開孔板和栓釘連接件抗剪性能試驗研究及承載力計算

鄧文琴 張建東,2, 劉 朵 顧建成 胡 雋 黃國斌

(1華中科技大學土木工程與力學學院， 武漢430074)(2東南大學土木工程學院， 南京210096)(3南京工業(yè)大學土木工程學院, 南京211816)(4蘇交科集團股份有限公司， 南京211112)(5寧波市鄞州區(qū)交通投資有限公司， 寧波 330200)

鋼-混凝土組合橋梁因其能充分發(fā)揮鋼材和混凝土2種材料各自的優(yōu)勢，已成為繼混凝土橋及鋼橋之后廣泛應用的橋梁結構形式.抗剪連接件作為鋼與混凝土界面關鍵受力元件起到傳遞剪力、防止掀起的作用.已有抗剪連接件按其剛度大小，可分為柔性連接件和剛性連接件2類，目前工程中最常用的柔性連接件和剛性連接件分別為栓釘連接件和開孔鋼板連接件[1-2].各國學者針對栓釘連接件和開孔鋼板連接件均已進行了大量的試驗研究[3-8].已有研究成果表明，這2種連接件在受力及施工方面各有優(yōu)缺點.栓釘連接件作為一種柔性連接件，其受力機理簡單、便于設計計算且具有良好的延展性，但對于大跨徑鋼-混組合橋梁而言，如采用栓釘連接件進行連接所需栓釘數量較多，而連接部位空間有限，且焊接工作量較大，因而在大跨度橋梁中較少應用.相比栓釘連接件，開孔鋼板連接件作為一種剛性連接件具有承載力高、抗剪剛度大、抗疲勞性好且施工簡單等優(yōu)勢，但開孔鋼板連接件的傳力具有方向性限制且由于連接件本身剛度太大易發(fā)生脆性破壞[5-8].

為了發(fā)揮栓釘連接件和開孔鋼板連接件各自的優(yōu)勢，Zhang等[9]研發(fā)了一種新型抗剪連接件，稱之為開孔板+栓釘連接件，并通過推出試驗對比分析了栓釘連接件、開孔鋼板連接件及開孔鋼板+栓釘連接件抗剪承載力直接的關系，試驗結果表明開孔鋼板+栓釘連接件承載力可由2種連接件疊加，且將該組合連接件首次成功地應用于日本中野高架橋中.開孔板+栓釘連接件是在單個開孔鋼板連接件兩側分別增加兩排栓.與栓釘連接件相比，提高了連接件抗剪承載力，減少了焊接量且改善了疲勞問題；與開孔鋼板連接件相比，開孔板+栓釘連接件延性較好，且結合了栓釘連接件多向受力的優(yōu)勢，具有廣泛的應用前景.

為研究開孔板+栓釘連接件受力機理及抗剪承載力，本文通過5組共10個試驗，分析其受力性能和破壞模式，試驗中主要考慮栓釘直徑和貫穿鋼筋直徑等參數的影響.此外，在總結和分析已有研究成果的基礎上，提出了適用于開孔板+栓釘連接件抗剪承載力計算式.

1 試驗

1.1 試件設計與制作

本文參照歐洲規(guī)范Eurocode-4中規(guī)定的推出試驗方法設計并制作了5組共10個試件，研究開孔板+栓釘連接件受力機理及栓釘直徑、貫穿鋼筋直徑對連接件承載力的影響.試驗加載前測試了混凝土抗壓強度fc及鋼材屈服強度fy，主要參數見表1.H型鋼與混凝土通過開孔鋼板和栓釘連接，其中栓釘焊接于開孔鋼板兩側，每側3個，試件構造如圖1所示.試件所用型鋼、焊釘及開孔鋼板均采用Q345鋼；所有貫穿鋼筋和普通鋼筋均采用HRB335級鋼筋；混凝土強度等級原擬采用C60，因現場首次配比C60高強混凝土，水灰比控制缺乏參考，混凝土實測強度遠高于設計值，故本文以實測值為準.

(a) 立面圖

(b) 側視圖

(c) 俯視圖

(d) 栓釘大樣圖圖1 推出試件尺寸構造圖(單位：mm)

表1 開孔板+栓釘連接件參數

1.2 加載裝置與測試內容

試驗加載裝置采用1 000 t液壓式四柱壓力試驗機，如圖2所示.正式加載前先預加載，待預加載完成后，進行正式加載.加載方法為：通常在試件屈服前采用荷載控制，以極限荷載的5%為增量，試件屈服后則采用位移控制，以2 mm為一級，直至破壞.為保證試件底部受力均勻，在試驗臺上鋪設了細沙找平.

