焊釘連接件時(shí)變抗剪性能的試驗(yàn)研究

李運(yùn)生，侯忠明，趙志楊，張彥玲

（1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，石家莊 050043；2.清華大學(xué) 土木工程系，北京 100084）

剪力連接件的抗剪承載力可以通過(guò)推出試驗(yàn)來(lái)確定。Viest等人開(kāi)始使用推出試驗(yàn)對(duì)焊釘連接件受力性能進(jìn)行研究的方法始于20世紀(jì)50年代，到目前為止，對(duì)一般鋼混凝土組合梁、壓型鋼板組合梁中焊釘連接件的抗剪承載力［1－4］、焊釘連接件在組合梁中的間距和布置［5］、在軸力和剪力共同作用下焊釘連接件的承載力［6－7］、密集型焊釘群的受力狀態(tài)［8－9］、以及焊釘連接件的疲勞性能［10－11］等都已發(fā)表了相關(guān)的研究成果，在這些研究的基礎(chǔ)上各國(guó)規(guī)范都給出了相應(yīng)的焊釘承載力計(jì)算公式。但是，上述文獻(xiàn)都是在混凝土達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度之后，對(duì)埋置于其內(nèi)的焊釘連接件進(jìn)行研究，而對(duì)于無(wú)支架澆筑的多跨、長(zhǎng)跨、連續(xù)組合梁，在施工期間，混凝土板需分階段、按一定順序進(jìn)行澆筑，各階段之間的間隔澆筑時(shí)間根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況從幾小時(shí)到幾天不等，在下一階段澆筑完成時(shí)，上一階段混凝土的齡期雖未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度，但鋼梁與混凝土板結(jié)合面上的剪力連接件能夠提供一定程度的早期抗剪強(qiáng)度，這對(duì)組合梁的內(nèi)力重分布和整體受力性能會(huì)產(chǎn)生一定影響，因此需對(duì)焊釘連接件的時(shí)變抗剪性能進(jìn)行研究。關(guān)于焊釘連接件時(shí)變抗剪性能的研究成果很少。Topkaya［12］設(shè)計(jì)了自錨式推出試驗(yàn)裝置，將推出試件按混凝土齡期分為8組，通過(guò)推出試驗(yàn)給出了不同混凝土齡期時(shí)連接件的抗剪強(qiáng)度及剛度計(jì)算公式，但該試驗(yàn)只包含了焊釘直徑為19mm、混凝土等級(jí)為S級(jí)［13］的情況，且試驗(yàn)中試件水平放置，焊釘只焊于鋼梁?jiǎn)蝹?cè)，所給的公式中需要不同齡期混凝土的強(qiáng)度參數(shù)，因此需進(jìn)行不同焊釘直徑及混凝土配比下的連接件推出試驗(yàn)，采用不同的試驗(yàn)方法對(duì)Topkaya試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充，并給出更實(shí)用的計(jì)算公式。筆者在該研究的基礎(chǔ)上，采用常規(guī)的立式推出試驗(yàn)裝置，焊釘直徑采用16mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C30，將推出試件按混凝土齡期分組，通過(guò)推出試驗(yàn)對(duì)焊釘連接件的時(shí)變抗剪性能進(jìn)行研究，給出抗剪強(qiáng)度及剛度隨時(shí)間變化的規(guī)律。

1 推出試驗(yàn)設(shè)計(jì)及加載方案

1.1 試件設(shè)計(jì)

進(jìn)行了焊釘連接件的推出試驗(yàn)。試驗(yàn)中按6h、12h、24h、3d、7d、14d和28d的混凝土齡期將推出試件分為7組，每組3個(gè)試件，共21個(gè)試件。如圖1所示，每個(gè)試件兩側(cè)的C30混凝土板尺寸為500mm×460mm×150mm，板內(nèi)鋼筋為φ10mm的HPB235鋼筋；鋼梁采用高510mm的250×250HW Q235型鋼；焊釘直徑16mm，高100mm，每側(cè)2個(gè)，共4個(gè)。

