焊釘 橡膠組合連接件抗剪性能試驗(yàn)

徐驍青，劉玉擎，任萬敏

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海200092；2.中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都610031）

焊釘連接件的抗剪性能不具有方向性，施工質(zhì)量易于保證，是組合結(jié)構(gòu)橋梁鋼與混凝土結(jié)合面最常用的連接件形式［1］.通常利用焊釘?shù)目辜魪?qiáng)度和剛度來確保鋼與混凝土間的完全結(jié)合，充分發(fā)揮2種材料的組合作用，為此，既往的研究主要集中在如何提高焊釘?shù)目辜舫休d力和剛度方面［2-6］.

另外，鐵路鋼橋面板與混凝土道砟板的結(jié)合、公路鋼橋鋼梁與混凝土橋面板的結(jié)合通常不考慮混凝土橋面板與鋼梁的共同作用，兩者間的焊釘僅僅起到固定作用，布置得比較稀疏［7-9］.但是，焊釘具有較大的剛度，造成焊釘受到的剪力較大，如何降低局部位置焊釘?shù)募袅χ党蔀樵O(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一.

本文提出焊釘桿部外套橡膠的組合連接件構(gòu)造，其目的是確保鋼與混凝土連接件抗剪承載力不變的情況下降低抗剪剛度.為此，以橡膠套設(shè)置與否以及橡膠套的高度、厚度為變化參數(shù)，通過18個模型試件的推出試驗(yàn)，探討組合連接件的抗剪性能及其影響因素.

1 焊釘-橡膠組合連接件的提出

關(guān)于焊釘連接件的既往研究表明，焊釘抗剪承載力主要由焊釘受剪截面面積大小決定，抗剪剛度主要受包裹焊釘根部材料的彈性模量大小影響［10］.為此，如圖1所示，提出了焊釘桿部外套橡膠的組合連接件構(gòu)造，通過將橡膠套剪開后用鐵絲固定在焊釘根部得到焊釘-橡膠組合連接件.

圖1 焊釘-橡膠組合連接件Fig.1 Stud-rubber composite shear connector

橡膠套采用邵氏A硬度為45的NR45°天然橡膠，具有彈性模量小、變形能力大、耐久性好等特點(diǎn)，主要參數(shù)見表1.

表1 橡膠材性Tab.1 Material properties of rubber

2 組合連接件模型試驗(yàn)方法

2.1 模型試件分組

模型試件的焊釘高度hs=100mm，焊釘直徑ds=19mm 18個模型試件分組如表2，每組試件的前2個采用單調(diào)加載方式，第3個采用反復(fù)加載方式.

表2 模型試件分組Tab.2 Grouping of test specimens

圖2為模型試件構(gòu)造及尺寸，鋼結(jié)構(gòu)由2塊T型鋼構(gòu)件通過連接板和高強(qiáng)螺栓拼接而成，焊釘焊接在鋼結(jié)構(gòu)翼緣板上.試驗(yàn)用混凝土的28d立方體軸心抗壓強(qiáng)度為44.0MPa，并正立澆筑制作.

2.2 加載及測試方法

加載及位移計(jì)布置如圖3，加載機(jī)通過鋼構(gòu)件翼緣板對試件左右兩側(cè)施加壓力.單調(diào)加載采用位移控制；反復(fù)加載采用力控制，荷載每次反復(fù)后增加8 kN.在試件的混凝土塊底部布置沙墊層以確保試件左右兩側(cè)均勻受壓.在試件的前后左右焊釘?shù)雀咛幉贾?個位移計(jì)連續(xù)采集鋼構(gòu)件與混凝土塊間的相對滑移值.同時記錄加載機(jī)施加的壓力，觀察試件混凝土塊表面有無裂縫及連接件的破壞情況.

圖2 模型試件尺寸（單位：mm）Fig.2 Details of push-out specimens（unit：mm）

3 組合連接件模型試驗(yàn)結(jié)果

3.1 模型試驗(yàn)結(jié)果

表3給出了單個連接件抗剪承載力Vu、抗剪承載力對應(yīng)的相對滑移sp以及抗剪剛度ks.其中抗剪剛度為相對滑移0.2mm對應(yīng)的割線剛度.總體上可看出，組合連接件與普通焊釘連接件相比，抗剪承載力基本保持不變，而抗剪剛度可大幅度下降.

