鋼-UHPC組合梁高強螺栓剪力鍵抗剪性能試驗研究

黃海新,張登科,程壽山

(1. 河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401； 2. 交通運輸部 公路科學(xué)研究所，北京 100080)

0 引 言

鋼-混組合梁橋充分發(fā)揮了混凝土材料的受壓性能和鋼材料的受拉性能，具有良好的經(jīng)濟性，已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外橋梁工程中。但是實際工程中，鋼梁與混凝土板間大多采用焊釘為主的永久連接方式，未考慮后期更換便利性，由此帶來橋梁后期維護難度高等問題[1-3]，以螺栓代替永久焊釘作為鋼-混組合梁橋易拆卸的剪力鍵，是一種解決方式。

UHPC是一種基于最大密實度原理配制的水泥基復(fù)合材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性，被認為是最具創(chuàng)新性的水泥基工程材料之一[4-5]。發(fā)展以UHPC材料和螺栓連接為基礎(chǔ)的輕質(zhì)高強橋面板和模塊化全裝配式構(gòu)件，勢必能進一步提升鋼-混組合梁橋施工和更換的效率。螺栓作為全裝配式鋼-混組合梁中的重要連接件，其自身的抗剪性能及與混凝土板和鋼梁間的協(xié)同性是決定鋼-混組合梁整體工作性能的關(guān)鍵，目前國內(nèi)外學(xué)者已對其進行了一定的推出試驗研究[6-8]，但以螺栓為剪力鍵并配合UHPC橋面板的鋼-混組合梁抗剪性能的試驗研究較少。

鑒于此，筆者設(shè)計并制作了兩組不同開孔構(gòu)造的推出試件來探究豎向剪切荷載下鋼-UHPC組合梁的剪力傳遞機理，以及螺栓剪力鍵的滑移變形規(guī)律。

1 試驗概述

1.1 試件簡介

為研究剪力鍵槽孔構(gòu)造對混凝土板掀起位移的影響，參照文獻[9]設(shè)計并制作了階梯形剪力鍵槽孔和楔形剪力鍵槽孔兩種不同開孔構(gòu)造的推出試件，并編號為SP1和SP2，實物如圖1。

推出試件由一片工字鋼梁和兩塊UHPC板通過4個單嵌入螺母高強螺栓連接而成，鋼梁頂端高出UHPC板頂面100 mm，留出鋼梁向下滑移的空間，推出試件尺寸及構(gòu)件間的位置關(guān)系見圖2。

圖2 推出試件尺寸(單位：mm)Fig. 2 Dimensions of the push-out specimen

試驗用鋼梁為焊接工字鋼，上下翼緣板尺寸為500 mm×260 mm×10 mm，腹板尺寸為500 mm×240 mm×8 mm，材質(zhì)為Q235鋼。試驗用混凝土板為UHPC預(yù)制板，尺寸為500 mm×500 mm×90 mm，在中央位置預(yù)留剪力鍵槽孔，UHPC板中僅添加鋼纖維，未配置鋼筋。針對UHPC材料強度和彈性模量明顯高于普通混凝土的特點，采用適配于UHPC的8.8級高強螺栓作為剪力鍵，規(guī)格為M16×100，即螺栓直徑16 mm，高度100 mm。

1.2 材料特性

UHPC材料配合比采用文獻[10]中基于最大堆積密度理論得到的最優(yōu)配合比，配合比參數(shù)見表1。

表1 UHPC材料配合比Table 1 UHPC material mix ratio

鋼纖維摻量按照表1提供的體積分數(shù)參考范圍取2.5%，種類為端鉤型鍍銅微絲，規(guī)格為長度13 mm，直徑0.2 mm。預(yù)制UHPC板在標準養(yǎng)護室進行養(yǎng)護，同期制作同條件養(yǎng)護的UHPC標準試塊參照GB/T 50081《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》和GB/T 31387《活性粉末混凝土》進行抗壓強度、抗拉強度、彈性模量等材性試驗。由試驗結(jié)果可知，試驗用UHPC板抗壓強度為102.1 MPa，抗拉強度為7.6 MPa，彈性模量為42.4 GPa。對鋼材參照GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸試驗》進行室溫拉伸試驗，測得8.8級高強螺栓屈服強度為678 MPa，抗拉強度為848 MPa，彈性模量為209 GPa；Q235鋼屈服強度為255 MPa，抗拉強度為395 MPa，彈性模量為201 GPa。

