不同材料膠結(jié)層對組合梁粘結(jié)性能影響的試驗研究

朱圣清，劉凡，袁曉靜，高偉豪

（蘇州科技大學(xué) 江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點實驗室，江蘇 蘇州 215011）

0 前言

鋼-混凝土組合梁是現(xiàn)代土木工程中在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種重要結(jié)構(gòu)形式。隨著我國近些年來大力推廣裝配式建筑，裝配式鋼-混凝土組合梁的研究也在不斷推進中[1]。在裝配式鋼-混凝土組合梁中，鋼梁與混凝土板之間的主要連接形式是通過在鋼梁和混凝土翼緣板之間設(shè)置剪力連接件（栓釘、槽鋼、彎筋等），抵抗二者在交界面處的掀起及相對滑移，使其形成共同工作的整體[2-5]。自20 世紀以來，一種采用在混凝土板與鋼梁間設(shè)置膠結(jié)層與栓釘共同起到連接效果的栓釘-膠結(jié)層連接件在裝配式鋼-混凝土組合梁中得到較多應(yīng)用。這主要是考慮到傳統(tǒng)單一的栓釘抗剪連接件易產(chǎn)生初始裂縫，且在傳遞界面上的剪力時，會產(chǎn)生變形，引起界面間的相對滑移，使得組合梁變形增大[6]。裝配式結(jié)構(gòu)中，對節(jié)點方面的研究一直是熱點和重點，因此在裝配式組合梁中，鋼與混凝土之間的連接形式和方式對于其整體的粘結(jié)性能起到很大影響。采用新型連接形式的裝配式組合梁，其整體性強，耐久性好。但目前針對栓釘-膠結(jié)層連接件的相關(guān)研究還很少，尤其是對膠結(jié)層材料及粘結(jié)性能的研究尚顯匱乏。

針對粘結(jié)材料，相關(guān)學(xué)者利用環(huán)氧砂漿和高強度砂漿作為膠結(jié)層和灌孔材料進行的相關(guān)研究表明，環(huán)氧砂漿可作為較好的粘結(jié)劑和膠結(jié)層，而高強度砂漿具有較好的整體性，也是較好的粘結(jié)材料[7-10]。相關(guān)文獻也表明[11-12]，環(huán)氧砂漿具有良好的力學(xué)性能，且以其強度高、固化快、耐磨、粘結(jié)性能好廣泛應(yīng)用。水泥基灌漿料具有自流性好、快硬、早強高強、無收縮、微膨脹、無毒無害、耐老化、對周圍環(huán)境無污染，自密性好等優(yōu)點，在施工方面質(zhì)量可靠且因其可以降低成本，縮短工期和方便使用從而廣泛應(yīng)用[13-14]。

本文通過對比采用環(huán)氧砂漿和C60 水泥基灌漿料作為膠結(jié)層的鋼-混凝土組合梁加載過程中試件的承載力、下?lián)铣潭取?yīng)2 種粘結(jié)材料的連接性能及界面滑移與應(yīng)變的測試，得到了荷載-撓度曲線、荷載-滑移曲線、應(yīng)變沿截面高度分布曲線，分析了對試件的平截面假定、抗彎承載力、剛度和界面滑移性能的影響，從而研究材料性能對其受力性能及粘結(jié)性能的影響，研究成果可為裝配式鋼-混凝土組合梁連接部分膠結(jié)層的工程應(yīng)用提供參考。

1 試件模型設(shè)計及材料性能

根據(jù)GB 50917—2013《鋼-混凝土組合梁橋設(shè)計規(guī)范》，以膠結(jié)層材料為對比參數(shù)設(shè)計2 片試驗梁：ZB6-1 膠結(jié)層材料為環(huán)氧砂漿，ZB6-2 膠結(jié)層材料為C60 水泥基灌漿料。各試驗梁的設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 試驗梁的設(shè)計參數(shù)