圖2 試驗加載裝置

試驗過程中主要測試內容包括：豎向荷載作用下H型鋼與混凝土之間的相對位移；栓釘的應力；貫穿鋼筋的應力.試驗荷載通過加載控制臺記錄，相對位移采用4個位移計測量，加載過程中所有試驗數據由東華3816自動采集儀采集，試驗測點布置見圖3.

圖3 測點布置圖

2 試驗結果

本文試驗主要結果如表2所示.表中，試件承載力極限值Pmax為試驗過程中最大荷載值；δmax為最大荷載對應的滑移量；Pavg為平均荷載值；δavg為平均荷載對應的滑移量；Prk為承載力特征值，取Prk=0.9Pmax；δrk為荷載上升至Prk對應的滑移量;Prk,avg為平均承載力特征值；δrk,avg為荷載上升至Prk,avg對應的滑移量；δuk為最大荷載下降至Prk對應的滑移量；δuk,avg為平均荷載下降至Prk,avgrk對應的滑移量；延性系數Dc為承載力特征值Prk對應的下降段滑移量δuk與上升段滑移量δrk的比值[6].

2.1 破壞模態(tài)

5組試件破壞形態(tài)基本一致，首先在試件底部產生裂縫，并隨著荷載的增加不斷向上延伸，而后在開孔板開孔位置處鋼-混界面出現裂縫，并由鋼-混界面向兩側擴展.試驗加載過程中聽到4～5次明顯的斷裂響聲，且H型鋼與混凝土塊之間滑移不斷增大，最后一聲巨響后荷載出現明顯下降，而后保持穩(wěn)定.加載改為位移控制后，鋼-混界面分離現象更加明顯，但由于混凝土強度等級較高，試件破壞時混凝土塊表面裂縫較少，僅在試件底部及開孔貫穿鋼筋位置處的鋼-混界面出現局部混凝土壓碎現象，如圖4(a)所示.加載完成后將試件鑿開，發(fā)現開孔鋼板兩側栓釘在根部處均已被剪斷，貫穿鋼筋由中間位置變?yōu)榫o貼開孔鋼板上端孔壁，下孔內貫穿鋼筋與孔壁接觸部位發(fā)生明顯的變形，上孔內貫穿鋼筋變形較小，且與貫穿鋼筋對應位置處的開孔鋼板亦出現了局部壓曲變形，如圖4(b)所示.

表2 推出試驗結果

2.2 荷載-滑移曲線

圖5給出了各組試件的荷載-滑移曲線，其中H型鋼和混凝土之間的相對滑移取4個位移計測量的平均值.從圖中可以看出，每組2個試件荷載-滑移曲線均比較接近，表明試驗結果較為合理.所有試件的荷載-滑移曲線趨勢比較接近且均經歷了4個階段：線彈性增長階段；非線性塑性發(fā)展階段；下降段和延性發(fā)展階段.線彈性增長階段，H型鋼和混凝土板之間相對滑移非常小，混凝土塊還沒有出現裂縫，試件表現出很大的剪切剛度，該階段荷載由栓釘、開孔板孔內混凝土榫和貫穿鋼筋共同承擔；隨著荷載的不斷增加，混凝土開裂后，荷載-滑移曲線呈非線性增長，孔內混凝土榫被壓碎，栓釘屈服，試件進入塑性發(fā)展階段，直至荷載峰值點.在荷載峰值點后，荷載出現了迅速的下降，該階段可以聽到明顯的栓釘剪斷聲響，自栓釘斷裂荷載突降之后，直至卸載并未再次出現荷載突降現象.而根據既有開孔鋼板靜載試驗荷載-滑移曲線特征可知[7]，開孔鋼板破壞時會出現荷載突降段，由此可知栓釘斷裂時開孔鋼板連接件也達到了極限荷載；之后進入延性發(fā)展階段，該階段荷載主要由孔內貫穿鋼筋提供，試件表現出較好的延性直至破壞.

