鋼-混凝土組合梁混合連接件的受剪性能試驗(yàn)研究

袁曉靜，劉 凡，趙 偉，鄭昕昀

（1.蘇州科技大學(xué) 江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州215011；2.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 橋隧工程研究所，浙江 杭州311112）

鋼-混凝土組合梁既能發(fā)揮混凝土的抗壓性能，又能發(fā)揮鋼材的抗拉性能，可提高結(jié)構(gòu)剛度，降低結(jié)構(gòu)高度和撓度，在城市橋梁建設(shè)中已得到廣泛應(yīng)用[1]。眾所周知，在鋼-混凝土組合梁中，抗剪連接件是將鋼和混凝土這兩種彈性模量相差很大的材料結(jié)合為一個(gè)整體共同工作，其作用是防止界面處的水平滑移和分離。抗剪連接件的抗剪性能直接影響鋼-混組合結(jié)構(gòu)的截面剛度和整體承載力，是鋼-混組合結(jié)構(gòu)中最為關(guān)鍵的部件。開孔鋼板、栓釘、彎起鋼筋等金屬剪力鍵因?yàn)閺?qiáng)度高，變形能力強(qiáng)，施工方便等特點(diǎn)，是現(xiàn)今鋼-混組合結(jié)構(gòu)中最為常用的抗剪連接件。但該類金屬剪力鍵也具有應(yīng)力集中、存在焊接缺陷及傳力不連續(xù)等缺點(diǎn)[2-3]。

為避免傳統(tǒng)金屬連接件所帶來的種種問題，國外學(xué)者率先開始研究新材料-非金屬剪力鍵，如Si Larbi、Berthet、Jurkiewiez等提出有機(jī)聚合物剪力鍵，開展了一系列的試驗(yàn)研究和理論分析，認(rèn)為有機(jī)聚合物剪力鍵具有較好的受力性能和材料穩(wěn)定性[4-6]。與傳統(tǒng)的金屬剪力鍵相比，非金屬剪力鍵是通過有機(jī)聚合材料將鋼梁與混凝土的表面緊緊地粘結(jié)在一起，可一定程度上避免傳統(tǒng)金屬連接件存在的問題，且有利于裝配式施工，但采用有機(jī)聚合物剪力鍵的構(gòu)件常表現(xiàn)為脆性破壞。

有學(xué)者提議將有機(jī)聚合物剪力鍵與金屬剪力鍵聯(lián)合使用，形成混合剪力鍵共同抗剪[7]。但目前對混合剪力鍵的研究還不多。為此本文采用有機(jī)聚合物膠結(jié)層和栓釘混合連接的剪力鍵，進(jìn)行了6個(gè)推出試驗(yàn)，研究混合連接件的破壞機(jī)制、栓釘和膠結(jié)層的受力情況及荷載-滑移性能，并分析了栓釘間距對混合連接件抗剪承載力和滑移性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

為研究混合連接件的受剪性能，本文參照歐洲規(guī)范規(guī)定設(shè)計(jì)推出試件[8]。試件采用2塊預(yù)制混凝土板和1根工字鋼梁拼裝而成?；炷涟鍍?nèi)雙向各布置8根直徑為8 mm的HRB400鋼筋，板中預(yù)留孔洞區(qū)域，與鋼梁拼裝后，在預(yù)留孔洞區(qū)域填充水泥基灌漿料。采用目前施工單位最常用的有機(jī)聚合物——環(huán)氧砂漿的配比，并結(jié)合項(xiàng)目組前期的研究成果[9]，膠結(jié)層采用10 mm厚的環(huán)氧砂漿。結(jié)合試件的尺寸和設(shè)計(jì)承載力，栓釘布置采用三種不同的間距，共設(shè)計(jì)3組試件，每組2個(gè)。試件主要參數(shù)見表1所列，試件設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 試件設(shè)計(jì)（以PJ-70為例）

表1 設(shè)計(jì)試件參數(shù)

試件采用C50混凝土，混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)測值為48.8 MPa，彈性模量為3.55×104MPa。膠結(jié)層采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司所生產(chǎn)的環(huán)氧砂漿，實(shí)測抗拉強(qiáng)度15.31 MPa，抗壓強(qiáng)度59.52 MPa。灌孔材料采用泰興市蘇冶新型建材有限公司所生產(chǎn)的C60灌漿料，實(shí)測抗壓強(qiáng)度為63.0 MPa。鋼材的力學(xué)性能見表2所列。

