高溫下栓釘剪力連接件抗剪性能試驗

陳玲珠，李國強，2，蔣首超，2，王衛(wèi)永

（1.同濟大學 建筑工程系，上海200092；2.同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海200092；3.重慶大學 土木工程學院，重慶400045）

鋼－混凝土組合梁由于其高度小、自重輕、延性好等優(yōu)點廣泛應用于建筑結構和橋梁結構中.鋼－混凝土組合梁一般由鋼梁和混凝土板組成.剪力連接件是組合梁中鋼梁與混凝土板實現共同作用的關鍵，其主要作用是傳遞兩者之間的縱向剪力以及抵抗鋼梁與混凝土板之間的掀起作用.栓釘是目前廣泛應用的一種剪力連接件.高溫下栓釘的抗剪性能是組合梁的抗火性能設計的重要內容.國內外學者對常溫下栓釘連接件的受力性能進行了許多試驗和有限元研究［1－3］，并且各國規(guī)范中也給出了常溫下栓釘抗剪承載力設計公式.常溫下，剪力連接件根部處于拉－剪－彎組合作用狀態(tài)，受力機理復雜，在高溫情況下，混凝土板中溫度分布不均勻，存在熱應力，剪力連接件的受力更加復雜.目前對高溫下栓釘的抗剪性能的研究較少.1997年，Zhao等［4］采用推出試驗裝置，通過恒載升溫試驗，對高溫下平板和壓型鋼板肋與鋼梁垂直混凝土板中栓釘的抗剪性能進行了研究，通過對試驗數據的擬合給出了高溫下栓釘承載力的計算公式，并被歐洲規(guī)范采用［5］.2009年，Choi等［6］采用改進的推出試驗裝置，通過恒溫加載試驗，對高溫下栓釘的抗剪性能進行了研究，也給出了高溫下栓釘承載力的建議公式.2011 年，Mirza等［7］對高溫下平板和壓型鋼板與鋼梁垂直混凝土板中栓釘的抗剪性能進行了試驗研究，研究表明平板混凝土中栓釘的承載力一般比帶壓型鋼板中栓釘的承載力高，而平板混凝土中栓釘的延性則比帶壓型鋼板中栓釘的承載力差，并通過對試驗數據的擬合得到了高溫下栓釘承載力的計算公式.

雖然目前有一些高溫下栓釘承載力的建議公式，但是中國規(guī)范中沒有對高溫下栓釘的抗剪承載力設計方法作出相關規(guī)定.本文分別對平板、壓型鋼板與鋼梁垂直和壓型鋼板與鋼梁平行三種形式混凝土板中栓釘進行高溫下推出試驗，通過試驗分析給出了高溫下栓釘抗剪承載力的計算建議.

1 試驗概況

1.1 試驗目的

栓釘的力學特性主要有抗剪承載力和荷載－滑移性能.本文試驗目的主要是考察不同溫度下不同混凝土板型推出試件的溫度場分布特點和破壞模式，得到栓釘抗剪承載力隨溫度的退化規(guī)律和高溫下栓釘的荷載滑移性能.

1.2 試件設計和安裝

試驗共設計制作了24個推出試件，所有試件都根據歐洲規(guī)范BS EN1994－1－1［8］中相關規(guī)定進行設計，并根據試驗爐的尺寸做了一些修改.每個構件由一根焊接H 型鋼梁、兩塊矩形混凝土板和兩個栓釘組成.試驗中分別考察了三種混凝土板型式：平板、壓型鋼板肋與鋼梁垂直、壓型鋼板肋與鋼梁平行.試件設計見表1.

所有栓釘的尺寸均一致，用專業(yè)焊槍焊在鋼梁翼緣的中心線上.栓釘直徑為19 mm，長度為100 mm.混凝土采用C30商品混凝土.通過對現場澆注的立方體試塊的材性試驗得到試驗時實測混凝土立方體抗壓強度為44.51 MPa，彈性模量為2.84×104MPa.

鋼筋直徑采用10mm，具體布置見圖1.壓型鋼板采用LK－688型樓承板，厚度為0.8mm.由于樓承板表面有壓痕，壓型鋼板肋與鋼梁垂直混凝土板型中栓釘焊接時，焊在了壓痕上側.鋼板和鋼筋的實測材料強度見表2.試驗時試驗設備布置圖見圖2.試件共布置8個位移計，分別用于監(jiān)測鋼梁端部和栓釘處混凝土的絕對位移和相對位移和混凝土塊的掀起位移（圖3）；在構件上共布置11 個K－型熱電偶，分別用于監(jiān)測鋼梁翼緣和腹板，栓釘離翼緣10 mm 和25mm，混凝土離翼緣10、50和100mm 處的溫度.栓釘上的溫度通過在栓釘上開2mm 寬的槽，再在槽中布置熱電偶來測定.