圖3 加載及測試裝置Fig.3 Load and test devices

表3 試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of test specimens

3.2 組合連接件破壞模態(tài)

圖4所示為模型試件破壞后沿焊釘縱向切割得到的切面圖.焊釘根部下方的混凝土和橡膠發(fā)生受壓破壞，其余混凝土未發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫；焊釘根部發(fā)生剪切斷裂破壞，焊釘桿發(fā)生彎向剪力方向的變形.

焊釘-橡膠組合連接件彎曲變形均大于焊釘連接件.對于焊釘連接件，彎曲變形發(fā)生在靠近鋼板的焊釘桿長度1/4范圍內(nèi)，彎曲變形的長度為20mm左右.對于hr≤50mm的試件SR1SR4組合連接件，焊釘桿彎曲變形發(fā)生在橡膠套包裹的部分，橡膠套高度越大，變形的長度越大.焊釘未被橡膠套包裹的部分與混凝土緊密貼合.對于hr=75mm的試件SR5組合連接件，焊釘桿的彎曲變形范圍小于橡膠套高度，同時，焊釘頭部與混凝土發(fā)生了脫離.這說明，橡膠套高度不宜過大，否則會影響焊釘頭部與混凝土的握裹效果.

圖4 破壞模態(tài)Fig.4 Failure modes

3.3 剪力-相對滑移曲線

圖5為模型試件的剪力-相對滑移曲線，其中縱軸為單個連接件作用的剪力，橫軸為4個位移計(jì)相對滑移的平均值.通過焊釘外包一定高度的橡膠，連接件抗剪剛度得到降低，在反復(fù)荷載作用下，具有與普通焊釘連接件相同的變形恢復(fù)性能.

4 橡膠套對抗剪性能的影響

4.1 抗剪承載力

比較組合連接件與焊釘連接件的抗剪承載力值可知，組合連接件中hr=50mm，tr=5.0mm的試件SR3抗剪承載力平均值最大，為焊釘連接件的97.8%；hr=75mm，tr=5.0mm的試件SR5最小，為焊釘連接件平均值的88.2%.SR5試件橡膠套高度較大，焊釘頭部與混凝土的握裹效果差是其承載力較低的原因.為此，建議橡膠套高度不宜大于焊釘高度的3/4.

由此可知，與焊釘連接件相比，組合連接件抗剪承載力基本保持不變，且不受橡膠套高度、厚度影響.這是因?yàn)楹羔敱幌鹉z套包裹后，受剪截面面積未被削減.

圖5 剪力-相對滑移曲線Fig.5 Load-slip curves

4.2 抗剪剛度

比較橡膠套厚度不同的4組試件S1，SR2，SR3和SR4的抗剪剛度值可知，組合連接件的抗剪剛度值是焊釘連接件剛度值的21.7%～30.0%，且不隨橡膠套厚度增加而發(fā)生明顯改變.這說明橡膠套高度一定時，橡膠厚度達(dá)到2.5mm已經(jīng)能夠起到顯著降低抗剪剛度的效果.

比較橡膠套高度不同的組合連接件SR1，SR3和SR5的抗剪剛度平均值相對焊釘連接件的降幅比例可知，橡膠套高度從25mm增加至50mm時，抗剪剛度降低25.3%；從50mm增大至75mm時，抗剪剛度的降低幅度減小為10.9%.表明組合連接件抗剪剛度隨著橡膠套高度增加而降低，且降低幅度逐漸減小.為有效降低焊釘組合連接件的抗剪剛度，橡膠套不宜過長，一方面因?yàn)楦叨刃∮诘扔?0mm時，抗剪剛度降低幅度較大；另一方面，需要保證焊釘頭部有足夠的握裹長度.

