腹板開(kāi)洞型抗剪連接件的抗震性能試驗(yàn)研究

王雪飛, 曾思智,4*, 黃海, 胡淑軍

(1.贛州建工集團(tuán)有限公司, 江西 贛州 341000;2.江西中煤建設(shè)集團(tuán)有限公司, 江西 南昌 330001;3.南昌大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 江西 南昌 330031;4.贛州建筑工業(yè)化有限公司, 江西 贛州 341007)

0 引言

在鋼與混凝土之間合理設(shè)置抗剪連接件可保證兩者協(xié)同工作,并將鋼構(gòu)件上的剪力有效傳遞至混凝土中,使兩者形成可靠連接[1-3]。目前,常用抗剪連接件包括圓柱頭焊接釘[4]、槽鋼[5]、抗拔不抗剪[6]和開(kāi)孔鋼板連接件[7]等形式,可使鋼與混凝土組合樓板之間形成可靠連接。將Y形偏心鋼支撐[8]引入裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)中,可有效提高其抗側(cè)剛度和抗震性能等[9]。在往復(fù)荷載作用下,混凝土梁柱與鋼支撐節(jié)點(diǎn)主要受壓力-彎矩-剪力或拉力-彎矩-剪力共同作用,且存在開(kāi)合效應(yīng)等問(wèn)題[10]。為此,在裝配式混凝土梁端采用鉸接連接,形成一種裝配式混凝土梁柱-鋼支撐組合節(jié)點(diǎn),其特點(diǎn)包括:支撐連接板在梁柱上的剪力由抗剪連接件承擔(dān),且滑移值小于1 mm;其他內(nèi)力由對(duì)穿螺桿承擔(dān),可有效實(shí)現(xiàn)彎剪分離[11],如圖1所示。然而,上述抗剪連接件存在承載力弱、剛度小和變形大等問(wèn)題,無(wú)法滿(mǎn)足該節(jié)點(diǎn)受剪性能。

圖1 裝配式混凝土梁柱-鋼支撐組合節(jié)點(diǎn)Fig.1 Precast concrete beam and column-to-steel brace composite connection

Hu等[11]對(duì)一字型、十字型和十字帶側(cè)板型抗剪連接件的抗剪承載力研究,指出十字帶側(cè)板力學(xué)性能最優(yōu),且具有承載力大、變形小、預(yù)定荷載下?lián)p傷小等特點(diǎn);Zhao等[12]在鋼梁與剪力墻間的連接處設(shè)置預(yù)埋銓釘、預(yù)埋錨桿、預(yù)埋H型鋼和預(yù)埋槽鋼等方式,可在混凝土柱與鋼梁之間實(shí)現(xiàn)可靠連接;王濤等[13]提出了3種用于鋼連梁預(yù)埋端板構(gòu)造方法:純錨筋、角鋼加抗剪板和錨筋加抗剪板,均能滿(mǎn)足承載力要求,并驗(yàn)證了彎剪分離設(shè)計(jì)方法的可靠性;劉陽(yáng)等[14]提出一種改進(jìn)型鋼連梁-鋼板混凝土組合剪力墻結(jié)構(gòu),并研究了鋼連梁跨高比和加勁肋布置方式對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。盡管以上抗剪連接件具有承載力和剛度大等特點(diǎn),但在裝配式混凝土梁柱中使用時(shí),不利于與對(duì)穿螺桿受彎承載共同使用。另外,由于裝配式混凝土梁柱預(yù)制時(shí)主要采用水平澆筑,抗剪連接件的使用還需考慮混凝土澆筑時(shí)的密實(shí)度問(wèn)題[15]。

