率[3-4]。在波紋鋼腹板PC橋中，有一種重要的結構，即抗剪連接件，它用于抵抗混凝土板與鋼腹板間的縱向剪力，使二者之間不能相對滑移[5-8]。

波紋鋼腹板PC橋可用的連接件形式很多，例如栓釘連接件、型鋼連接件、PBL(perfobond-leiste)連接件以及嵌入式連接件[9-10]。嵌入式連接件沒有翼緣板，在施工中支模澆筑極為麻煩，不利于現(xiàn)場施工進度。為解決這一問題，以嵌入式連接件為基礎，在其兩側焊接兩塊鋼板形成翼緣板(圖1)，筆者稱為帶翼緣板嵌入式連接件。這種連接件抵抗水平剪力由嵌入段斜板處混凝土塊、接合鋼筋、橫橋向的貫穿鋼筋以及混凝土銷軸共同承擔[11]。鋼筋混凝土銷軸還起到了抵抗拉拔力的作用[12]。

以往并未有學者研究該種新型連接件，筆者提出這種連接件形式僅把翼緣板作為混凝土澆筑模板來設計，而翼緣板對于連接件性能的影響需要試驗研究確定?？梢詤⒖荚谛问缴陷^為類似的連接件的研究成果包括：

(1)萬水教授提出的開孔波折板連接件[13]，這種連接件嵌入段為波紋鋼板，但腹板為平板且與嵌入段不連續(xù)。承載力可用式(1)得出[14]：

(1)

式中：fcu為混凝土立方體抗壓強度；fy為貫穿鋼筋屈服強度；φ為開孔波折板開孔直徑；φs為貫穿鋼筋直徑；hw為開孔波折板高度；dw為開孔波折板的波高；α=1.327；β為波折板對混凝土榫增強系數(shù)，β=-0.145，當開孔板為直鋼板時β取0；γ為貫穿鋼筋抗剪系數(shù)，γ=1.245；λ為波折板所圍成混凝土齒板抗剪系數(shù)，λ=1.219，當開孔板為直鋼板時λ取0。

(2)CJJT 272—2017《波形鋼腹板組合梁橋技術標準》[15]指出，嵌入式連接件應分別滿足混凝土齒鍵和混凝土剪力銷的受剪承載力要求。

混凝土齒鍵的受剪承載力可通過式(2)得出：

Vu=fcdA1+μfsdAs，

(2)

式中：fcd為混凝土抗壓強度設計值；A1為波紋鋼腹板斜幅段在橫橋向的投影面積；μ為系數(shù)，取1.0；fsd為接合鋼筋抗拉強度設計值；As為接合鋼筋截面積。

混凝土剪力銷受剪承載力可通過式(3)得出：

(3)

式中：dp為開孔鋼板孔徑；ds為貫穿鋼筋直徑；fcd為混凝土抗壓強度設計值；fsd為貫穿鋼筋抗拉強度設計值；n為系數(shù)，當開孔鋼板間距大于其高度的1.5倍時取2。

以CJJT 272—2017《波形鋼腹板組合梁橋技術標準》[15]中嵌入式連接件的承載力計算公式為基礎，以實際工程為背景，通過試驗研究該公式的適用性，以及該種連接件的性能。

1 試驗方案

1.1 試件設計

依托機西高速二期賈魯河大橋工程，試件根據(jù)實際圖紙選用1∶1尺寸制作。試驗所用構件參數(shù)圖如圖2所示。為了確保試件的加載端不會局部損壞，加強設計試件的加載端。試件使用Q345D型鋼材，波紋鋼板的波形為1600型(圖3)。橫向貫穿鋼筋型號為HRB335，直徑為16 mm和22 mm，接合鋼筋型號為HRB335，直徑為22 mm(圖2)，試件參數(shù)為混凝土強度，貫穿鋼筋直徑以及翼緣板厚度。鋼筋與鋼板的力學性能如表1所示。試件采用C40和C55混凝土制作，混凝土的力學性能如表2所示。試件設計參數(shù)見表3。