表1 推出試件參數Tab.1 Details of push－out specimens

1.3 試驗過程

采用500kN 千斤頂進行加載.試件安裝完畢后先進行預加載，檢查位移計和采集系統(tǒng)是否正常工作，并進行對中.各項準備工作檢查無誤后，電爐開始升溫.取栓釘離翼緣10 mm 處的溫度為試驗溫度，將構件加熱到指定試驗溫度后，將構件加載到破壞.因為考慮到：①栓釘沿長度方向的溫度分布不是均勻的；②栓釘根部應力集中明顯而且通常是發(fā)生破壞的地方；③栓釘根部10mm 以下溫度較接近且在10mm 附近布置熱電偶對栓釘的受力性能影響較小，所以取栓釘離翼緣10mm 處的溫度為試驗溫度.

表2 實測材料強度Tab.2 Measured strength of components in tests

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現象

圖1 推出試件截面尺寸（單位：mm）Fig.1 Dimensions of push－out specimens（unit：mm）

平板混凝土試件和壓型鋼板肋與鋼梁平行的試件均為焊縫上側栓釘剪斷破壞（圖4），而壓型鋼板肋與鋼梁垂直的試件在溫度較低時為混凝土拔出破壞，溫度較高時為栓釘剪斷破壞（圖5）.這主要是由于高溫下混凝土的溫度比栓釘的溫度低，混凝土的強度比栓釘強度高，故在溫度較低時強度由混凝土肋的破壞控制，在溫度較高時強度由栓釘的破壞控制，但是發(fā)生這一轉變的控制溫度有待于進一步研究.需要指出的是壓型鋼板的具體型式會對試件的破壞模式產生影響，故本文中中結論只適用于高寬比較小的壓型鋼板型式，對于其他型式的壓型鋼板，還需進一步研究.各構件的試驗結果見表3.表中，QT為高溫下栓釘抗剪承載力實測值.

2.2 溫度分布

顯然，混凝土板沿厚度方向的溫度分布是不均勻的.圖6給出了鋼梁、栓釘和混凝土不同位置處的升溫曲線.由于電爐的功率較低，爐溫的升溫曲線與ISO （International Organization for Standardization）標準升溫曲線不一致，故本試驗中栓釘和混凝土板的溫度分布與組合梁標準火災試驗中的溫度分布不完全一致，但是分布規(guī)律是一致的.從圖中可以看出，栓釘根部溫度低于鋼梁翼緣的溫度.在混凝土溫度達到100 ℃時，由于水蒸氣的蒸發(fā)形成一個升溫滯后平臺.

2.3 荷載—滑移曲線

平板、壓型鋼板肋與鋼梁平行、壓型鋼板肋與鋼梁垂直混凝土板型式中栓釘的荷載—滑移曲線如圖7所示.從圖中可以看出，所有混凝土板型式中栓釘的抗剪承載力和剛度均隨溫度的升高而降低.圖7c中當栓釘溫度為400 ℃時，試件由于栓釘焊接缺陷發(fā)生了焊縫破壞，故破壞為脆性破壞，這在施工中應通過嚴格控制焊縫質量來避免.

2.4 極限荷載

圖6 升溫曲線Fig.6 Measured temperature development

根據圖7所示荷載—滑移曲線可得到栓釘的極限抗剪承載力.圖8給出了栓釘極限荷載隨溫度的下降關系.圖中高溫下栓釘承載力折減系數為高溫下栓釘極限荷載與對應樓板型式中栓釘常溫下極限荷載值的比.從圖7和表3可以看出，平板混凝土試件和壓型鋼板肋與鋼梁平行的試件中栓釘的極限承載力比壓型鋼板肋與鋼梁垂直的試件中栓釘要高，這主要是因為壓型鋼板與鋼梁垂直的試件中栓釘的受壓側受壓混凝土面積較小.另外，平板混凝土試件中栓釘極限承載力稍大于壓型鋼板肋與鋼梁平行的試件中栓釘承載力，但很接近，這主要是由于本文試驗中使用的壓型鋼板肋高寬比較小，壓型鋼板肋對栓釘的承載力影響較小，相反如果壓型鋼板肋高寬比較大，壓型鋼板肋對栓釘的承載力會造成很大的影響，那么壓型鋼板肋與鋼梁平行的試件中栓釘的承載力就要比平板混凝土試件中栓釘承載力低很多.