1.2 加載方案

圖1 推出試件尺寸（單位：mm）

試件在試驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)澆筑，澆筑前在HW型鋼的翼緣外側(cè)涂油，澆筑時(shí)兩側(cè)混凝土板同時(shí)澆筑，人工澆水自然養(yǎng)護(hù)。對(duì)于加載齡期為6、12、24h的試件，由于混凝土齡期短、強(qiáng)度低，移動(dòng)過(guò)程中易產(chǎn)生早期損傷，故直接在試驗(yàn)加載位置下方進(jìn)行澆筑和養(yǎng)護(hù)，加載前不再移動(dòng)。加載時(shí)試件置于平整的鋼板之上，為了防止加載過(guò)程中混凝土板下部向外側(cè)滑移，在混凝土板與鋼板接觸處的外側(cè)用角鐵以及鋼桿加以固定，并以HW型鋼的腹板為對(duì)稱(chēng)面，在兩側(cè)翼緣焊釘位置分別固定小塊角鋼，將試驗(yàn)機(jī)加載頭中心與試件中心嚴(yán)格對(duì)中，并在試件頂端與加載頭之間墊膠片，使受力均勻，然后設(shè)置百分表對(duì)鋼與混凝土之間的相對(duì)滑移進(jìn)行測(cè)試。如圖2所示。

圖2 推出試驗(yàn)加載裝置

加載設(shè)備使用1000kN三維多點(diǎn)協(xié)調(diào)電液伺服動(dòng)態(tài)加載機(jī)。分級(jí)加載，每次加載3kN，當(dāng)剪力－滑移曲線(xiàn)出現(xiàn)開(kāi)始進(jìn)入平滑段時(shí)，每次加載1kN，直到推出試件破壞。每個(gè)推出試件試驗(yàn)過(guò)程不超過(guò)30min，以保證對(duì)混凝土齡期的要求。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞現(xiàn)象及剪力滑移曲線(xiàn)

試驗(yàn)中的每個(gè)推出試件都以最終的破壞作為一次試驗(yàn)的結(jié)束。與常規(guī)的推出試驗(yàn)相同，最終的破壞模式也是主要分為2種，即混凝土板的劈裂破壞和焊釘?shù)募羟衅茐?。推出試件的破壞形式?jiàn)圖3所示，其中一組試件的主要試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，表中Qu為單個(gè)焊釘所能承受的最大剪力，su為對(duì)應(yīng)的最大滑移值，相應(yīng)的剪力滑移曲線(xiàn)如圖4所示。

圖3 推出試件破壞形式

由表1和圖4可以看出：

1）隨著混凝土齡期的增加，推出試件所能承受的最大剪力增大，最大滑移值則呈下降趨勢(shì)；

表1 推出試驗(yàn)主要結(jié)果

圖4 推出試件的剪力滑移曲線(xiàn)

2）由于混凝土齡期較小時(shí)強(qiáng)度較低，故在齡期小于3d時(shí)推出試件均表現(xiàn)為混凝土板劈裂破壞，而在3d以后，試驗(yàn)主要表現(xiàn)為焊釘剪切破壞，在一般的焊釘連接件中，若混凝土強(qiáng)度等級(jí)較低，3d以后也可能表現(xiàn)為混凝土破壞；

2.2 焊釘連接件抗剪性能的時(shí)變規(guī)律

在組合梁的設(shè)計(jì)和計(jì)算中，連接件的極限抗剪強(qiáng)度和極限滑移值、設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度和設(shè)計(jì)容許滑移值、抗剪剛度是連接件抗剪性能的重要指標(biāo)，分別加以討論。

