鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)界面受力行為初探

楊曉巍，李小琴，賴靖寧，胡　豪，朱雙燕

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川成都 610000)

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鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)界面受力行為初探

楊曉巍，李小琴，賴靖寧，胡豪，朱雙燕

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川成都 610000)

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有承載力高、塑性韌性好、防腐、耐火及防火性能好等諸多優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。文章對鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)采用栓釘剪力連接件和開孔鋼板PBL剪力連接件展開試驗研究，對混凝土滑移量和應(yīng)變進行監(jiān)測分析。試驗結(jié)果表明：采用栓釘剪力連接件的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)極限承載力明顯低于開孔鋼板PBL剪力連接件下的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，前者破壞形態(tài)呈脆性破壞，后者延性效果優(yōu)于前者，且界面受力行為體現(xiàn)在混凝土板裂縫形態(tài)上，充分發(fā)揮了界面粘結(jié)應(yīng)力強度以及混凝土的抗壓性能。

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)；栓釘；剪力連接件；開孔鋼板

鋼-混組合結(jié)構(gòu)歷史可以追溯到17世紀。隨著建筑結(jié)構(gòu)黃金年代的到來，從20世紀至今得到了跨越式的發(fā)展。在國外，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的大量應(yīng)用始于二次世界大戰(zhàn)后，主要用于恢復(fù)戰(zhàn)爭破壞的房屋和道路橋梁。而在我國，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用起步較晚，從20世紀50年代才開始開展組合梁的研究和應(yīng)用，通常將鋼管混凝土、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件組合起來，從而形成以鋼-混凝土組合構(gòu)件為主要承重構(gòu)件的新型結(jié)構(gòu)體系。近年來,鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在橋梁加固改造中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。

鋼-混組合結(jié)構(gòu)是在鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)，具有承載力高、塑性韌性好等優(yōu)點[2]。目前國內(nèi)外學(xué)者對界面性能和剪力連接件進行了大量的研究。對于粘結(jié)-滑移宏觀效應(yīng)的研究，清華大學(xué)的聶建國等人[3]采用折減剛度系數(shù)法來進行模擬，取得了較好的效果。西南交通大學(xué)的占玉林[4]采用折減剛度法對PBL剪力連接件的粘結(jié)-滑移現(xiàn)象進行了研究，將PBL剪力鍵等效為栓釘，與實驗結(jié)果吻合較好。PBL剪力連接件的破壞模式主要有孔內(nèi)混凝土榫的剪切破壞、焊縫的剪切破壞以及開孔間鋼板薄弱處的剪切破壞。隨著國民經(jīng)濟不斷發(fā)展，對鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的安全、耐久性提出了更高的要求，因此還需要進一步的研究。

鋼-混組合結(jié)構(gòu)的破壞主要源于兩部分：一是材料方面的強度破壞；二是異種材料連接界面的破壞。研究鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)界面受力性能可以指導(dǎo)剪力連接件的性能提升與品種開發(fā)，將鋼-混組合結(jié)構(gòu)的研究與發(fā)展推向一個新階段。在今后很長一個時期內(nèi)，鋼-混組合結(jié)構(gòu)對建設(shè)活動而言，仍然具有重要地位，研究其界面受力行為，對鋼-混組合結(jié)構(gòu)的進一步發(fā)展具有重大意義。

1　試驗概況

1.1試件設(shè)計及材料性能

混凝土板采用普通混凝土，尺寸為650 mm×150 mm×600 mm，設(shè)計強度為C60。粗骨料最大粒徑20 mm，箍筋采用φ12@150，縱筋為4φ12，位于箍筋內(nèi)側(cè)四角；鋼梁采用H型鋼，尺寸為HW250×250×9×14，材料為Q235鋼材。

鋼筋抗拉屈服強度為fy=269 MPa，混凝土力學(xué)性能如表1所示。剪力連接件采用栓釘和開孔鋼板(PBL)，栓釘φ12長度120 mm，分布為1行2列，開孔鋼板PBL尺寸為400 mm×120 mm×12 mm，開孔直徑50 mm，貫穿鋼筋直徑12 mm。栓釘和開孔鋼板PBL焊接在鋼梁上(圖1)，栓釘-混凝土組合試件和開孔鋼板PBL-混凝土組合試件在本次研究中各澆鑄3個試件。

表1　混凝土力學(xué)性能

圖1　剪力連接件與鋼梁連接

圖2　剪力連接件與板整體澆筑

圖3　滑移和應(yīng)變測點布置

1.2試驗加載及測試方案

栓釘試件和PBL 試件焊接在H型鋼梁上，同板的鋼筋籠綁扎在一起，整體澆筑混凝土(圖2)。試件制作完成后，經(jīng)過潮濕養(yǎng)護后進行試驗。為監(jiān)測界面滑移量，在混凝土板上粘貼角鋼作為8 個百分表測點的定位支點(圖3)，6號、7號、8號與3號、4號、5號百分表對稱布置；為監(jiān)測界面應(yīng)變分布，在鋼梁翼緣和混凝土板內(nèi)側(cè)粘貼3 個應(yīng)變花，布置在鋼梁翼緣上(圖3)?；炷涟鍍?nèi)側(cè)的粘貼位置在同高度鋼-混凝土接觸面附近。