1.3 測點布置

試驗主要測試鋼梁相對于UHPC板的豎向滑移以及UHPC板相對于鋼梁接觸面的掀起位移，并采用位移計進行測量。位移計V1、V2用于測量豎向滑移，位移計H1、H2用于測量掀起位移。V1、V2安裝于鋼梁腹板兩側(cè)并分別位于上、下翼緣上，即布置于推出試件的對角位置；H1、H2安裝于推出試件兩側(cè)，磁力表架固定在鋼梁頂端，表針頂在UHPC板剪力鍵槽孔上方位置。位移測點布置如圖3。

圖3 試件位移測點和加載布置Fig. 3 Displacement measuring points and loading arrangement oftest pieces

2 試驗加載及結(jié)果分析

2.1 試驗加載

推出試件加載布置見圖3(a)，從上至下依次為反力架、千斤頂、分配板、推出試件。為平穩(wěn)擱放千斤頂并且使工字鋼梁頂端受力均勻，在鋼梁頂端放置一塊平鋼板。

試驗加載分兩個階段。階段I對單嵌入螺帽螺栓施加預(yù)緊力荷載，在安裝螺栓剪力鍵時完成。按GB/T 3098.1—2000《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》[11]規(guī)定，對螺栓剪力鍵施加預(yù)緊力至保證荷載；為精準施加預(yù)緊力至保證荷載，在底端螺母和鋼梁間放入壓力指示墊圈DTI，壓力指示墊圈表面的凸點被壓平時，代表螺桿內(nèi)的預(yù)緊力達到保證荷載。階段II正式加載，采用力分級加載控制，加載采用100 t量程的手動式千斤頂，千斤頂通過頂端反力架施加豎向荷載，試驗加載至推出試件發(fā)生破壞為止。

試件SP1和SP2在加載過程中的相同表象是：加載初始試驗力較小，推出試件沒有表現(xiàn)出異樣；隨著荷載增加，工字鋼梁開始出現(xiàn)滑動并伴隨著“咯咯”的響聲，嵌入螺母與工字鋼梁的接觸面均產(chǎn)生明顯擠壓變形；隨著加載力持續(xù)增加，螺栓桿與孔壁接觸并且螺紋侵入孔壁，直至鋼-UHPC界面的螺桿剪斷破壞。與SP1不同的是，試件SP2在加載前期鋼梁的滑移不明顯，原因可能是螺栓安裝時螺桿與孔壁接觸或空隙較小，鋼梁初始滑移受限。試件SP1和SP2的破壞模式及試驗現(xiàn)象見圖4，試驗主要測試結(jié)果見表2。

圖4 推出試件破壞形態(tài)Fig. 4 Failure mode of the push-out specimen

表2 試驗主要測試結(jié)果Table 2 Main test results of the experiment

值得注意的是，試件SP1為單側(cè)雙根螺桿剪斷，SP2為單側(cè)單根螺桿剪斷，推出試件中螺桿未同時全部剪斷說明螺栓桿受力不均，剪斷側(cè)螺桿受力大，未剪斷側(cè)螺桿受力小。這可能是由于，四根螺栓安裝過程中螺桿離下緣孔壁距離不等，剪斷螺桿距離下緣孔壁近，未剪斷螺桿距離下緣孔壁遠。工程中要保證所有螺桿離孔壁距離相等難以實現(xiàn)，故建議工程實施中應(yīng)采取措施(如在螺桿與孔壁間空隙內(nèi)密實灌漿)，以確保所有螺栓協(xié)同受力。

2.2 荷載-滑移關(guān)系

圖5給出了試驗實測的荷載-滑移關(guān)系曲線?？梢钥闯?，豎向剪切荷載作用下，推出試件的荷載-滑移關(guān)系曲線可以分為3個階段：

圖5 荷載-滑移關(guān)系曲線Fig. 5 The load-slip relationship curve

1)螺桿與孔壁接觸前階段(圖中Ⅰ)。荷載-滑移呈線性關(guān)系，滑移剛度基本不變。該階段剪力轉(zhuǎn)移機制為：作用在鋼梁頂端的加載力，首先轉(zhuǎn)移至鋼-UHPC板界面，表現(xiàn)為兩者之間的黏結(jié)力和摩擦力。隨著荷載不斷增加，鋼-UHPC板界面的黏結(jié)力和摩擦力被克服，剪力轉(zhuǎn)移至嵌入螺母與鋼梁間的接觸面，表現(xiàn)為兩者之間的擠壓力和摩擦力，該階段末嵌入螺母與鋼梁的接觸面均產(chǎn)生了明顯的擠壓變形，如圖4。