(a) 混凝土

(b) 拆解后試件模態(tài)圖4 試件典型破壞模態(tài)

3 主要參數的影響

影響栓釘連接件和開孔鋼板連接件抗剪承載力的因素很多，目前已有很多研究者通過推出試驗研究了這2種連接件抗剪承載力的影響因素[10-11].本文在已有研究結果的基礎上，僅選取對栓釘連接件影響較大的栓釘直徑和對開孔鋼板連接件影響較大的貫穿鋼筋直徑進行研究.

(a) SP-28-16

(b) SP-28-19

(c) SP-28-22

(d) SP-25-16

(e) SP-20-16圖5 試件荷載-滑移曲線

3.1 栓釘直徑對承載力的影響

表3給出了不同栓釘直徑ds對應試件的試驗結果.由表可以看出，開孔板+栓釘連接件抗剪承載力隨栓釘直徑增加而增大，栓釘直徑為19和22 mm的試件與直徑為16 mm的試件相比，最大抗剪承載力Pmax提高了11%和19%；最大荷載對應的相對滑移量δmax也分別提高了20%和78%；且試件初始剛度K0分別增加了8%和26%.但隨著栓釘直徑的增大，試件延性系數Dc呈下降趨勢.由圖6不同直徑試件荷載-滑移曲線對比可知，栓釘直徑越大，荷載峰值點越高，但3條曲線延性發(fā)展段基本重合.這主要是因為延性發(fā)展階段栓釘均已失效，荷載主要由孔內貫穿鋼筋承擔，而這3組試件孔內貫穿鋼筋直徑相同.

3.2 貫穿鋼筋直徑對承載力的影響

表4給出了不同貫穿鋼筋直徑dt對應試件的試驗結果，可以看出，開孔板+栓釘連接件抗剪承載力隨貫穿鋼筋直徑的增加而增大，貫穿鋼筋直徑為25和28 mm的試件與直徑為20 mm的試件相比，最大抗剪承載力Pmax提高了7%和18%；試件初始剛度K0分別增加了8%和14%；但最大荷載對應的相對滑移量δmax和延性Dc呈下降趨勢.由圖7不同貫穿試件荷載-滑移曲線對比可知，貫穿鋼筋直徑越大，荷載峰值點越高，且延性發(fā)展階段貫穿鋼筋直徑較大的試件對應的持荷段荷載值越大，這主要也是由于該階段荷載均由孔內貫穿鋼筋承擔.

表3 栓釘直徑變化試驗結果

注：K0為試件初始剛度，取相對滑移0.2 mm所對應的割線斜率值為連接件初始抗剪剛度[12];()內數值為各試件參數值與SP-28-16試件對應參數值的比值.

圖6栓釘直徑對荷載-滑移曲線的影響

表4 貫穿鋼筋直徑變化試驗結果

圖7貫穿鋼筋對荷載-滑移曲線的影響

4 抗剪承載力計算式

4.1 栓釘連接件承載力計算公式

栓釘連接件破壞形式主要有栓釘剪斷和混凝土壓碎2種，破壞形式不同，抗剪承載力計算公式也不同.目前，各國設計規(guī)范對栓釘連接件栓釘剪斷及混凝土壓碎破壞給出的承載力計算公式不盡相同.

1) 歐洲規(guī)范Eurocode-4[13]

歐洲規(guī)范Eurocode-4基于大量推出試驗并結合可靠度分析得出栓釘連接件抗剪承載力Pu計算公式，即

(1)

2) 美國鋼結構設計規(guī)范ANSI/AISC[14]

美國鋼結構設計規(guī)范ANSI/AISC中規(guī)定栓釘連接件的抗剪承載力Pu計算公式為

(2)

式中，As和Fu分別為栓釘的橫截面積和最小極限抗拉強度；Rg,RP為系數，當栓釘單排焊于翼緣板時，Rg=1.0，當栓釘焊接的翼緣板不超過混凝土板50%時，Rp=1.0.

3) 中國《鋼結構設計規(guī)范》(GB 50017—2003)[15]

我國《鋼結構設計規(guī)范》(GB 50017—2003)給出的栓釘連接件抗剪承載力Pu計算公式為

(3)

式中，fc為立方體混凝土軸心抗壓強度設計值；γ為栓釘抗拉強度與屈服強度比值.

4.2 開孔鋼板連接件承載力計算公式

影響開孔鋼板連接件抗剪承載力的因素有很多，包括混凝土強度、開孔板構造參數及孔內貫穿鋼筋等.國內外很多學者對開孔鋼板連接件抗剪承載力計算方法做了相應的研究，分別得到了不同的計算公式，本文僅列舉幾個具有代表性的計算式.