4.3 變形性能

圖6比較了tr為2.5，5.0和7.5mm的組合連接件和焊釘連接件在單調(diào)加載下的典型剪力-相對滑移曲線.在加載初期，剪力與相對滑移值大致呈線性關(guān)系，說明此時混凝土、橡膠和焊釘處于彈性工作階段.隨著剪力增加，當(dāng)相對滑移值大于0.2mm后，剪力-相對滑移曲線進(jìn)入非線性階段.在相同剪力情況下，橡膠套的厚度越大，對應(yīng)的曲線斜率越小.由于橡膠是超彈性材料，幾乎不會限制焊釘?shù)淖冃?，焊釘下方的混凝土起到支承焊釘?shù)闹饕饔?，承?dān)了主要壓力.因此，混凝土逐漸進(jìn)入塑性是曲線非線性的主要原因.隨著剪力值繼續(xù)增加，更多的混凝土進(jìn)入塑性，曲線的非線性特性越來越明顯.組合連接件的相對滑移值大于連接件的橡膠套厚度后，剪力-相對滑移曲線的斜率趨于一致.說明橡膠套發(fā)生受壓破壞后，組合連接件的抗剪剛度與橡膠套厚度無關(guān).連接件發(fā)生破壞時，組合連接件的相對滑移值均大于焊釘連接件，具有更大的滑移能力.

圖6 橡膠套厚度對變形性能影響Fig.6 Load-slip curves of the shear connectors with different rubber sleeve thicknesses

圖7比較了hr為25，50和75mm的組合連接件和焊釘連接件在單調(diào)加載下的典型剪力-相對滑移曲線.在剪力值較小時，連接件的橡膠套高度越高，曲線斜率越小.由于焊釘桿彎曲變形長度受橡膠套高度影響較大，說明橡膠套是通過影響焊釘桿發(fā)生變形的長度而影響焊釘?shù)某跗趧偠?相對滑移值大于連接件的橡膠套高度后，hr≤50mm的試件SR1，SR3組合連接件的曲線斜率趨于一致.hr=75 mm的試件SR5組合連接件在相對滑移值達(dá)到8 mm后曲線斜率出現(xiàn)了較大的減小，這是由焊釘頭部與混凝土發(fā)生了脫離引起的.

圖7 橡膠套高度對變形性能影響Fig.7 Load-slip curves of the shear connectors with different rubber sleeve heights

4.4 變形恢復(fù)性

圖8為反復(fù)加載試件的彈性相對滑移與剪力的關(guān)系，其中，彈性相對滑移是荷載卸載時相對滑移中可恢復(fù)的部分.可知，在相同的剪力作用下，組合連接件較焊釘連接件具有更大的彈性相對滑移，發(fā)生的塑性變形較小.這說明，焊釘根部的包裹材料由橡膠代替了脆性的混凝土材料后，組合連接件仍然具有較好的變形恢復(fù)性.

圖8 彈性相對滑移與剪力的關(guān)系Fig.8 Relationship between elastic slip and load

5 結(jié)論

提出了一種焊釘桿部外套橡膠的組合連接件構(gòu)造，通過焊釘直徑為19mm、高度為100mm的組合連接件6組18個模型試件在單調(diào)與反復(fù)荷載作用下的抗剪推出試驗(yàn)得到以下結(jié)論：

（1）組合連接件的破壞形式仍為焊釘根部的剪切斷裂破壞，與普通焊釘連接件相比抗剪承載力基本保持不變，且不受橡膠套尺寸影響.

（2）組合連接件與普通焊釘連接件相比抗剪剛度顯著降低，橡膠套高度越大，焊釘桿發(fā)生彎曲變形的高度越大，組合連接件的抗剪剛度越小.

（3）組合連接件相比普通焊釘連接件，焊釘根部的包裹材料由橡膠代替脆性的混凝土材料后，仍然具有較好的變形恢復(fù)性能.

（4）為有效降低焊釘組合連接件的抗剪剛度，橡膠套不宜過高，宜小于焊釘高度的3/4；橡膠套高度一定，厚度達(dá)到焊釘直徑的1/8時，已經(jīng)能夠顯著減小連接件的抗剪剛度.

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