1.2 加載設(shè)備及制度

試驗(yàn)在江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。采用長春新特試驗(yàn)機(jī)有限公司制造的Y15-7 5000 kN微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載（見圖2），采用江蘇東華測試的DH3821應(yīng)變采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。根據(jù)歐洲規(guī)范Eurcode-4[8]對試件加載，每組試件正式加載之前，先進(jìn)行2次預(yù)加載。然后再以理論承載力的5%～40%進(jìn)行25次循環(huán)加載，最后再進(jìn)行單調(diào)加載直至試件破壞。

圖2 現(xiàn)場加載圖

1.3 測點(diǎn)布置及測量方案

為測試推出件工字型鋼和混凝土板之間的相對滑移，在推出試件兩側(cè)高度為1/4、1/2及3/4處布置6個(gè)位移傳感器，編號(hào)為W1-W6，布置如圖3所示。

圖3 滑移測點(diǎn)布置圖

為測得試驗(yàn)過程中栓釘?shù)氖芰η闆r，在鋼梁上緣及下緣栓釘距根部1/3及2/3處布置應(yīng)變片。為研究工字鋼翼緣應(yīng)力分布情況，在型鋼翼緣布置單排應(yīng)變片。測點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 應(yīng)變測點(diǎn)布置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞機(jī)制分析

部分試件的破壞形式見圖5所示。PJ-70、PJ-50、PJ-120共計(jì)6個(gè)試件，在加載初期均無明顯現(xiàn)象。隨著荷載增加，試件慢慢開始滑移，接著試件發(fā)出吱吱的響聲，環(huán)氧砂漿層開裂并發(fā)生部分脫離，臨近破壞時(shí)，試件發(fā)出栓釘斷裂的聲響，最后破壞。其中PJ50、PJ120試件表現(xiàn)為局部栓釘被剪斷，環(huán)氧砂漿膠結(jié)層與鋼梁粘結(jié)良好，和混凝土板局部脫離；PJ70試件表現(xiàn)為局部栓釘被剪斷，環(huán)氧砂漿膠結(jié)層與混凝土板粘結(jié)良好，與鋼梁局部脫離。

圖5 試件的破壞

試件破壞時(shí)，構(gòu)件的整體性完好，未出現(xiàn)單側(cè)（或雙側(cè)）同時(shí)被剪斷的脆性破壞。膠結(jié)層有裂縫但無碎裂現(xiàn)象，未出現(xiàn)內(nèi)聚破壞。由此可見，膠結(jié)-栓釘混合連接件能避免純膠結(jié)剪力鍵的脆性破壞模式，又能避免金屬剪力鍵由應(yīng)力集中引起的劈裂破壞或壓碎現(xiàn)象。膠結(jié)層和栓釘聯(lián)合使用共同抗剪，混合連接件保證了構(gòu)件的延性。

2.2 栓釘應(yīng)力

為研究膠結(jié)-栓釘混合連接件中栓釘?shù)妮S向受力情況，將0.8Pu（Pu為試件峰值荷載）時(shí)不同層栓釘根部（即距鋼梁表面1/3處）的應(yīng)變，進(jìn)行對比分析，如圖6所示。栓釘位置是以鋼梁加載一端為參照面，第一排栓釘為上側(cè)，第二排為中側(cè)，第三排為下側(cè)。

栓釘軸向應(yīng)力，迎力一面受拉，另一面受壓。由圖6可知，兩邊排栓釘所受應(yīng)力較大，中間排栓釘所受應(yīng)力較小?；旌线B接件中，混凝土板及混凝土板中灌孔灌漿料處于偏心受壓狀態(tài)，灌漿料在受壓過程中，產(chǎn)生壓縮變形。相比灌孔中心處，兩側(cè)灌漿料變形更大，部分灌漿料包裹栓釘產(chǎn)生與栓釘之間的沿軸向摩擦力，因此兩邊側(cè)栓釘所受應(yīng)力較大，中側(cè)栓釘應(yīng)力較小。另外，試件在加載過程中，混凝土板受到底座向上的反力，灌漿料與鋼梁之間摩擦力存在向上傳遞趨勢，因而出現(xiàn)第一排栓釘應(yīng)力較大的情況。

圖6 栓釘軸向受力

2.3 膠結(jié)層界面應(yīng)力分布

為研究試件膠結(jié)層粘結(jié)范圍內(nèi)的界面應(yīng)力分布情況，通過在型鋼翼緣布置單排應(yīng)變片且利用公式（1）[10]間接獲得膠結(jié)層界面應(yīng)力。型鋼翼緣的應(yīng)變片布置如圖4（b）所示。