因此,裝配式混凝土梁柱-鋼支撐組合節(jié)點(diǎn)中抗剪連接件需同時(shí)具有剛度大、承載力大、變形小、易澆筑等特點(diǎn)。為此,本項(xiàng)目提出一種新型腹板開(kāi)洞型抗剪連接件，設(shè)計(jì)并制作4個(gè)考慮腹板布置形式的腹板開(kāi)洞型抗剪連接件試驗(yàn)?zāi)Ｐ?并進(jìn)行往復(fù)荷載作用下的受剪性能研究,得到其滯回曲線(xiàn)和剪力-應(yīng)變曲線(xiàn)等,為其在相應(yīng)結(jié)構(gòu)中的分析和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件模型及材料性能

試件模型。設(shè)計(jì)4個(gè)腹板開(kāi)洞型抗剪件模型RWC-1，RWC-2，…，RWC-4,以研究其抗剪性能。各模型的加載鋼梁和混凝土梁尺寸相等,且各腹板開(kāi)洞型抗剪連接件材質(zhì)為Q345,混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30,尺寸如圖2所示。加載鋼梁的尺寸為H 250 mm×125 mm×6 mm×8 mm,材質(zhì)為Q345;兩側(cè)混凝土梁的截面尺寸為590 mm×250 mm×300 mm(長(zhǎng)度×寬度×高度);箍筋直徑為8 mm,牌號(hào)HRB335;縱筋直徑為16 mm,牌號(hào)HRB400;抗剪連接件端板截面尺寸為400 mm×160 mm×10 mm(長(zhǎng)度×寬度×高度)。

試件RWC-1、RWC-4中4塊腹板豎向設(shè)置,尺寸為40 mm×12 mm,間距為50 mm;RWC-2中4塊腹板水平設(shè)置,尺寸為40 mm×12 mm,間距為80 mm;RWC-3中4塊腹板豎向設(shè)置,兩端尺寸為40 mm×16 mm,中間2塊腹板尺寸為40 mm×8 mm,間距為80 mm。

(a) 試件RWC-1、RWC-3、RWC-4

(b) 試件RWC-2

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎昧撕穸葹?、8、10、12 mm的鋼板和直徑為8、16 mm的箍筋，強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土平均軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為18.5 MPa。不同型號(hào)構(gòu)件的材料性能見(jiàn)表1。

表1 材料力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical properties for the specimens

1.2 加載裝置及制度

加載裝置。本次試驗(yàn)在南昌大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。如圖3所示,試驗(yàn)裝置包括反力架、作動(dòng)器、墊梁、墊板、錨桿、螺栓、固定梁、試件等。作動(dòng)器最大輸出荷載和位移分別為1 000 kN和600 mm。試驗(yàn)加載前,豎向作動(dòng)器上端與固定梁連接,以對(duì)試件施加豎向往復(fù)荷載;混凝土梁下端放置在墊梁上端,混凝土梁上端設(shè)置墊板,且在墊板與墊梁上翼緣之間采用錨桿將混凝土梁固定。另外,整個(gè)試驗(yàn)裝置底部均通過(guò)地錨螺栓與地槽固定相連(試驗(yàn)裝置中未畫(huà)出)。

(a) 正面圖 (b) 側(cè)面圖

加載制度。試件RWC-1、RWC-2、RWC-3采用力控制的往復(fù)加載方式[16],加載速率為1 kN/m。第1級(jí)荷載為100 kN,之后每級(jí)荷載增幅為100 kN,每級(jí)荷載循環(huán)3次;每級(jí)荷載結(jié)束后停止3 min后進(jìn)入下一級(jí)荷載。在當(dāng)級(jí)荷載不同循環(huán)次數(shù)加載時(shí)位移差明顯增大后,下一級(jí)荷載增幅減小至50 kN,直至試件破壞。試件RWC-4采用單調(diào)位移加載方式。

1.3 量測(cè)方案

對(duì)試件RWC-1、RWC-2、RWC-3的量測(cè)內(nèi)容主要包括荷載、位移和關(guān)鍵截面應(yīng)變。其中,為防止加載鋼梁、固定梁和反力架等變形對(duì)試件實(shí)際位移產(chǎn)生影響,分別在加載鋼梁的上端和下端Ⅰ、Ⅱ位置各設(shè)置一個(gè)位移計(jì),如圖4(a)所示。對(duì)應(yīng)變的測(cè)量,在RWC-1、RWC-2、RWC-3的4塊腹板上距加載鋼梁翼緣50 mm處分別設(shè)置S1、S2、S3和S4,如圖4(b)所示。各應(yīng)變計(jì)測(cè)量的量程為0.15。

