銹蝕栓釘連接件力學性能試驗研究

榮學亮，黃 僑

（東南大學 交通學院，南京 210096）

鋼－混組合梁橋在中國屬于“年輕”的結構形式，但在公路和城市橋梁建設中已得到了廣泛的應用，自1992年在北京修建了第一座車行組合梁橋——積水潭橋開始，據(jù)不完全統(tǒng)計，僅北京市的立交橋建設中，就有50多座采用了這種橋型。經(jīng)過20a左右的營運使用，早期修建的這些組合梁橋已經(jīng)進入了生命周期的第一個階段點，該階段點主要性能特征包括：橋面板局部破損甚至開裂、結合面處受到侵蝕；鋼梁表面防腐措施失效；鋼梁構件連接（鉚接、栓接、焊縫等）松動、銹蝕、疲勞，出現(xiàn)裂紋；鋼梁局部損傷、疲勞裂紋等[1－2]。

剪力鍵作為鋼－混組合梁橋的關鍵構件，其抗疲勞及耐久性直接影響到鋼－混組合梁橋的耐久性能和使用壽命。目前對組合梁橋剪力鍵進行的靜力試驗以及疲勞試驗已有很多，只是類似試驗均是針對設計階段完好無損的剪力鍵而進行的[3－14]。一般情況下包裹于混凝土橋面板內(nèi)的栓釘連接件不會受到外部環(huán)境的侵蝕作用而發(fā)生銹蝕，但是當混凝土橋面板開裂導致雨水滲入，結合面密實性能不好出現(xiàn)積水受到氯離子侵蝕，或者橋面板更換施工時保護措施不當?shù)惹闆r時，都可能會導致栓釘連接件的防護措施失效而引起銹蝕，而銹蝕后的栓釘連接件的極限承載力與設計階段相比退化程度如何，目前尚無研究報道。

基于上述考慮，該文擬對銹蝕栓釘連接件的靜力工作性能進行試驗研究，為組合梁橋的耐久性定量分析提供依據(jù)。首先分析并確定栓釘連接件可能遭受的環(huán)境侵蝕作用，然后采用人工電化學快速銹蝕方法模擬栓釘連接件受到的侵蝕作用，通過對電流或電壓的控制使栓釘達到設計的銹蝕量。然后對銹蝕后的栓釘連接件的進行靜載破壞試驗，觀測荷載－滑移性能，極限承載力等基本力學性能的變化。

1 推出試驗

1.1 試驗概述

試驗對銹蝕栓釘連接件的靜力工作性能進行研究，主要包括兩方面的內(nèi)容，首先是對標準推出受剪試件進行人工電化學快速銹蝕試驗，使推出試件中的栓釘按照預先設計的銹蝕參數(shù)達到相應的銹蝕程度；然后對銹蝕后的推出試件進行靜載破壞試驗，測量質量損失率、銹蝕位置，銹坑深度以及最小直徑比等反應栓釘銹蝕特性的參數(shù)對栓釘抗剪承載力的影響。試驗共包括12個標準推出受剪試件的破壞試驗，考慮實際可能的銹蝕情形，試驗設計分類總體包括3種情形，分別是無銹蝕試件、栓釘釘桿（靠近結合面）銹蝕、栓釘大頭端部銹蝕，具體的試件設計分及相關參數(shù)類見表1。

表1 銹蝕栓釘靜載破壞試驗設計

1.2 試件尺寸及材料

試驗采用剪力連接件常用的推出試驗方法，試件設計參考歐洲鋼結構協(xié)會ECCS《組合結構規(guī)范》推薦的推出受剪試件尺寸及配筋[3－4]，具體試件構造設計見圖1。