1.2 量測方案

本次試驗主要量測數(shù)據(jù)為：壓力傳感器讀數(shù)，位移傳感器讀數(shù)。

試驗共布置6個位移計，布置位置如圖4所示，用于測量鋼材與混凝土間的相對滑移。

1.3 加載方案

本次試驗采用500 t萬能壓力機，試驗裝置布

圖2 試件幾何尺寸Figure 2 Geometrical dimension of test specimen

圖3 1600型波形圖Figure 3 Geometrical properties of the 1600-type corrugated steel plate

參數(shù)HRB335鋼筋鋼板φ16φ22Q345D屈服強度fy/MPa445.2470.6384.4極限強度fu/MPa615.3635.4517.1彈性模量Es/GPa200200206

表2 混凝土力學性能Table 2 Mechanical properties of concrete

表3 試件參數(shù)表Table 3 Parameter list of test specimen

圖4 位移傳感器Figure 4 Displacement sensors

置簡圖如圖5所示。

圖5 加載裝置Figure 5 Loading device

在正式加載前進行預加載，參考歐洲規(guī)范4[16]預加載400 kN，持續(xù)2 min，待測量儀器讀數(shù)穩(wěn)定后，卸載到預估極限荷載的5%，循環(huán)5次。正式加載采用分級加載制度，每級加載200 kN，持荷5 min，待測量儀器讀數(shù)穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。當加載至0.8倍的預估極限荷載后，選擇每級加載100 kN直至試驗結束。試驗前在試件與壓力機的接觸面鋪少量細沙，以保證試件均勻受力。

2 試驗結果及分析

2.1 破壞模式

最終的試驗現(xiàn)象顯示，所有試件呈現(xiàn)兩種破壞形態(tài)，它們之間存在著兩種明顯的區(qū)別：①混凝土破壞程度；②鋼翼緣板是否發(fā)生失穩(wěn)。

(1)試件bw-A1～bw-A5的破壞形態(tài)為混凝土僅局部破壞，鋼翼緣板發(fā)生失穩(wěn)。表現(xiàn)為：混凝土裂縫未充分發(fā)展，翼緣板在寬厚比較大處發(fā)生局部失穩(wěn)。以試件bw-A4為例，試驗現(xiàn)象如圖6所示。

圖6 翼緣失穩(wěn)試件典型破壞現(xiàn)象(試件bw-A4)Figure 6 Typical failure phenomenon of local buckling test specimens(specimen bw-A4)

(2)試件bw-A6～bw-A8的破壞形態(tài)為混凝土完全破壞，鋼翼緣板未發(fā)生失穩(wěn)。表現(xiàn)為：混凝土裂縫在厚度與寬度位置呈現(xiàn)直線與波紋線的形狀。以試件bw-A8為例，試驗現(xiàn)象如圖7所示。

圖7 翼緣未失穩(wěn)試件典型破壞現(xiàn)象(試件bw-A8)Figure 7 Typical failure phenomena of unstable flange plate test specimens(specimen bw-A8)

2.2 荷載滑移關系

圖8為翼緣失穩(wěn)試件的荷載-滑移曲線，圖9為翼緣未失穩(wěn)試件的荷載-滑移曲線，圖10為兩種破壞模式曲線對比。(其中荷載值為試驗加載值的一半，即分析單側連接件性能，滑移量取6個位移計讀數(shù)平均值)。并將各試件試驗結果對比繪制成表4。

圖8 翼緣失穩(wěn)試件荷載-滑移曲線Figure 8 Load-slip curve of local bucking test specimens

圖9 混凝土破壞試件荷載-滑移曲線Figure 9 Load-slip curve of concrete failure test specimens

圖10 兩種破壞模式荷載-滑移曲線對比Figure 10 Comparison of load-slip curves between two failure modes

從圖8可看出，在加載初期，連接件與混凝土間滑移量較小，均不大于1 mm。隨著荷載不斷增大，滑移量逐漸增大。當翼緣板向內鼓起接近失穩(wěn)時，位移計讀數(shù)明顯增加，滑移量迅速增大。

從圖9可看出，在加載初期，連接件與混凝土間滑移量較小，均不大于0.7 mm，隨著加載的進行，荷載-滑移曲線斜率逐漸變小，不再線形增長，此時裂縫開始出現(xiàn)。隨著加載的繼續(xù)，滑移迅速增長，直到破壞，最終各試件的最大滑移量均不超過5 mm。