(a) 位移計(jì) (b) 應(yīng)變測(cè)量

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

2.1 試件RWC-1

在往復(fù)加載作用下,RWC-1的破壞形態(tài)如圖5(a)所示。加載初期,在第1、2、3級(jí)荷載目標(biāo)值分別為100、200、300 kN時(shí),混凝土梁未發(fā)生任何開(kāi)裂和變形。第4級(jí)(0-±400 kN)加載中,第2次受拉(荷載為負(fù))時(shí),抗剪連接件與混凝土梁側(cè)面第1個(gè)抗剪腹板(由上至下分別為第1、2、3、4個(gè))處出現(xiàn)1號(hào)裂縫并向上蔓延;第3次受壓時(shí),正向距側(cè)面50 mm底部出現(xiàn)一條2號(hào)豎向裂縫。第5級(jí)(0～±450 kN)加載中,第1次受壓時(shí),側(cè)面第3個(gè)抗剪腹板向上發(fā)展一條3號(hào)斜裂縫;第2次受拉且荷載值為-380 kN時(shí),第2個(gè)抗剪腹板正面與側(cè)面相交處向上發(fā)展一條4號(hào)斜裂縫;荷載值為-450 kN時(shí),正面頂部出現(xiàn)斜裂縫并向下部發(fā)展至第4抗剪腹板上端;第3次受壓且荷載值為360 kN時(shí),正向第3、4個(gè)抗剪腹板上分別發(fā)展6號(hào)水平裂縫和7號(hào)豎向裂縫;第3次受拉且荷載為-320 kN時(shí),2號(hào)裂縫上端開(kāi)始發(fā)展8號(hào)斜裂縫,并向上繼續(xù)發(fā)展9號(hào)裂縫與6號(hào)裂縫相交;繼續(xù)受拉加載時(shí),正向側(cè)面底部分別出現(xiàn)10號(hào)豎向短裂縫和11號(hào)豎向長(zhǎng)裂縫。隨后,在6號(hào)與9號(hào)裂縫相交處,沿9號(hào)裂縫方向發(fā)展12號(hào)豎向裂縫,且在側(cè)面第3個(gè)抗剪腹板上端發(fā)展13號(hào)水平裂縫。至此,混凝土出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象,試件達(dá)到極限狀態(tài)。

2.2 試件RWC-2

往復(fù)加載下,RWC-2破壞過(guò)程和形態(tài)如圖5(b)所示。在達(dá)到第1、2級(jí)荷載目標(biāo)值分別為100、200 kN時(shí),混凝土梁未發(fā)生任何開(kāi)裂和變形,滑移值分別為0.10、0.21 mm。第3級(jí)(0～±300 kN)加載中,混凝土未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象,但滑移值已達(dá)到0.71 mm,進(jìn)入了彈塑性階段。第4級(jí)(0～±400 kN)加載中,第2次受壓時(shí),在側(cè)面第1、2個(gè)抗剪腹板上端沿上部分別出現(xiàn)1、2號(hào)斜裂縫;第5級(jí)(0-±450 kN)加載中,第1次受壓時(shí),側(cè)面2號(hào)裂縫下方由上至下發(fā)別出現(xiàn)3、4、6、5號(hào)水平裂縫。繼續(xù)加開(kāi)載至第6級(jí)(0～±500 kN),第3次受拉且荷載為-430 kN時(shí),4號(hào)裂縫向正向發(fā)展出長(zhǎng)約50 mm的水平裂縫;荷載為-430 kN時(shí),3號(hào)裂縫經(jīng)第3、2個(gè)抗剪腹板發(fā)展貫穿整個(gè)正面的3號(hào)延長(zhǎng)斜裂縫,并到達(dá)第1個(gè)抗剪腹板下方。隨后,混凝土被壓潰,加載結(jié)束。