圖1 推出受剪試件的結構圖（mm）

試件中的鋼梁采用Q235鋼材，選用H型鋼HW 250（H）×255（B）×14（t1）×14（t2），鋼梁長560mm，混凝土翼板由2塊460mm×560mm×150mm的混凝土翼板組成，混凝土等級為C50，翼板內(nèi)配2層鋼筋網(wǎng)，鋼筋選用φ10的HRB335熱軋鋼筋，截面配筋率為0.75%，滿足最小配筋率的要求。每塊混凝土翼板通過2個栓釘剪力鍵與鋼梁連接在一起，按照GB／T 10433—2002選用直徑φ16mm的栓釘、長度90mm，栓釘長度與直徑之比大于4，按規(guī)范要求栓釘用材料為ML-15。

試驗前，首先對試件中使用的材料進行相關的力學性能試驗。對于混凝土材料，在澆筑試件的同時，按照規(guī)范要求制作了15cm×15cm×15cm的標準混凝土立方體石塊，并與推出試件進行靜載破壞的同一時間進行標準立方體石塊的壓壞試驗，混凝土力學性能指標見表2。栓釘連接件經(jīng)過材料拉伸試驗后測得力學性能指標為：屈服強度440N／mm2，極限強度528N／mm2，彈性模量216000N／mm2。

表2 混凝土材料力學性能指標

1.3 人工快速銹蝕試驗

當包裹栓釘?shù)幕炷涟宄霈F(xiàn)裂縫后，鹽水、雨水等物質侵入導致栓釘銹蝕，依據(jù)鋼筋銹蝕的電化學機理可知銹蝕的大致過程可以描述為圖2所示。對于試驗中的推出試件來說，要人工快速模擬電化學腐蝕過程，需要滿足2個條件：1）混凝土板出現(xiàn)裂縫，減小栓釘外圍的混凝土保護層厚度以及便于鹽水侵入；2）增加氯離子濃度，并增加外部電源以加快電化學反應速度。人工快速銹蝕試驗布置見圖3。

圖2 栓釘銹蝕基本過程

圖3 栓釘電化學銹蝕試驗布置圖

試件中栓釘銹蝕損失的重量與電極的電流強度和通電時間的關系可按法拉第定律確定：

式中：Δw為鋼筋銹蝕損失重量，g，可按Δw＝ρww計算；w為待銹蝕栓釘質量，試件中所用一個栓釘?shù)馁|量為179g，則w＝179g×2＝358g；ρw為重量銹蝕率，試驗時已預先對栓釘銹蝕5%，所以計算時，ρw值應分別取為5%和15%；M為鐵的相對原子量，取26；I為通過電極的電流強度，A，可按式I＝ai計算，其中，a為栓釘?shù)谋砻娣e；i為控制電流密度；F為法拉第常數(shù)，F(xiàn)＝96490C·mol－1。

1.4 靜載破壞試驗

靜載破壞試驗在壓力試驗機上進行，實驗前在加載臺上先均勻鋪一層細沙以消除摩擦力的影響，之后分別將連接件試件、傳力鋼板、壓力傳感器等依次安置好，加載系統(tǒng)通過鋼梁端部的鋼板把力傳遞到鋼梁上。加載時采用緩慢連續(xù)方式加載，荷載不分級，初期加載頻率6kN／min，后期以相對滑移量控制加載速度，每個試件的加載時間在2h左右[5]。

2 試驗結果及分析

2.1 銹蝕結果

按照預先方案進行的人工快速銹蝕試驗基本達到了試驗要求，圖4為栓釘根部結合面處銹蝕和栓釘大頭端部銹蝕的實際照片。試驗完成后，將栓釘鑿出并進行清洗、浸泡，經(jīng)過稱重和測量，實際銹蝕狀況見表3。

表3 栓釘銹蝕特性

圖4 栓釘銹蝕圖

2.2 極限承載力

2.2.1 栓釘?shù)臉O限抗剪承載力計算 栓釘是鋼－混凝土組合梁橋中應用最廣泛的一種連接件形式，從20世紀60年代開始學者們曾對栓釘連接件的抗剪承載力作了大量的試驗工作，連接件的試驗方法有推出試驗及梁式試驗2種，推出試驗結果大約是梁式試驗結果下限，一般均以推出試驗結果作為制定規(guī)范的依據(jù)。推出試驗中栓釘連接件的破壞形式基本有3種情況，分別是栓釘附近混凝土局部受壓破壞、栓釘剪斷破壞以及連接焊縫破壞，由于焊縫破壞導致栓釘連接件的承載力不能充分發(fā)揮，因此這種破壞是應該竭力避免的。而另外2種破壞形式主要受混凝土強度的影響，當混凝土強度較高時容易發(fā)生栓釘剪斷破壞，當混凝土強度較低時，容易發(fā)生混凝土局部壓碎破壞[6－7]。