1) Oguejiofor計算式.Oguejiofor等[16]通過試驗分析認為，開孔鋼板連接件的抗剪強度主要由連接件表面混凝土抗力、孔內貫穿鋼筋和孔內混凝土榫3部分組成，并在回歸分析的基礎上提出了如下開孔鋼板連接件承載力Q計算式：

(4)

式中，fc為混凝土的抗壓強度；hsc和tsc分別為開孔鋼板高度和厚度；Atr和fy分別為貫穿鋼筋的面積和屈服強度；d為開孔板圓孔直徑；n為圓孔數量.

2) Ahn計算式.Ahn等[5]通過推出試驗，在式(4)的基礎上，考慮了開孔鋼板布置形式后提出了如下開孔鋼板連接件抗剪承載力Q的修正式：

(5)

3) 趙晨計算式.趙晨等[11]通過對113組試件試驗數據進行回歸分析，得到了可同時適用于有、無孔內貫穿鋼筋的開孔鋼板連接件抗剪承載力計算式，即

(6)

式中，dr為貫穿鋼筋直徑.

4.3 開孔板+栓釘連接件承載力計算公式

開孔板+栓釘連接件是由栓釘連接件和開孔鋼板連接件組合而成的一種復合型連接件，其抗剪承載力由栓釘連接件和開孔鋼板連接件共同決定.

本文將收集到的53組栓釘連接件抗剪承載力試驗結果和96組開孔鋼板連接件試驗結果分別通過式(1)～式(3)和式(4)～式(6)計算對比，結果見表5和表6.表中，Pt為試驗值，Pd為計算值.由表可以看出，栓釘連接件和開孔鋼板精度最高為式(2)和式(6)，因此本文中將式(2)和式(6)疊加作為開孔板+栓釘連接件的抗剪承載力Q計算式，計算公式可分為栓釘剪斷和混凝土壓碎2種形式，即

(7)

(8)

式(7)適用于栓釘受壓側混凝土先壓潰破壞情況，式(8)適用于栓釘發(fā)生剪斷破壞.本文試驗破壞模式為栓釘剪斷，故采用式(8)進行計算.

根據GB 50917―2013規(guī)范[20]規(guī)定鋼-混凝土組合梁正常使用極限狀態(tài)下，抗剪連接件承載力設計值不應超過75%的抗剪承載力設計值，即至少1.25倍安全系數，圖8為本文試驗結果與1.25倍式(8)計算結果的比較，雖然本文試驗數據有限，但從圖8中可以看出，試驗結果與考慮1.25倍安全系數后的計算結果吻合較好，可見本文提出的公式對開孔鋼板+栓釘連接件具有較高安全富余，且離散性較小.由此可以說明，開孔板+栓釘連接件的抗剪承載力可按栓釘連接件和開孔鋼板連接件承載力疊加考慮.

圖8試件抗剪承載力計算值與試驗值對比

表5 栓釘連接件計算結果統(tǒng)計特征值比較

表6 開孔鋼板連接件計算結果統(tǒng)計特征值比較

5 結論

1) 開孔板+栓釘連接件加載初期抗剪承載力由栓釘和開孔鋼板連接件共同承擔，栓釘失效后承載力迅速下降然后保持不變，此后抗力主要由孔內貫穿鋼筋承擔并表現出良好的延展性.

2) 由參數分析可知，開孔板+栓釘連接件抗剪承載力及初始剛度均隨栓釘和貫穿鋼筋直徑的增加而增大，連接件延性則隨栓釘和貫穿鋼筋直徑的增加而減小.

3) 基于國內外53個栓釘和96個開孔鋼板模型試驗結果，提出了分別考慮栓釘剪斷和混凝土壓碎2種破壞形式下開孔板+栓釘連接件的抗剪承載力計算式.計算結果與試驗結果對比表明，本文提出的公式安全富裕滿足規(guī)范要求，為該類連接件設計計算提供了一定參考.

4) 本文在試驗及既有研究基礎上對開孔鋼板+栓釘連接件抗剪承載力展開研究，但該組合型連接件協(xié)同抗剪性能影響因素較多，還需開展更為系統(tǒng)的研究，以期建立更適用于實際工程設計及計算的方法.

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