2.3 試件RWC-3

往復(fù)荷載下,試件RWC-3的破壞過(guò)程和形態(tài)如圖5(c)所示。第1、2級(jí)加載中,混凝土梁上同樣未發(fā)生任何開(kāi)裂和變形。第3級(jí)(0～±300 kN)加載中,第3次受拉且荷載為-280 kN時(shí),側(cè)面第1個(gè)抗剪腹板中間出現(xiàn)1號(hào)斜裂縫。第4級(jí)(0～±400 kN)加載中,第2次受壓且荷載為317 kN時(shí),側(cè)面第4個(gè)抗剪腹板處向上發(fā)展2號(hào)斜裂縫;繼續(xù)加載至330 kN,側(cè)面第二抗剪腹板處出現(xiàn)3號(hào)水平斜裂縫;第2次受拉且荷載為350 kN時(shí),側(cè)面第三抗剪腹板向第一腹板方向發(fā)展4號(hào)斜裂縫,并向正面繼續(xù)發(fā)展;第3次受壓時(shí),側(cè)面距底部40、70、100 mm處分別出現(xiàn)5號(hào)、6號(hào)和7號(hào)水平裂縫,且7號(hào)裂縫向正面沿第4、3、2個(gè)抗剪腹板繼續(xù)發(fā)展成斜裂縫;第3次受拉時(shí),正向頂部出現(xiàn)8號(hào)水平裂縫,并在第1個(gè)抗剪腹板右側(cè)距端部80 mm處出現(xiàn)9號(hào)斜裂縫。第5級(jí)(0～±450 kN)加載中,第1次受壓時(shí),沿正面頂部中間向下至第2個(gè)抗剪腹板處出現(xiàn)10號(hào)斜裂縫;第1次受拉且荷載為-420 kN時(shí),10號(hào)裂縫中部向右上方發(fā)展11號(hào)短斜裂縫;第2次受拉時(shí),向下發(fā)展12號(hào)斜裂縫至第二抗剪腹板上方。第6級(jí)(0～±500 kN)加載中,第1次受拉且荷載為-450 kN時(shí),7號(hào)裂縫迅速蔓延,且混凝土開(kāi)始出現(xiàn)明顯壓潰;第1次受壓且荷載為410 kN時(shí),正面左側(cè)距底部40 mm處開(kāi)始向上產(chǎn)生13號(hào)斜裂縫,并沿第4、3個(gè)抗剪腹板中部發(fā)展。荷載繼續(xù)增加時(shí),混凝土出現(xiàn)明顯破壞,試驗(yàn)結(jié)束。

2.4 試件RWC-4

單向加載下,試件RWC-4的破壞過(guò)程和形態(tài)如圖5(d)所示。當(dāng)荷載小于300 kN時(shí),混凝土梁未發(fā)生任何損傷。荷載達(dá)到340 kN時(shí),側(cè)面底部70 mm處向右上方產(chǎn)生1號(hào)斜裂縫;荷載為370 kN時(shí),在第2、3個(gè)抗剪腹板間產(chǎn)生側(cè)面2號(hào)斜裂縫,并向正向產(chǎn)生一段50 mm的水平裂縫后,向第3、4個(gè)抗剪腹板方向產(chǎn)生3號(hào)斜裂縫。隨后,荷載為440 kN時(shí),側(cè)面第1個(gè)抗剪腹板上方出現(xiàn)4號(hào)斜裂縫,且1號(hào)裂縫向正面發(fā)展長(zhǎng)度約為20 mm的5號(hào)水平短裂縫。荷載為480 kN時(shí),側(cè)面第2個(gè)抗剪腹板上方出現(xiàn)6號(hào)斜裂縫;荷載為540 kN時(shí),側(cè)面底部產(chǎn)生7號(hào)斜裂縫。當(dāng)荷載達(dá)到620 kN時(shí),抗剪連接件滑移急速增大且荷載下降,隨后試件破壞并停止加載。