試驗中采用了C50高強度混凝土，從試驗結果來看，12個試件中除了1個發(fā)生焊縫破壞外，其余均為栓釘剪斷破壞。式（2）[8－9]為目前應用較多的栓釘破壞時的承載力計算式，文獻[10]中也推薦了一種高強度混凝土試件的栓釘承載力計算式。表4中給出了S1系列試件（無銹蝕試件）承載力的試驗結果，以及與上述2種計算式的對比情況。

式中：Nvu為單個栓釘?shù)臉O限抗剪承載力；d為栓釘直徑；fu為栓釘?shù)臉O限強度；f′c為150mm×300mm混凝土圓柱體強度標準值；Ec為混凝土的彈性模量；ks和kc分別取1.0和0.374。

從表中可以看出，試驗結果與理論計算公式吻合較好，試驗值略微大一些，比較2式的對比情況，式（2）的計算精度更高一些，因此推薦式（2）作為栓釘極限承載力的計算式。由于目前橋梁規(guī)范中采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法，按分項系數(shù)的設計表達式進行設計，因此由式（2）計算的Nvu為栓釘極限承載力，不能直接用于結構的設計計算。本文通過對試驗中的S1試件以及其他相關推出試驗試件的試驗結果進行統(tǒng)計分析，建議取Nvu，k＝0.808 Nvu和Nvu，d＝0.667 Nvu分別作為鋼－高強混凝土組合梁中的栓釘抗剪承載力標準值和設計值參與結構設計計算。

表4 單個栓釘極限承載力試驗結果與理論計算的比較

2.2.2 銹蝕栓釘承載力 表5中給出了銹蝕栓釘S2、S3、S4推出試驗極限承載力的試驗結果。從表中可以看出栓釘銹蝕后其抗剪承載力有明顯下降。從力學情況來分析，在標準推出試驗中，栓釘受拉剪組合作用，以剪為主。當混凝土強度較高時，栓釘主要發(fā)生根部剪斷破壞，其極限承載力受本身材料性能、栓釘直徑、栓釘長度等因素的影響。栓釘銹蝕位置若產(chǎn)生在釘桿尤其是靠近根部時，首先直接削弱截面尺寸，降低承載力，其次銹蝕影響栓釘與混凝土之間的粘結性能。已有研究表明[11]，混凝土包裹栓釘起到緊箍擠壓作用能夠有效的提高栓釘?shù)臉O限承載力，而銹蝕引起保護層漲裂降低了混凝土與栓釘之間的相互作用，使得栓釘?shù)臉O限承載力也受到一定程度的損失。因此當銹蝕發(fā)生在釘桿尤其靠近根部位置時，對栓釘極限承載力的影響最大。表5中的試驗數(shù)據(jù)也驗證了這一點，S2、S3試件均為釘桿（根部附近）發(fā)生銹蝕。S2試件銹蝕質量損失率約為10%左右，此時栓釘極限承載力降低3%到12%。S3試件中，質量損失率達到20%左右，此時最大截面損失率為12%，最大銹坑深度2.9mm，其極限承載力降低了14%到18%。S4試件主要在栓釘大頭端部發(fā)生了銹蝕，其質量損失率在21%到28%之間，從試驗結果看出，其極限承載力下降不多，約為3%左右。