2.2.1 焊釘連接件的極限抗剪強(qiáng)度和極限滑移值

圖5 焊釘連接件極限抗剪強(qiáng)度隨混凝土齡期的變化

圖6 極限滑移值隨混凝土齡期的變化

由圖5可以看出，混凝土齡期為6h時(shí)，焊釘連接件的極限強(qiáng)度達(dá)到28d齡期的15%，12h時(shí)達(dá)到35%，24h達(dá)到57%，3d達(dá)到75%，7d達(dá)到83%，14d達(dá)到87%，直到混凝土齡期達(dá)到28d時(shí)達(dá)到最大值。這說(shuō)明隨著時(shí)間的推移，焊釘連接件的抗剪強(qiáng)度是持續(xù)增加的，并呈現(xiàn)出早期增長(zhǎng)快，后期增長(zhǎng)慢的現(xiàn)象。因此在混凝土澆筑的早期，焊釘連接件提供的早期組合作用不能忽略，但也不能直接取用28d齡期后成熟混凝土的極限抗剪強(qiáng)度，而應(yīng)按時(shí)間增長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行計(jì)算。

由圖6可以看出，焊釘連接件的極限滑移值隨混凝土齡期的變化規(guī)律不是很明顯，但基本呈現(xiàn)出早期較大，后期較小的趨勢(shì)。這是由于早期混凝土強(qiáng)度較低，使得破壞時(shí)滑移較大，而齡期超過(guò)3d后，連接件主要表現(xiàn)為焊釘?shù)募羟衅茐模錁O限滑移值變化不大。

2.2.2 焊釘連接件的設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度 實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的組合梁結(jié)構(gòu)，即使達(dá)到極限狀態(tài)，其結(jié)合面滑移也達(dá)不到剪力連接件的極限滑移值，因此在設(shè)計(jì)中需確定一個(gè)合理的設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度。文獻(xiàn)［12］首先將焊釘直徑的1／25定義為設(shè)計(jì)容許滑移值sd，然后將焊釘剪力滑移曲線(xiàn)中對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)容許滑移值的剪切力作為設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度Qd；文獻(xiàn)［13］則直接將設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度Qd取為極限抗剪強(qiáng)度Qu的80%。針對(duì)筆者的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按這2種方法得到的焊釘連接件設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度Qd隨混凝土齡期的變化見(jiàn)圖7所示。

由圖7可以看出，焊釘連接件設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度隨混凝土齡期的變化規(guī)律和極限抗剪強(qiáng)度相同。但按照不同的定義方法所得到的結(jié)果差別較大。按照文獻(xiàn)［12］中Topkaya定義的焊釘設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度值Qd要比文獻(xiàn)［13］中Wang定義的結(jié)果小得多。按照文之外，還受混凝土強(qiáng)度等其它因素影響，故為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，定義0.8mm為設(shè)計(jì)容許滑移值，將其在推出試件的剪力滑移曲線(xiàn)上對(duì)應(yīng)的剪切力定義為設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度Qd。

圖7 焊釘連接件設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度隨混凝土齡期的變化

2.2.3 焊釘連接件的剪切剛度 在組合梁的設(shè)計(jì)和計(jì)算中，焊釘抗剪剛度都是重要的指標(biāo)，但其取值方法目前尚無(wú)統(tǒng)一的定義。文獻(xiàn)［12］中Topkaya定義焊釘?shù)目辜魟偠萲s為設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度處的割線(xiàn)剛度Qd／sd；文獻(xiàn)［13］中 Wang將焊釘抗剪剛度ks保守地估計(jì)為0.8mm滑移值位置對(duì)應(yīng)的割線(xiàn)剛度；文獻(xiàn)［14］中劉玉擎則將滑移曲線(xiàn)上通過(guò)最大抗剪承載力1／3大小處的割線(xiàn)傾斜度設(shè)為抗剪剛度ks。圖8對(duì)上述3種不同定義下焊釘抗剪剛度值隨混凝土齡期的變化進(jìn)行了比較。獻(xiàn)［12］的定義方法，連接件的設(shè)計(jì)容許滑移值sd為焊釘直徑的1／25，試驗(yàn)焊釘直徑為16mm，故sd＝0.64mm。對(duì)于工程中常用的19、22和25mm直徑焊釘，sd分別為0.76、0.88和1.00mm，將這些sd值所對(duì)應(yīng)的剪切力也繪于圖7中?？梢钥闯觯?dāng)sd取值在0.64～1.0mm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度差別不大，由于連接件抗剪強(qiáng)度除受焊釘直徑影響