2 片試驗梁橫截面尺寸及材料均相同，一端設(shè)置固定鉸支座，另一端為活動鉸支座。整體寬度為1000 mm，整體高度為324 mm，采用80 mm 厚預(yù)制混凝土板、板寬1000 mm；預(yù)留槽孔上口尺寸為240 mm×160 mm，下端槽孔為200 mm×120 mm，槽孔中心間距為420 mm。采用C50 混凝土，鋼筋均為HRB400級?；炷涟鍍?nèi)鋼筋間距為70 mm。鋼梁采用工字型鋼板梁，鋼梁總高為244 mm、上翼緣寬度均為175 mm、下翼緣寬度均為175 mm、腹板厚度均為7 mm、翼緣厚度均為11 mm。栓釘直徑13 mm、長60 mm，屬于完全連接形式。在鋼梁布置寬度為10 mm 的硅膠條，并在栓釘與栓釘間的間隔部分處設(shè)置膠結(jié)層?；炷涟寮颁摿涸攬D如圖1 和圖2 所示。

圖1 鋼梁及栓釘側(cè)視圖

圖2 組合梁側(cè)視圖

本試驗2 片組合梁灌孔材料均采用泰興市蘇冶新型建材有限公司生產(chǎn)的高強無收縮C60 水泥基灌漿料，每25 kg 灌漿料加水3.5 kg，依據(jù)GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》進行材性試驗。環(huán)氧砂漿采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的博力康-SP101 環(huán)氧砂漿，包括A、B、C三組份，配制質(zhì)量比為1∶1∶15.25，參照DL/T 5193—2004《環(huán)氧樹脂砂漿技術(shù)規(guī)程》進行材性試驗。C60 水泥基灌漿料和環(huán)氧砂漿的性能如表2 所示。

表2 C60 水泥基灌漿料和環(huán)氧砂漿的性能

2 加載制度及測點布置

采用分配梁實現(xiàn)兩點對稱加載，加載點間距為1 m。兩邊支座均為鉸支座。采用單調(diào)加載，各測點采用TDS303 靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進行數(shù)據(jù)采集。加載現(xiàn)場示意見圖3。正式加載從0 kN開始，加載力在達到400 kN 前采用力控制加載，每級25 kN；鋼梁達到屈服后，試件剛度下降較快，在加載力達到400 kN 后采用位移控制加載，每級位移量為2 mm，直至構(gòu)件破壞。

圖3 正彎矩加載示意

為測試試件截面應(yīng)變沿梁高的變化，在混凝土板頂部及鋼梁下翼緣設(shè)置應(yīng)變片，此外，在鋼梁腹板上共有3 個應(yīng)變片，分別位于跨中腹板的四分點處。為測試試件的撓度，在支座、三分點和跨中設(shè)置了電阻式位移計，其中跨中架設(shè)2 個取其均值。為測試試件的滑移布置了9 個測試截面，共9 個百分表。各表布置點位距離如圖4 所示。

圖4 位移計及百分表測點布置示意

3 結(jié)果與討論

3.1 應(yīng)變變化曲線

根據(jù)試驗測得的跨中截面沿梁高的應(yīng)變曲線如圖5 所示。選取跨中截面的5 個測點：分別為混凝土板頂部的3-H-03，跨中鋼梁腹板位置四分點處的3GF-01、3GF-02、3GF-03和鋼梁底部3-Gd。

圖5 跨中截面沿梁高應(yīng)變曲線

由圖5 可知，在荷載為400 kN 以內(nèi)時，2 試件各測點處沿梁高的應(yīng)變變化基本符合線性關(guān)系。這表明在400 kN 以內(nèi)，試件ZB6-1 和ZB6-2 均較好地符合了平截面假定，且鋼梁和混凝土板的相對位移較小。彈性階段時，2 根梁中性軸均位于混凝土板內(nèi)。其中ZB6-1 的中和軸距混凝土板頂約為70 mm；ZB6-2 中和軸距混凝土板頂約為59 mm，上移11 mm。