表5 單個銹蝕栓釘極限承載力試驗結果

2.3 變形性能

1）連接件的變形性能一般用它的荷載－滑移曲線（Nv－Δ）表示[12－15]。栓釘連接件所受的荷載剪力Nv與滑移Δ的關系可用式（3）表示：Nvu可由試驗測得，試驗中Nvu＝113.5kN，代入上式即可得試驗中無銹蝕栓釘連接件的荷載－滑移曲線，見圖5中（a）所示。與S1組3個無銹蝕試件的試驗結果相比，通過圖中可以看出，理論計算曲線與試驗曲線吻合較好，因此該公式能夠較好的反應栓釘連接件的荷載－滑移性能。

式中：Nv為栓釘連接件受到的剪力作用；Δ為滑移量，mm。

圖5 各組試件的荷載－滑移曲線

2）圖5中的（b）、（c）為S2、S3組試件的荷載滑移曲線。這2組試件的栓釘銹蝕位置均在釘桿（靠近根部附近），銹蝕量分別為10%左右和20%左右。2個圖中的理論曲線均為由式（3）所繪出的理論計算曲線，該式的可靠性已經(jīng)過圖（a）中的S1試件試驗結果驗證。圖（b）中的S22由于施工問題而發(fā)生了焊縫破壞，因此不加入分析。

通過2個圖可以看出，銹蝕栓釘S21、S23的荷載－滑移性能與無銹蝕栓釘相比，在前期變化比較明顯，加載初期，相同荷載作用下，銹蝕栓釘?shù)幕屏棵黠@大于無銹蝕栓釘。從0加載至50kN（4個栓釘共同承擔）時有一個比較大的滑移量，然后增加趨勢減小，呈線性變化，加載至320kN時，與無銹蝕栓釘?shù)幕屏炕鞠嗤?，然后直至破壞，極限承載力略微降低，與極限荷載相對應的滑移量比無銹蝕栓釘要小。

栓釘S31、S32、S33的銹蝕狀況比較均勻，主要為釘桿部位均勻銹蝕，其荷載－滑移曲線比較平順，但與無銹蝕栓釘相比有2個顯著特點，一是滑移量增長更快，這意味著栓釘抗剪剛度的降低；二是與極限荷載相對應的滑移量更小，約為無銹蝕栓釘?shù)?8%，這意味著結構預警時間和安全余地的減小，這些對于結構安全來說都是極為不利的。

3）S41、S42、S43為一組大頭端部銹蝕，質量損失率約為20%的栓釘，圖5中的（d）為其荷載－滑移曲線圖，從中可以看出，大頭端部銹蝕對栓釘連接件（標準推出試驗）的極限承載力影響并不大，但對其變形性能有較大影響。當栓釘承受的荷載約為其極限荷載30%到50%時，這也是工程中栓釘?shù)膶嶋H大致工作狀態(tài)，即使與銹蝕栓釘組S2、S3相比，其滑移量的變化也很大，約為0.58～0.93mm，而無銹蝕栓釘同樣荷載區(qū)間的滑移量僅為0.07～0.25mm。滑移量的增大意味著結構撓度的增加，這是結構運營不容忽視的問題。

3 結 論

1）S1組試件的試驗結果驗證了式（2）、（3）的可靠性和準確度，因此推薦式（2）、（3）分別作為鋼-高強度混凝土組合梁結構中栓釘連接件的極限承載力和荷載－滑移關系的計算公式。

2）當栓釘連接件的釘桿尤其是靠近結合面處發(fā)生銹蝕時，栓釘連接件的承載力和變形性能都受到很大影響，隨著銹蝕程度的增加，承載力不斷降低，栓釘抗剪剛度減小，彈性工作階段相對滑移量隨之增加，而與極限荷載相對應的滑移量則呈減小趨勢。從S31試件來看，當栓釘銹蝕質量損失率達到21.4%，最大銹坑深度為2.9mm，最大截面損失率為12%時，其極限承載力降低了18%，與極限荷載相對應的滑移量減小了12%。

3）栓釘連接件大頭端部銹蝕質量損失率約20%時，極限承載力僅下降3%，但變形性能受到的影響很大，尤其在0.3 Nvu～0.5 Nvu的荷載區(qū)間，這也是正常使用狀態(tài)下栓釘承受的荷載范圍，此時其滑移量由無銹蝕時的0.07～0.25mm增長至0.58～0.93mm。

[1]樊建生，聶建國.鋼－混凝土組合梁研究及應用新進展[J].建筑鋼結構進展，2006，8（5）：35-39.FAN JIAN-SHENG，NIE JIAN-GUO.Progress in research and application of composite steel-concrete bridges[J].Progress in Steel Building Structures，2006，8（5）：35-39.