圖8 焊釘連接件抗剪剛度隨混凝土齡期的變化

由圖8可以看出，雖然均以割線(xiàn)剛度來(lái)定義焊釘連接件的剪切剛度，但由于對(duì)應(yīng)的荷載不同，3個(gè)文獻(xiàn)中所給出的結(jié)果有較大差異，割線(xiàn)頂點(diǎn)荷載最小的文獻(xiàn)［14］給出的抗剪剛度最大，荷載最大的文獻(xiàn)［13］抗剪剛度最小，但三者所表現(xiàn)的抗剪剛度隨齡期的變化規(guī)律相同，均明顯表現(xiàn)出初期增長(zhǎng)快，后期增長(zhǎng)慢的趨勢(shì)，在混凝土齡期達(dá)到3d前，剪切剛度即可達(dá)到28d齡期時(shí)的60%～70%以上，說(shuō)明焊釘在混凝土澆筑早期已在組合梁結(jié)合面上提供了較大的抗剪剛度。為了與本文在2.2.2節(jié)中定義的設(shè)計(jì)容許滑移值統(tǒng)一，取用文獻(xiàn)［13］中 Wang定義的0.8mm滑移值位置對(duì)應(yīng)的割線(xiàn)剛度作為焊釘連接件的抗剪剛度。

2.3 焊釘連接件抗剪強(qiáng)度及剛度的時(shí)變計(jì)算公式

2.3.1 焊釘連接件的極限抗剪強(qiáng)度 以28d齡期的3個(gè)焊釘連接件極限抗剪強(qiáng)度的平均值為標(biāo)準(zhǔn)，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)［12］中Topkaya試驗(yàn)數(shù)據(jù)的極限抗剪強(qiáng)度無(wú)量綱數(shù)據(jù)，并采用最小二乘法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到的擬合曲線(xiàn)如圖9所示，該擬合曲線(xiàn)的相關(guān)系數(shù)R2＝0.92。焊釘連接件極限抗剪強(qiáng)度的時(shí)變計(jì)算公式見(jiàn)式（1）。

圖9 焊釘連接件極限抗剪強(qiáng)度擬合曲線(xiàn)

2.3.2 焊釘連接件的設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度 根據(jù)筆者對(duì)焊釘連接件設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度的定義方法，以28d齡期的設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度Q28d平均值為依據(jù)，采用最小二乘法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)［12］中Topkaya的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的無(wú)量綱參數(shù)進(jìn)行擬合，得到的擬合曲線(xiàn)如圖10所示，該擬合曲線(xiàn)的相關(guān)系數(shù)R2＝0.92。焊釘連接件設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度的時(shí)變計(jì)算公式見(jiàn)式（2）。

圖10 焊釘連接件設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度擬合曲線(xiàn)

2.3.3 焊釘連接件的剪切剛度 根據(jù)筆者對(duì)焊釘連接件抗剪剛度的定義方法，以28d齡期的推出試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，采用最小二乘法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)［12］中Topkaya的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到的擬合曲線(xiàn)如圖11所示，該擬合曲線(xiàn)的相關(guān)系數(shù)R2＝0.91。焊釘連接件抗剪剛度的時(shí)變計(jì)算公式見(jiàn)式（3）。

3 結(jié)論

1）隨著混凝土齡期的增加，推出試件所能承受的最大剪力增大，最大滑移值下降；齡期小于3d時(shí)推出試件主要為混凝土板劈裂破壞。

2）定義0.8mm為焊釘連接件的容許滑移值，其在剪力 滑移曲線(xiàn)上對(duì)應(yīng)的荷載為設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度Qd，Qd／0.8為焊釘連接件的剪切剛度。

4）根據(jù)筆者提出的連接件抗剪強(qiáng)度及剛度時(shí)變公式，可直接通過(guò)規(guī)范中給定的28d齡期的成熟混凝土與焊釘?shù)募袅B接件抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式，或28d齡期的焊釘連接件試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)混凝土任意齡期時(shí)焊釘連接件的抗剪強(qiáng)度和剛度進(jìn)行計(jì)算。

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