在施加應(yīng)力的過程中發(fā)現(xiàn)，混凝土板頂?shù)膽?yīng)變明顯大于鋼梁底部的應(yīng)變，其差距為4～5 倍。相比之下ZB6-1 的應(yīng)力應(yīng)變-曲線的斜率要略大于ZB6-2，說明環(huán)氧砂漿作為膠結(jié)層可以減小組合梁的應(yīng)變，具有更好的整體性。

3.2 破壞模式

2 片試驗梁的破壞模式均先為最外側(cè)簇栓釘在膠結(jié)層和混凝土板連接處被剪斷并伴隨混凝土破裂，是典型的受彎破壞。栓釘剪斷如圖6 所示。彈性階段時，2 片試驗梁在加載過程中沒有明顯下?lián)希炷涟寮凹袅Σ劭拙闯霈F(xiàn)明顯裂縫。塑性階段時，ZB6-1 加載力達到616 kN 左右，有局部的混凝土板和膠結(jié)層的剝落聲和栓釘?shù)募魯嗦?；加載力達到675 kN時，加載面混凝土側(cè)面裂縫明顯增多，栓釘剪斷的脆裂聲斷斷續(xù)續(xù)，混凝土板兩端翹起，最外側(cè)膠結(jié)層破壞增多；加載力達到785 kN 時，支座附近處的剪力槽孔出現(xiàn)眾多裂縫，除跨中膠結(jié)層外，其余部分的膠結(jié)層均大部分發(fā)生破壞、脫落。ZB6-2 加載力達到585 kN 左右時，膠結(jié)層有輕微剝落聲，混凝土板側(cè)邊的裂縫不斷延伸；到達670 kN 左右時，膠結(jié)層聽到多處清脆的脫落聲，并且跨中膠結(jié)層與混凝土板也發(fā)生相對滑移，混凝土板裂縫隨即增大，試驗梁兩邊翹起。到達極限荷載后，大部分混凝土板與膠結(jié)層脫粘，位移控制力不斷下降，偶有整體的震動及回彈，約在768 kN 時，栓釘剪斷聲音巨大，此時膠結(jié)層基本破壞。綜上所述，從破壞模式上來看，2 片試驗梁均有良好的受力變形能力，最外側(cè)栓釘均被剪斷。其中彈性階段差異不大。但在進入塑性階段后ZB6-2 膠結(jié)層的破壞早于ZB6-1，且破壞速度更快。

圖6 栓釘截面破壞照片

3.3 荷載-撓度曲線

2 片試驗梁不同測點處的撓度隨荷載變化曲線如圖7 所示，極限荷載和位移如表3 所示。

表3 組合梁的極限荷載與位移

圖7 組合梁的荷載-撓度曲線

由圖7 和表3 可見，2 片試驗梁在三分點處荷載-撓度曲線吻合較好，走勢與跨中的曲線變化基本一致，這表明跨中混凝土板與鋼梁對比三分點處沒有發(fā)生變形突變，板間可以連續(xù)且均勻地傳力，2 片試驗梁均表現(xiàn)出良好的組合效果。

試件的抗彎加載可以大致分為以下2 個過程：（1）彈性階段。加載初期，2 個試件均處在彈性變形階段，荷載和撓度呈線性關(guān)系，兩者的荷載-撓度曲線基本吻合，說明2 種膠結(jié)層對組合梁的彈性受力性能影響很小。（2）塑性階段。2 個試件的撓度隨荷載的增大而增大，且撓度的增幅遠大于荷載增幅，荷載-撓度曲線呈近似水平段，在試件接近破壞時，受壓側(cè)混凝土隨撓度的增大而逐漸剝落，試件承載力波動下降直至試件完全壓潰。其中，塑性階段時，ZB6-1 的曲線更為平滑，說明位移控制加載時整個受壓變形是連貫的，體現(xiàn)其較好的整體性。當2 片試驗梁到達極限荷載時，代入剛度公式（1）：