在正式加載前，按屈服荷載的5 %加卸載兩次，檢查儀器儀表工作是否正常。在屈服荷載前以10 %fy作為荷載增量，構(gòu)件屈服后以5 %(fu-fy)進行加載，當(dāng)荷載-滑移曲線接近水平段時，采用位移加載。每級加載完成后穩(wěn)定5 min，讀取應(yīng)變值及滑移量。

2　試驗結(jié)果及分析

根據(jù)試驗方案，對兩種不同剪力連接件下的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)進行加載試驗，采集各級荷載下的應(yīng)變值以及滑移量。栓釘組合結(jié)構(gòu)與PBL組合結(jié)構(gòu)在各級荷載下的滑移量如圖4、圖5所示。從圖4、圖5可以看出，栓釘組合結(jié)構(gòu)與PBL組合結(jié)構(gòu)荷載-滑移曲線呈現(xiàn)如下規(guī)律：栓釘組合結(jié)構(gòu)極限承載力為289 kN，而PBL組合結(jié)構(gòu)極限承載力達到1 177 kN，后者明顯大于前者；在200 kN、1 000 kN以內(nèi)，栓釘組合結(jié)構(gòu)、PBL組合結(jié)構(gòu)荷載與滑移值呈線性增長關(guān)系，此階段結(jié)構(gòu)處于彈性階段；對于栓釘組合結(jié)構(gòu)，從200 kN加載到289 kN過程中，進入塑性強化階段，此階段滑移值為4.58 mm，而PBL組合結(jié)構(gòu)從1 000 kN加載到1 177 kN也進入塑性強化階段，滑移值達到8 mm。后者滑移量明顯大于前者，但前者此階段滑移量在破壞前所占的比值大于后者。達到極限承載力后，二者破壞形式明顯不同，前者由于栓釘在剪力下斷裂導(dǎo)致構(gòu)件立即失效，發(fā)生脆性破壞，而PBL組合結(jié)構(gòu)達到承載力后進入塑形破壞階段，承載力緩慢下降，滑移量逐漸增大，在破壞前滑移量達到30.29 mm，承載力下降到783 kN,破壞前征兆明顯。

圖4　栓釘組合結(jié)構(gòu)荷載-滑移曲線

圖5　PBL組合結(jié)構(gòu)荷載-滑移曲線

另一栓釘組合結(jié)構(gòu)因加載時存在偏心，但與軸心荷載下的荷載-滑移曲線趨勢基本一致(圖6)，進一步說明栓釘組合結(jié)構(gòu)與PBL組合結(jié)構(gòu)的不同。

圖6　栓釘組合結(jié)構(gòu)(偏心加載)荷載-滑移曲線

從荷載-滑移曲線可以看出，兩種剪力連接件鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)破壞形式明顯不同。試驗結(jié)束后發(fā)現(xiàn)，其破壞形態(tài)如圖7、圖8 所示。在圖7中，栓釘在與鋼梁結(jié)合處發(fā)生剪切破壞，由于該處剪力最大，超過栓釘最大承載力時導(dǎo)致剪斷，栓釘與混凝土板之間的界面粘結(jié)力沒能充分發(fā)揮作用。在圖8中，開孔鋼板與鋼梁整體連接牢固，其最大抗剪承載力大于混凝土抗壓承載力，在焊接處未發(fā)生如栓釘那樣的剪切破壞。PBL組合結(jié)構(gòu)，在破壞過程中，首先在中部產(chǎn)生豎向裂縫，主要因為PBL板對混凝土的劈裂作用導(dǎo)致混凝土開裂。豎向裂縫產(chǎn)生后，PBL板產(chǎn)生較大的滑移，因PBL與混凝土板界面上存在較強的粘結(jié)力，使得豎向裂縫中間段混凝土受拉，箍筋處保護層較薄且混凝土抗拉強度低，最終導(dǎo)致在箍筋處產(chǎn)生兩條水平裂縫。隨著荷載的增加，在局部壓力作用下導(dǎo)致PBL下端的混凝土板產(chǎn)生豎向和斜向貫通裂縫，最終導(dǎo)致組合結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，這也充分發(fā)揮了混凝土的抗壓性能。