2)鋼-混界面螺桿直接承受剪力階段(圖中Ⅱ)。隨著荷載持續(xù)增加，嵌入螺母與鋼梁接觸面間的擠壓力和摩擦力被克服，螺桿與下緣孔壁接觸并且螺紋侵入孔壁，剪力轉(zhuǎn)移至螺桿與鋼梁孔壁接觸面，該階段荷載-滑移關(guān)系表現(xiàn)為非線性，滑移較荷載增加快。

3)螺桿剪斷后的下降段(圖中 Ⅲ)。達到極限承載力后，螺桿突然剪斷破壞，螺桿剪斷破壞前沒有任何前兆，屬于脆性破壞，故下降段較短。

觀察推出試件的破壞形態(tài)發(fā)現(xiàn)，螺桿剪斷破壞時，嵌入螺母前方的UHPC材料基本完好，沒有明顯的壓碎脫落現(xiàn)象。螺栓未被剪斷一側(cè)的UHPC板被拆卸后，灌漿塊上也僅沿剪力鍵布置方向可見一條細微的水平裂縫，嵌入螺母前方的UHPC也整體無損。這表明與鋼-普通混凝土推出試件相比，鋼-UHPC推出試件的破壞模式更為單一，僅有螺栓剪斷一種，不存在混凝土板劈裂破壞[12]。分析其原因，UHPC材料的抗壓剛度遠高于普通混凝土，對比同等試驗條件下文獻[13]的鋼-普通混凝土推出試驗，發(fā)現(xiàn)相同受力階段鋼-UHPC推出試件的滑移剛度明顯高于鋼-普通混凝土推出試件，推出試件的滑移剛度用荷載-滑移關(guān)系曲線的割線斜率表示。鋼-UHPC和鋼-普通混凝土推出試件相同受力階段滑移剛度對比見表3，從表中可見，相較于鋼-普通混凝土推出試件，鋼-UHPC推出試件各受力階段滑移剛度平均提升約32.5%。

表3 鋼-UHPC和鋼-普通混凝土推出試件滑移剛度對比Table 3 Comparison of slip stiffness between steel-UHPC and steelordinary concrete push-out specimen kN/mm

2.3 荷載-UHPC板掀起位移關(guān)系

鋼-混組合梁高強螺栓剪力鍵受剪過程中往往伴隨著混凝土板向上掀起[14]，從而使螺栓剪力鍵受到撬拔力的作用，撬拔力對于嵌入螺母前方混凝土處于三軸應(yīng)力狀態(tài)發(fā)揮主要作用，研究組合梁剪力鍵滑移過程中UHPC板的掀起行為對于分析剪力鍵復(fù)雜力學(xué)特性具有重要意義。

試驗實測荷載-UHPC板掀起位移關(guān)系曲線見圖6。從圖中可見，豎向剪切荷載作用下UHPC板相對于鋼梁接觸面的整個掀起過程可以分為兩個階段：

1)UHPC板相向鋼梁接觸面運動階段(圖中Ⅰ)。該階段UHPC板處于小偏壓狀態(tài)，推出試件傾向于圖7(a)的受力模式，該受力模式下剪力鍵槽孔上方鋼梁和UHPC板相互擠壓，UHPC板表現(xiàn)為相向鋼梁運動，對應(yīng)于荷載-UHPC板掀起位移關(guān)系曲線圖6(a)中的a-b段和圖6(b)中的d-e段；

2)UHPC板反向鋼梁接觸面運動階段(圖中Ⅱ)。該階段鋼梁因受壓引起的橫向變形又會給UHPC板一個反向力矩，使推出試件傾向于圖7(b)所示的受力模式，反向力矩的作用使剪力鍵槽孔上方的UHPC板反向鋼梁運動，對應(yīng)于曲線圖6(a)中的b-c段和圖6(b)中的e-f段。