(a) 試件RWC-1

(b) 試件RWC-2

(c) 試件RWC-3

(d) 試件RWC-4

以上分析表明,4個(gè)腹板開(kāi)洞型抗剪連接件的破壞形態(tài)基本一致,主要表現(xiàn)為:各抗剪腹板與混凝土梁側(cè)面連接處首先出現(xiàn)橫向裂縫,并向正面發(fā)展;隨著荷載增大,裂縫在各抗剪腹板之間產(chǎn)生并擴(kuò)展。加載后期,各試件滑移值增大明顯,抗剪連接件附近的裂縫增多,且混凝土在墊板和墊梁間受壓并出現(xiàn)部分壓潰現(xiàn)象,最終達(dá)到極限承載力。試件RWC-1和RWC-3產(chǎn)生的裂縫數(shù)較多,而試件RWC-2在達(dá)到極限荷載時(shí)裂縫數(shù)較少。另外,往復(fù)加載與單向加載的裂縫數(shù)量和極限承載力有較大差異。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 滯回曲線(xiàn)

在往復(fù)荷載作用下,試件RWC-1，RWC-2，…，RWC-4的剪力-位移曲線(xiàn)如圖6所示,可以看出，試件RWC-1、RWC-2、RWC-3的曲線(xiàn)總體趨于對(duì)稱(chēng)。4個(gè)試件的剪力-滑移曲線(xiàn)走勢(shì)基本相同,大致可分為3個(gè)階段:①初始彈性階段。試件均未產(chǎn)生裂縫,混凝土和抗剪連接件均處于彈性,剪力與位移成正比。②彈塑性階段。剪力加載約至極限荷載60%～70%時(shí),試件裂縫逐漸增多,曲線(xiàn)斜率開(kāi)始減小。③破壞階段。加載后期,各試件均出現(xiàn)較多裂縫,位移隨荷載的增大而急劇增大,直至試件破壞。

各試件在不同加載步下的力和位移值見(jiàn)表2。對(duì)比試件RWC-1和RWC-2可知,將抗剪腹板由豎向轉(zhuǎn)至水平布置,最大荷載由450 kN小幅增大至500 kN,但極限位移由0.98 mm增大至3.09 mm。對(duì)比試件RWC-1和RWC-3可知,改變豎向抗剪腹板厚度,最大荷載由450 kN增加至500 kN,極限位移由0.98 mm增大至1.07 mm,且試件在拉壓作用下的承載力和延性也變化較小。當(dāng)試件的預(yù)定荷載為450 kN時(shí),試件RWC-1、RWC-2和RWC-3的位移分別為0.98、2.59 、0.72 mm,試件RWC-1和RWC-3能滿(mǎn)足預(yù)期荷載下位移小于1 mm的要求,并適用于該種裝配式混凝土梁柱-鋼支撐組合節(jié)點(diǎn)中。另外,對(duì)比試件RWC-1和RWC-4可知,加載方式由往復(fù)加載改為單向加載,最大荷載由450 kN小幅增大至620 kN,極限位移由0.98 mm增大至1.47 mm,這主要是混凝土未受往復(fù)荷載的累積損傷。

(a) 試件RWC-1

(b) 試件RWC-2

(c) 試件RWC-3

(d) 試件RWC-4

表2 不同加載步下試件的荷載和位移Tab.1 Bearing capacity and displacement of specimens under different loading step

3.2 骨架曲線(xiàn)