式中：P——作用于結(jié)構(gòu)的恒力，kN；

δ——由于力而產(chǎn)生的形變，με。

此時ZB6-1 跨中的剛度k1=12 478 kN/m，ZB6-2 跨中剛度k2=11 668.8 kN/m。

綜上所述，ZB6-1 跨中的極限承載力為852.0 kN，比ZB6-2提高了5.9%，但是兩者在到達極限承載力時的撓度相差不大。從而可知，采用環(huán)氧砂漿作為膠結(jié)層的鋼-混凝土組合梁的承載能力大于相同條件下膠結(jié)層為C60 高強灌漿料的組合梁，且相比之下，采用環(huán)氧砂漿的極限荷載時剛度可以提高6.9%。此外，在2 片試驗梁到達極限承載力時，ZB6-1 的跨中撓度為68.28 mm，ZB6-2 的跨中撓度為68.97 mm。且兩者屈服位移基本一致，表明其延性基本一致。

3.4 荷載-滑移曲線

由于結(jié)構(gòu)對稱加載，取2 片梁的左半部分的滑移即HY-01～HY-05 進行對比研究。靜載試驗中，荷載使鋼梁下部受拉，混凝土板上部受壓，工字型鋼和混凝土板之間形成橫向力，使彼此發(fā)生相對錯動，進而發(fā)生層間位移。2 個試件到達極限承載力后，膠結(jié)層破壞明顯，大部分百分表到達量程，因而撤去不再記錄。2 片試驗梁各測點處的荷載-滑移曲線見圖8，滑移參數(shù)見表4。

圖8 組合梁的荷載-滑移曲線

極限荷載下最大滑移/mm ZB6-1 1.213 283 9.465 ZB6-2 0.761 566 9.654編 號 彈性階段最大滑移/mm距支座位置/mm

由圖8 和表4 可知，2 片梁的最大滑移曲線均近似雙折線，分為斜線段及水平段。在斜線段表現(xiàn)為荷載增大迅速，滑移增幅小。彈性階段時，ZB6-1 于HY-2 測點處取得滑移最大值，滑移量為1.213 mm，距支座約為283 mm。而ZB6-2 滑移最大值則發(fā)生在HY-03 處，為0.761 mm，距支座約為566 mm。表明在彈性階段時，ZB6-2 的滑移量更小，僅為ZB6-1的62.7%，即ZB6-2 的粘結(jié)力更強。在塑性階段內(nèi)由于發(fā)生部分混凝土破裂和兩端膠結(jié)層脫粘，滑移量急劇增大，在達到極限荷載時ZB6-1 左半部分滑移最大值為9.465 mm，在HY-02 處取得。而ZB6-2 左半部分在達到極限荷載時的最大滑移量為9.654 mm，并且此時的最大滑移發(fā)生在HY-03 處取得。因而在到達極限荷載時ZB6-2 的滑移較ZB6-1 增大了2%。

值得注意的是，在進入塑性階段后，ZB6-1 的滑移曲線較ZB6-2 平滑，比如ZB6-2 的HY-2 曲線有明顯的拐點，說明環(huán)氧砂漿灌漿料具有更好的變形協(xié)同作用，在混凝土裂縫逐漸增大的同時，跨中的滑移仍然維持在一個相對較小穩(wěn)定的水平，鋼梁和混凝土之間沒有發(fā)生脆性剝落。而ZB6-2 有明顯剝落聲響，其脆性大于ZB6-1，跨中部分的膠結(jié)層也發(fā)生相對滑移，明顯往一側(cè)傾移，這可能是內(nèi)部產(chǎn)生的塑性鉸引起的，影響了結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布。并且隨著此階段位移加載量不斷增加，ZB6-2 的膠結(jié)層脫粘迅速，從而在700 kN 之后其滑移量逐漸大于ZB6-1，因此，在即將到達極限承載力時，環(huán)氧砂漿表現(xiàn)出更強的粘結(jié)性能。