式中，εi為測點(diǎn)處型鋼翼緣應(yīng)變；t為型鋼翼緣厚度；E為型鋼彈性模量；ΔL為測點(diǎn)i+1與i之間的距離。

取部分試件不同荷載級(jí)下工字鋼翼緣應(yīng)變，進(jìn)而間接得到膠結(jié)層界面應(yīng)力分布情況，如圖7所示。圖中S是指應(yīng)變測點(diǎn)位置距加載端焊接鋼板下緣的距離。

圖7 膠結(jié)層應(yīng)力分布

由圖7可知，膠結(jié)-栓釘混合連接件中膠結(jié)層的界面粘結(jié)應(yīng)力主要呈現(xiàn)“W”及“U”分布，膠結(jié)層粘結(jié)應(yīng)力分布呈現(xiàn)非線性分布，在栓釘處及周圍區(qū)域，膠結(jié)層界面應(yīng)力發(fā)生集中突變。受加載條件及試件施工質(zhì)量差異的影響，不同試件鋼梁翼緣膠結(jié)層粘結(jié)應(yīng)力分布各有不同。在試件加載過程中，膠結(jié)層界面應(yīng)力狀態(tài)負(fù)載，受力復(fù)雜，沒有明顯的分布規(guī)律。大致規(guī)律是：隨著距加載端距離的增加，粘結(jié)應(yīng)力先減小后增加再減小再增加，最后又減小。加載過程中，膠結(jié)層加載端表現(xiàn)出受拉趨勢，遠(yuǎn)端表現(xiàn)出受壓趨勢。

2.4 荷載-滑移關(guān)系

試件的荷載-滑移曲線是衡量抗剪連接件受力性能的重要指標(biāo)。圖8為試件的荷載-滑移曲線，試件的承載力及滑移能力如表3所列。

圖8 荷載-滑移關(guān)系

表3 試驗(yàn)結(jié)果

由圖8可知，混合抗剪連接件的荷載-滑移曲線呈現(xiàn)一致的趨勢，可將曲線劃分為四階段：無滑移階段、線彈性階段、塑性階段和下降段。加載初期，連接件與混凝土板之間沒有發(fā)生顯著滑移，連接件與混凝土板協(xié)同受力；當(dāng)荷載增加到極限荷載的10%左右時(shí)，連接件開始發(fā)生滑移，滑移隨著荷載的增大緩慢增長，荷載-滑移曲線表現(xiàn)為線性特征；荷載增加到極限荷載的70%左右時(shí)，滑移增長加速，當(dāng)荷載接近極限荷載時(shí)，滑移迅速增大，直至推出件破壞。

由圖8可見，試件的抗剪承載力隨著栓釘間距的增大而減小。栓釘間距越大，試件彈性階段的抗剪剛度越小，滑移越大，達(dá)極限荷載時(shí)的滑移值和最大滑移值也越大。試件PJ50在彈性階段的荷載能達(dá)到極限荷載的81%，而PJ70和PJ120在彈性階段的荷載只能達(dá)到極限荷載的67%和52%。試件PJ50的極限承載力相較于PJ70和PJ120的分別提高了48.7%和118.8%，而極限滑移量卻分別下降了54.4%和40%?？梢姡瑴p小栓釘間距可以顯著提高混合連接件的抗剪承載力?；浦凳呛饬拷M合結(jié)構(gòu)試件延性好壞的重要指標(biāo)，這說明減小栓釘間距，對改善混合連接件延性作用并不明顯。

3 結(jié)論

（1）膠結(jié)-栓釘混合連接件的破壞模式為延性破壞，表現(xiàn)為部分栓釘斷裂，膠結(jié)層和混凝土板（或鋼梁）發(fā)生局部脫離，但試件整體性較好，沒有混凝土板被壓碎的現(xiàn)象，也沒有試件直接被剪壞的現(xiàn)象。

（2）栓釘軸向應(yīng)力，一面受拉另一面受壓。兩邊側(cè)栓釘所受應(yīng)力較大，中間側(cè)栓釘所受應(yīng)力較小。加載過程中，膠結(jié)層加載端表現(xiàn)出受拉趨勢，遠(yuǎn)端表現(xiàn)出受壓趨勢，受力變化和分布規(guī)律復(fù)雜。

（3）混合連接件的荷載-滑移曲線基本由無滑移階段、彈性階段、塑性階段和下降段組成。減小栓釘間距可顯著提高混合連接件的抗剪承載力，但不能改善混合連接件的滑移性能。