從圖8和圖9可看出，試件bw-A5的曲線的發(fā)展規(guī)律與其余4個試件的曲線發(fā)展規(guī)律不盡相同，卻與翼緣板未失穩(wěn)試件的發(fā)展規(guī)律類似，但bw-A5的破壞形態(tài)為翼緣板發(fā)生失穩(wěn)，因此可認為該試件處于兩種破壞模式的臨界狀態(tài)。

從圖10可看出，所有試件在加載開始時都保持了良好的彈性變形，荷載-滑移曲線的斜率隨著試驗加載值的不斷增加而減小。兩種破壞模式試件曲線差異表現(xiàn)在：(1)上部位移計因翼緣板失穩(wěn)讀數(shù)較大，導致曲線斜率較??；(2)翼緣板失穩(wěn)無法繼續(xù)傳遞荷載導致這些試件提前破壞，因此其極限承載力均低于翼緣板未發(fā)生失穩(wěn)試件的極限承載力。

3 抗剪承載力分析

通過表4可發(fā)現(xiàn)，試件bw-A7極限承載力較試件bw-A6極限承載力提高了10.4%，這說明在其他參數(shù)一樣的條件下，當貫穿鋼筋直徑由16 mm增加至22 mm時，連接件的極限承載力也隨之提高。

通過分析試驗結果并按照參考文獻中算式計算承載力可以發(fā)現(xiàn)：

表4 試件試驗結果Table 4 Test results of test specimens

注：T1為試件單側彈性承載力；T2為試件單側極限承載力；Q1為式(2)所得理論值；Q2為式(3)所得理論值；Q3為式(1)所得理論值。

(1)對比T2和Q1，除試件bw-A5外，其余4個翼緣板失穩(wěn)試件試驗值比Q1小，原因是位移計因上部翼緣板失穩(wěn)而無法繼續(xù)記錄數(shù)據(jù)，試驗提前結束，此時混凝土僅局部破壞；對于翼緣板未失穩(wěn)試件，試驗值則大約為計算值的1.5倍，可知翼緣板存在，使得連接件的縱向剛度明顯提高，改變了波紋板嵌入段的邊界條件，進而斜板段混凝土抗剪齒鍵充分受壓，提高了連接件的承載力。

(2)對比T2和Q2可發(fā)現(xiàn)，所有試件試驗值均大于混凝土銷的受剪承載力理論值，因此該連接件的混凝土銷受剪承載力滿足規(guī)范[13]要求，試驗中也未發(fā)現(xiàn)混凝土銷破壞的現(xiàn)象。

(3)對比T2和Q3可發(fā)現(xiàn)，翼緣板未發(fā)生失穩(wěn)的試件T2與Q3較為接近，但均比Q3約小20%，原因是兩種連接件的結構形式不同，受力機制也有所不同，因此對于筆者所提出的連接件僅具有一定的理論參考意義。

因此，對于筆者研究的連接件，如果翼緣板未發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，式(2)的計算結果偏于保守?？山梃b嵌入式連接件承載力計算公式，加強混凝土影響系數(shù)，并參考開孔波折板計算公式進行修正。

4 結論

筆者針對帶翼緣板嵌入式連接件，通過推出試驗對其抗剪承載力、滑移、破壞模式等幾個方面進行了研究和分析，得出以下結論：

(1)此種連接件的翼緣板起到提高波紋板縱向剛度的作用。試件破壞模式分為兩類，翼緣板失穩(wěn)破壞與混凝土劈裂破壞。

(2)翼緣板失穩(wěn)試件的翼緣板寬厚比較大并失穩(wěn)，試驗提前結束，最終混凝土僅發(fā)生局部破壞。

(3)翼緣板未發(fā)生失穩(wěn)試件的混凝土板裂縫發(fā)展完全，裂縫處混凝土存在壓碎的情況。最終混凝土板板厚處裂縫形狀為從下到上直線貫穿，板寬處的裂縫形狀為波紋形。

(4)未失穩(wěn)試件試驗值比現(xiàn)有嵌入式連接件理論值大，除現(xiàn)有算式偏于保守這個原因外，還因為翼緣板的存在，提高了波紋板的縱向剛度，使得斜板處的混凝土充分受壓，進而提高了連接件的承載力。

(5)建議設計中采取構造要求如控制翼緣寬厚比，防止翼緣板發(fā)生局部失穩(wěn)現(xiàn)象。