圖6 荷載-UHPC板掀起位移關(guān)系曲線Fig. 6 Relationship curve of the load-UHPC plate lifting displacement

圖7 推出試件受力模型Fig. 7 The stress model of the push-out specimen

試驗中螺栓剪斷破壞時，階梯形開孔和楔形開孔推出試件UHPC板最終的掀起位移均未超過1 mm，并且階梯形開孔推出試件UHPC板最終的掀起位移小于楔形開孔推出試件，說明階梯形開孔構(gòu)造對UHPC板掀起位移的限制效果更佳；相比于楔形開孔推出試件，階梯形開孔推出試件UHPC板最終的掀起位移降低了約14.5%，究其原因在于，階梯形開孔構(gòu)造剪力鍵槽孔發(fā)揮了更好的嵌固作用。

為直觀反映推出試件UHPC板掀起與工字鋼滑移之間的關(guān)系，現(xiàn)將實測數(shù)據(jù)以掀起位移/最終滑移為橫坐標，加載力/抗剪強度為縱坐標繪制曲線圖8。從圖中可見，加載力達到抗剪強度的65%之前，UHPC板沒有產(chǎn)生掀起，并且達到推出試件的抗剪強度時，階梯形和楔形推出試件UHPC板的掀起位移占最終滑移的比例分別為13.5%和18.8%。

圖8 荷載/抗剪強度-掀起位移/最終滑移關(guān)系曲線Fig. 8 Load/shear strength- lifting displacement /final sliprelationship curve

2.4 鋼-UHPC高強螺栓推出試件抗剪承載力分析

根據(jù)2.2節(jié)剪力轉(zhuǎn)移機制分析可知，鋼-UHPC推出試件總的抗剪承載力主要包括三個部分，即鋼-UHPC板界面的摩擦力、嵌入螺母和鋼梁接觸面間的擠壓力和摩擦力以及螺桿自身的抗剪能力。

由于鋼-UHPC板接觸面的垂直方向為自然接觸，并無主動施加的壓緊力，且試驗中存在UHPC板的掀起行為，故摩擦力較小可忽略不計，文獻[13]對單嵌入螺母推出試件的研究也證實了這點。同時，觀察螺栓剪斷破壞面的形狀，發(fā)現(xiàn)破壞面是傾斜面而非嚴格意義的平面，說明荷載作用下螺桿產(chǎn)生了彎曲，彎曲變形使螺桿內(nèi)的軸力產(chǎn)生了豎直向上分力，從而提升了推出試件的抗剪承載力。基于此，鋼-UHPC推出試件的抗剪承載力計算如式(1)：

Fult=αsfuAs-eff+μFNcosα+FNsinα

(1)

式中：fu為螺栓抗拉強度；As-eff為螺桿有效剪切面積；αs為剪切系數(shù)；μ為嵌入螺母與鋼梁接觸面之間的摩擦系數(shù)；FN為螺桿內(nèi)預(yù)緊力；α為螺桿剪斷破壞面的傾斜角。

上述各參數(shù)根據(jù)筆者試驗和相關(guān)標準確定，分別取fu=848 MPa，As-eff=157 mm2[11]，αs=0.6[15]，F(xiàn)N=90 kN，μ=0.14，α=9°。代入式(1)可得鋼-UHPC高強螺栓推出試件總的抗剪承載力理論值為106.4 kN，試驗實測階梯形開孔和楔形開孔推出試件的抗剪承載力分別為104.45和110.26 kN，理論計值實與測結(jié)果的誤差分別僅為1.9%和3.5%，表明所建立的理論計算公式具有較好的實用價值。

3 結(jié) 論

1)相比于鋼-普通混凝土推出試件多樣化的破壞模式，鋼-UHPC推出試件僅發(fā)生螺桿剪斷一種破壞模式，破壞模式更為單一；螺栓剪斷破壞時，嵌入螺母前方UHPC板基本完好無損。

2)相比于鋼-普通混凝土推出試件，鋼-UHPC推出試件在同一受力階段下滑移剛度提升明顯，其中滑移剛度k1 mm和kpu后者比前者平均提高約32.5%。

3)階梯形開孔和楔形開孔推出試件對UHPC板相對于鋼梁接觸面的掀起行為均有較好的限制作用，階梯形開孔的限制效果更佳，階梯形開孔試件最終的掀起位移相比于后者降幅近14.5%。