綜上所述，從加載初期至加載到60%左右的極限荷載時，2 片試驗梁的荷載-滑移曲線均表現(xiàn)為相似的線性關(guān)系。對比相同荷載條件下的滑移，C60 水泥基灌漿料的滑移量約為環(huán)氧砂漿的62.7%，此時的C60 水泥基灌漿料粘結(jié)性能更好。在整個受力過程中ZB6-1 跨中滑移較小，且?guī)讞l曲線更為平滑，體現(xiàn)其較好的整體性。

3.5 滑移距支座距離分布曲線

各階段2 片試驗梁從支座到跨中半跨長度內(nèi)的滑移規(guī)律如圖9 所示。

圖9 組合梁從支座到跨中半跨長度內(nèi)的滑移曲線

由圖9 可見：

（1）在彈性階段內(nèi)，滑移量在支座和跨中處分布較小，在剪跨段數(shù)值較大，純彎段滑移量較為平滑。兩片試驗梁的最大滑移均發(fā)生在距支座266 mm 左右時，體現(xiàn)其在相同受力工況下均有良好的變形協(xié)調(diào)能力。

（2）在塑性階段時，環(huán)氧砂漿仍能維持粘結(jié)性能，特別是跨中滑移基本保持不變，而C60 水泥基灌漿料的最大滑移所在位置遠離支座向跨中移動，這可能是由于彎剪段中產(chǎn)生的多條彎剪斜裂縫不斷擴大，最終形成臨界斜裂縫，并使得彎剪段的混凝土板與膠結(jié)層脫粘，從而導(dǎo)致最大滑移發(fā)生點位偏移。

（3）膠結(jié)層材料是影響組合梁滑移的一個較為重要的因素，采用C60 水泥基灌漿料作為膠結(jié)層在彈性階段可明顯減少混凝土板與鋼梁之間的滑移量，具有更為優(yōu)異的粘結(jié)性能。

4 成本分析

2 種材料在施工方面的和易性均較優(yōu)，施工養(yǎng)護周期基本一致。從經(jīng)濟效益上看，環(huán)氧砂漿成本為4000～5000 元/t，而C60 水泥基灌漿料的成本為2000～3000 元/t，環(huán)氧砂漿的成本約為C60 水泥基灌漿料的2 倍，且兩者密度接近，表明相同造價的產(chǎn)量基本相同。但在正常使用狀態(tài)時其粘結(jié)性略低于C60 水泥基灌漿料，且極限承載力僅提高5.9%，因此，選用C60 水泥基灌漿料作為膠結(jié)層的性價比更優(yōu)。

5 結(jié)論

（1）由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)，2 片試驗梁都較好地符合了平截面假定，均具有良好的變形協(xié)調(diào)能力。

（2）通過荷載-撓度曲線可以發(fā)現(xiàn)，ZB6-1 的極限承載力相較于ZB6-2 提高了5.8%，說明膠結(jié)層采用環(huán)氧砂漿的鋼-混凝土組合梁的抗彎性能優(yōu)于采用C60 水泥基灌漿料的鋼-混凝土組合梁，可以提高其極限承載力。

（3）觀察2 片梁不同階段的滑移曲線可以發(fā)現(xiàn)，膠結(jié)層采用環(huán)氧砂漿加載及破壞時具有更好的整體性，但正常使用階段時粘結(jié)強度明顯小于C60 水泥基灌漿料，僅為其62.7%，而在進入塑性階段后，隨著C60 水泥基灌漿料的不斷脫粘，兩者粘結(jié)強度趨于一致。在即將到達極限荷載時，C60 水泥基破壞明顯，此時環(huán)氧砂漿的粘結(jié)力更強。