3 高溫下栓釘抗剪承載力計算方法

《鋼結構規(guī)范》（GB50017—2003）［9］中規(guī)定常溫下平板混凝土板中栓釘承載力的計算公式為

式中：fc為混凝土軸心抗壓強度設計值，MPa；Ec為混凝土彈性模量，MPa；As為栓釘截面積，mm2；f為栓釘抗拉強度設計值，MPa；γ為栓釘材料抗拉強度最小值與屈服值之比.

對于用壓型鋼板混凝土組合板做翼緣的組合梁，其栓釘連接件的抗剪承載力設計值應分別按以下兩種情況予以降低.

（1）當壓型鋼板肋平行于鋼梁布置，設bw為混凝土凸肋的平均寬度，mm；he為混凝土凸肋高度，mm，bw／he＜1.5時，按式（1）算得的承載力應乘以折減系數βv，βv 計算如下：

式中：hd為栓釘高度，mm.

（2）當壓型鋼板肋垂直于鋼梁布置時，栓釘抗

圖7高溫下栓釘荷載 滑移曲線Fig.7 Load－slip relationship of headed studs at elevated temperatures

表3 試驗結果Tab.3 Summaries of test results

剪承載力設計值的折減系數計算如下：

式中：n0為在梁某截面處一個肋中布置的栓釘數，當多于3個時，按3個計算.

高溫下栓釘抗剪承載力可由式（4）計算所得：

式中：kT為高溫下栓釘抗剪承載力折減系數；Qd為常溫下抗剪承載力計算值.三種樓板型式中栓釘抗剪承載力折減系數kT均可按式（5）計算所得：

式中：Ts為鋼梁上翼緣溫度.組合梁中鋼梁翼緣溫度可根據《建筑鋼結構防火技術規(guī)范》［10］中規(guī)定，按三面受火計算.

圖8 栓釘抗剪承載力隨溫度的退化關系Fig.8 Ultimate shear load versus temperature

根據歐洲規(guī)范BS EN1994－1－2的規(guī)定，栓釘根部溫度可取為鋼梁上翼緣溫度的0.8倍.通過與試驗數據的對比發(fā)現，當發(fā)生栓釘剪斷破壞時，高溫下栓釘承載力的折減系數可取高溫下鋼材的強度折減系數.通過對《建筑鋼結構防火技術規(guī)范》中計算高溫下鋼材材料強度折減系數的公式進行修改即得到式（5）.

從圖9中可以看出，建議公式計算所得的結果跟試驗數據吻合較好.按式（4）計算所得的高溫下栓釘承載力與試驗實測值對比見表3.由于F－YC－500－1的結果比常溫下承載力大，不太合理，故在分析中不予考慮，F－YC－400－2由于發(fā)生焊縫破壞，也不予考慮.從表3可以看出，式（4）能較穩(wěn)定地預測高溫下栓釘的抗剪承載力.由于本試驗中試件主要發(fā)生栓釘剪斷破壞，對于發(fā)生混凝土壓碎破壞的情況（主要是在溫度較低時，混凝土強度相對于栓釘強度較小時發(fā)生；當溫度較高時，由于栓釘升溫比混凝土板快，一般發(fā)生栓釘剪斷破壞），高溫下栓釘的承載力折減系數仍需進一步研究，才能得出結論，且本文試驗只考慮了一種壓型鋼板型式（LK－688），對于其他壓型鋼板型式仍需進一步研究.

圖9 建議公式計算結果與試驗對比Fig.9 Comparison between the predicted and test results

4 結論

通過對24個推出試件進行了高溫下推出試驗，比較了三種混凝土板型中栓釘荷載—滑移曲線的差異，得到如下結論：

（1）平板混凝土試件和壓型鋼板肋與鋼梁平行的試件均為焊縫上側栓釘剪斷破壞，而壓型鋼板肋與鋼梁垂直的試件在溫度較低時為混凝土拔出破壞，溫度較高時為栓釘剪斷破壞.

（2）所有混凝土板型式中栓釘的抗剪承載力和剛度均隨溫度的升高而降低，且平板混凝土試件和壓型鋼板肋與鋼梁平行的試件中栓釘的承載力比壓型鋼板肋與鋼梁垂直的試件中栓釘要高.

（3）本文給出的高溫下栓釘抗剪承載力設計公式能較準確且偏于安全地預測栓釘高溫下抗剪強度.

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