[2]黃僑，榮學亮，陸軍.既有鋼－混組合梁橋常見病害分析及其加固策略[C]／／南京：全國既有橋梁加固、改造與評價學術會議，2008：159-164.

[3]朱聘儒.鋼－混凝土組合梁設計原理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[4]NGUYEN H T，KIM S E.Finite element modeling of push-out tests for large stud shear connectors[J].Journal of Constructional Steel Research，2009，65（10）：1909-1920.

[5]蘇慶田，劉玉擎，曾明根.蘇通大橋索塔栓釘剪力連接件的力學性能試驗 [J].同濟大學學報：自然科學版，2008，36（7）：916-921.SU QING-TIAN，LIU YU-QING，ZENG MING-GEN.Experiments on stud shear connectors in cable-pylon of Sutong bridge[J].Journal of Tongji University：Natural Science，2008，36（7）：916-921.

[6]白玲，曾敏.組合梁中栓釘剪力鍵的受力特性分析[J].鋼結構，2005，20（2）：28-31.BAI LING，ZENG MIN. Analysis of forced characteristics of stud connector for composite bridge[J].Steel Structure，2005，20（2）：28-31.

[7]XUE W C，DING M，WANG H，et al.Static behavior and theoretical model of stud shear connectors[J].Journal of Bridge Engineering，2008，13（6）：623-634.

[8]HANSWILLE G，PORSCH M，USTUNDAG C.Resistance of headed studs subjected to fatigue loading Part I：Experimental study[J].Journal of Constructional Steel Research，2007，63（4）：475-484.

[9]HANSWILLE G，PORSCH M，USTUNDAG C.Resistance of headed studs subjected to fatigue loading Part II：Analytical study[J].Journal of Constructional Steel Research，2007，63（4）：485-493.

[10]丁敏，薛偉辰，王驊.鋼－高性能混凝土組合梁栓釘連接件抗剪性能的試驗 [J].工業(yè)建筑，2007，37（8）：9-13.DING MIN， XUE WEI-CHEN， WANG HUA.Experiment on stud shear connectors in steel-high performance concrete composite beams [J].Industrial Construction，2007，37（8）：9-13.

[11]聶建國，沈聚敏，袁彥聲，等.鋼－混凝土組合梁中剪力連接件實際承載力的研究 [J].建筑結構學報，1996，17（2）：21-28.NIE JIAN-GUO，SHEN JU-MIN，YUAN YANSHENG，et al.Experimental and analysis of actual shear capacity of shear connectors in composite steel-concrete beams[J].Journal of Building Structure，1996，17（2）：21-28.

[12]OLLGAARD J G，SLUTTER R G，F(xiàn)ISHER J W.Shear strength of stud connectors in light-weight and normal-weight concrete[J].AISC Eng.Journal，1971：55-64.

[13]LAM D，EI-LOBODY E.Behavior of headed stud shear connectors in composite beam [J].Journal of Structural Engineering，2005，131（1）：96-107.

[14]LI A，KRISTER C.Push-out tests on studs in high strength and normal strength concrete[J].Journal of Constructional Steel Research，1996，36（1）：15-29.

[15]周凌宇，余志武，蔣麗忠.鋼－混凝土組合梁界面滑移剪切變形的雙重效應分析 [J].工程力學，2005，22（2）：104-109.ZHOU LING-YU，YU ZHI-WU，JIANG LI-ZHONG.Analysis of composite beams of steel and concrete with slip and shear deformation[J].Engineering Mechanics，2005，22（2）：104-109.