圖7　栓釘剪切破壞

圖8　混凝土板貫通裂縫破壞

根據(jù)應(yīng)變測量方案，可以獲得栓釘組合結(jié)構(gòu)混凝土板的主應(yīng)變及其方位角，如圖9、圖10所示。從圖9得知，除開始階段下部混凝土主應(yīng)變ε2為壓應(yīng)變，混凝土上中下3個測點混凝土兩個方向主應(yīng)變均為拉應(yīng)變，因栓釘對混凝土產(chǎn)生拉拔力；混凝土板中部即栓釘與混凝土界面結(jié)合處混凝土主應(yīng)變ε1最大，由于栓釘與混凝土的界面粘結(jié)力主要集中在中部，向上下測點逐漸衰減。圖10為主應(yīng)變的方位角，上部和下部方位角隨荷載增加而逐漸減小，而中部方位角由正向逐漸向負向發(fā)展且絕對值逐漸增大，這反映出上中下3個測點混凝土受力狀態(tài)的變化，中部測點混凝土受剪；上下測點混凝土受拉愈來愈明顯。根據(jù)有關(guān)文獻，栓釘數(shù)量、尺寸、材料性能以及布置方式等因素可能會影響到組合結(jié)構(gòu)的承載力。在本次試驗中，由于試件的局限性，對這些影響因素還待進一步分析。

圖9　栓釘試件混凝土主應(yīng)變

圖10　栓釘試件混凝土測點主應(yīng)變方位角

3　結(jié)論及展望

本文對鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)使用栓釘和開孔鋼板PBL兩種剪力連接件進行了試驗研究，根據(jù)試驗結(jié)果，可以得到如下結(jié)論。

(1)栓釘剪力連接件和開孔鋼板PBL剪力連接件對鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)極限承載力影響程度不同，一般情況前者小于后者。若栓釘數(shù)量增多，承載力相應(yīng)提高。

(2)采用栓釘剪力連接件和開孔鋼板PBL剪力連接件的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)破壞模式不同，前者多表現(xiàn)為栓釘剪切破壞，屬于脆性破壞，破壞前沒有明顯征兆，后者為混凝土板貫通裂縫破壞，屬于延性破壞，破壞征兆明顯，即有較大的滑移量和逐漸增長的裂縫寬度，在實際工程設(shè)計中優(yōu)選后者。

(3)試驗中的栓釘剪力連接件組合結(jié)構(gòu)還未充分發(fā)揮材料的性能，栓釘就發(fā)生剪切破壞，這與栓釘數(shù)量、布置方式等因素有關(guān)。

(4)開孔鋼板PBL剪力連接件的界面受力性能明顯優(yōu)于栓釘剪力連接件，這主要體現(xiàn)在混凝土板裂縫形態(tài)上，前者在混凝土板上產(chǎn)生明顯的裂縫，后者混凝土未能開裂。

鋼-混組合結(jié)構(gòu)是被世界各國廣泛采用的結(jié)構(gòu)之一，它充分發(fā)揮了鋼材和混凝土的材料性能，兼具有減小構(gòu)件截面、提高防火和抗震性能等特性，且施工技術(shù)容易達到要求，經(jīng)濟效益良好，目前已得到了很好的發(fā)展及推廣應(yīng)用。界面剪力傳遞直接影響了組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，一直是組合結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究的熱點和難點。剪力連接件形式多樣，制作工藝簡單，施工技術(shù)方便，質(zhì)量容易保證，得到了廣泛應(yīng)用，取得到了良好的效果。

鑒于鋼-混組合結(jié)構(gòu)在建筑業(yè)內(nèi)的廣泛需求及重要意義，我國已提出了大批鋼-混組合結(jié)構(gòu)新形式，如鋼管混凝土桁架組合梁、鋼腹板-混凝土組合拱、鋼管混凝土勁性骨架柱和拱等。在未來的很長一段時期內(nèi)，鋼混組合結(jié)構(gòu)仍將作為最重要的結(jié)構(gòu)型式之一而繼續(xù)應(yīng)用和發(fā)展。我們應(yīng)不斷總結(jié)實踐經(jīng)驗，完善規(guī)范，同時加強應(yīng)用推廣，并根據(jù)工程實際及國際新發(fā)展趨勢，加強組合結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性研究，更好地促進我國組合結(jié)構(gòu)學(xué)科發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的技術(shù)進步。

[1]聶建國，陶慕軒, 樊鍵生，等.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在橋梁加固改造中的應(yīng)用研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2010，30(增刊):335-344.

[2]白曉紅，白國良.新型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與展望[J].工業(yè)建筑，2006，36(增刊):521-527.

[3]聶建國.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京:人民交通出版社，2011.

[4]占玉林，趙人達，向天宇，等.考慮剛度折減的鋼-混凝土組合橋面板撓度分析[J].四川建筑科學(xué)研究，2012，38(6):14-17.

[5]蘇小波，李小珍，肖林，等. PBL剪力鍵力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀及展望[C]//第21屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會議論文集第Ⅱ冊.2012.

[6]聶建國，王宇航，樊健生，等. 鋼-混凝土組合梁加寬混凝土舊橋技術(shù)中組合橫梁界面受力性能研究[J]. 土木工程學(xué)報，2012，45(3):99-109.

楊曉巍(1994～)，男，研究生，研究方向為土木工程。

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[定稿日期]2016-05-30