試件RWC-1，RWC-2，…，RWC-4的骨架曲線(xiàn)如圖7所示。試件RWC-1和RWC-2的初始剛度分別為954、946 kN/mm,即改變抗剪腹板方向?qū)ζ涑跏紕偠葻o(wú)明顯影響;試件進(jìn)入彈塑性后,試件RWC-2的剛度明顯減小,并導(dǎo)致極限荷載下位移值增大。試件RWC-3的初始剛度為1 435 kN/mm,較試件RWC-1的初始剛度提高50.42%,原因可能是兩端抗剪腹板的承載最大,增大該處截面可有效提高其初始剛度,且2個(gè)構(gòu)件在進(jìn)入彈塑性和塑性階段后極限位移值基本相同。試件RWC-4的初始剛度為1 141 kN/mm,較試件RWC-1的初始剛度提高19.60%，因此,增加兩端的抗剪腹板面積是提高構(gòu)件初始剛度最有效途徑,且可提高構(gòu)件承載力和減小極限位移。單向加載也可增大構(gòu)件的初始剛度,但改變抗剪腹板方向?qū)Τ跏紕偠鹊挠绊戄^小。

圖7 不同試件的骨架曲線(xiàn)Fig.7 Bond curve of different specimens

3.3 剪力-應(yīng)變曲線(xiàn)

由于試件RWC-1，RWC-2，…， RWC-4中所得測(cè)點(diǎn)S1的應(yīng)變最大,故取該點(diǎn)的剪力-應(yīng)變曲線(xiàn)為研究對(duì)象,如圖8所示。試件RWC-1受壓和受拉作用下最大應(yīng)變值為1 856με和1 515με;試件RWC-2加載至第6級(jí)荷載時(shí),受壓和受拉作用下最大應(yīng)變值為2 782με和2 903με;試件RWC-3在加載至第6級(jí)荷載時(shí),受壓和受拉作用下最大應(yīng)變值為844με和1 341με;試件RWC-4在壓力作用下的最大應(yīng)變值為2 843με?；诓男苑治隹芍?8、10、12 mm厚鋼材的屈服應(yīng)變?yōu)? 359με、2 302με和2 409με,即試件RWC-1和RWC-3的最大應(yīng)變值小于相應(yīng)板件屈服值,整個(gè)受力過(guò)程中2種抗剪連接件均處于彈性,這是由于這2種試件的變形值較小。試件RWC-2的應(yīng)變值大于板件屈服值,主要是試件達(dá)到極限荷載時(shí)變形值過(guò)大所導(dǎo)致。另外,單向加載時(shí)最大應(yīng)變已超過(guò)板件屈服值并進(jìn)入塑性狀態(tài),此時(shí)極限荷載大于其他3種試件荷載,且變形值也相應(yīng)增大。

(a) 試件RWC-1

(b) 試件RWC-2

(c) 試件RWC-3

(d) 試件RWC-4

4 結(jié)論

本文對(duì)所提出的腹板開(kāi)洞型抗剪連接件的抗震性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,得到以下結(jié)論:

① 4個(gè)試件的破壞形態(tài)基本一致,首先各抗剪腹板與混凝土梁側(cè)面連接處出現(xiàn)橫向裂縫,并向正面和各抗剪腹板之間產(chǎn)生并擴(kuò)展;隨后各試件滑移值增大明顯,抗剪連接件附近裂縫增多,且混凝土出現(xiàn)部分壓潰現(xiàn)象,最終達(dá)到極限承載力。

② 4個(gè)試件的剪力-滑移曲線(xiàn)走勢(shì)基本相同,均可分為初始彈性階段、彈塑性階段和破壞階段?？辜舾拱遑Q向或水平布置,對(duì)其承載力和初始剛度影響較小,但對(duì)彈塑性和破壞階段位移值影響非常大。加載方式對(duì)抗剪連接件的力學(xué)性能影響明顯。

③ 預(yù)定荷載為450 kN時(shí),試件RWC-1、RWC-2、RWC-3的位移分別為0.98、2.59、0.72 mm,即腹板豎向布置時(shí)位移小于1 mm,適用于裝配式混凝土梁柱-鋼支撐節(jié)點(diǎn)中。腹板開(kāi)洞型抗剪連接設(shè)計(jì)時(shí),宜采用腹板兩端大、中間小的形式。