栓釘連接件抗剪性能試驗研究

王建江，陳春雷，朱 剛

(1.浙江公路水運工程咨詢公司，杭州 310000;2.浙江大學(xué)，杭州 310058)

0 引 言

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)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)，是由鋼和混凝土兩種材料部件組成，通過抗剪連接件組合成一體后共同工作的結(jié)構(gòu)體系[1]?？辜暨B接件作為鋼混組合結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其作用是為界面提供水平抗滑移力和豎向抗拔力，使彈性模量有很大差別的鋼構(gòu)件和混凝土構(gòu)件形成整體而共同工作。栓釘連接件各向受力性能一致，本身占據(jù)空間較小，不影響混凝土內(nèi)部鋼筋的布置，同時，由于栓釘?shù)暮附硬捎脤Ｓ煤笝C(jī)，焊接區(qū)域小，焊接殘余應(yīng)力較低。所以，栓釘連接件是組合結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為廣泛的抗剪連接件[2-3]。目前，推出試驗是研究栓釘連接件抗剪性能最主要的方法，通過推出試驗可以獲得栓釘?shù)钠茐那闆r和力學(xué)性能。

Viest IM[4]進(jìn)行了12個推出試驗，探討了不同栓釘高度與直徑的比值對栓釘破壞模式及栓釘抗剪強(qiáng)度的影響，得到了栓釘剪斷破壞和混凝土壓縮區(qū)域破壞兩種破壞模式。Li An[5]進(jìn)行了不同混凝土強(qiáng)度的栓釘推出試驗，得到在一定范圍內(nèi)提高混凝土的強(qiáng)度等級可以提高栓釘?shù)目辜粜阅?。Pil-Goo Lee 和Chang-Su Shim[6-7]通過推出試驗研究了大直徑栓釘(栓釘直徑超過25mm)的抗剪性能和疲勞性能，認(rèn)為大直徑栓釘?shù)目辜魪?qiáng)度隨直徑增大而增長的幅度緩于直徑小于25mm的栓釘。Dongyan Xue[8]研究了栓釘在群釘布置和常規(guī)布置下的抗剪性能，發(fā)現(xiàn)群釘布置下的栓釘抗剪強(qiáng)度會受到其他栓釘?shù)挠绊?，單個栓釘?shù)目辜魪?qiáng)度小于常規(guī)布置。

1 栓釘抗剪性能推出試驗

1.1 試件分組

針對栓釘高度對栓釘抗剪性能的影響，設(shè)計了直徑19mm，不同高度的栓釘推出試驗，高度級度變化設(shè)置為50mm，栓釘鋼材牌號ML15A型，其抗拉強(qiáng)度極限值為415MPa，彈性模量為213GPa，試驗分組如表1。

表1 推出試驗分組情況

1.2 尺寸設(shè)計

由于該試驗涉及的栓釘高度較大，本文在歐規(guī)4和日本鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(JSSC)規(guī)定的推出試件尺寸基礎(chǔ)上對混凝土板的尺寸進(jìn)行了改進(jìn)，采用單排栓釘布置形式，試件構(gòu)造如圖1。

圖1 栓釘推出試驗構(gòu)造圖

1.3 加載設(shè)備和加載方案

試驗加載設(shè)備采用浙江大學(xué)紫金港校區(qū)結(jié)構(gòu)試驗大廳1000t微機(jī)控制電液伺服多功能試驗機(jī)(見圖2)，試驗機(jī)采樣頻率最大為50Hz/s。

圖2 1000t微機(jī)控制電液伺服多功能試驗機(jī)

每組試件正式加載之前，施加適當(dāng)荷載，調(diào)整位移傳感器位置以滿足試驗要求，調(diào)整傳感器位置之后按40%的理論承載力極限荷載進(jìn)行兩次預(yù)加載，以消除工字梁和混凝土界面的殘余粘結(jié)力的影響。預(yù)加載完成后，按照理論極限荷載的5%～40%循環(huán)加載25次，最后單調(diào)加載直至試件發(fā)生破壞。試件加載的過程中，在試驗荷載較小時采用荷載控制加載，荷載加載速率為5kN/s，待荷載—滑移曲線斜率趨于平緩后采用位移控制加載，加載速率為0.6mm/s，直至荷載下降至極限荷載的80%時持荷5min，隨后加載至試件破壞。每個試件加載時間不小于30min，栓釘承載力理論極限值根據(jù)歐洲規(guī)范4承載力公式進(jìn)行計算。

1.4 測量方案

在鋼梁和混凝土界面同一水平位置共布置4個位移傳感器，以獲取工字梁和混凝土板之間的相對滑移量，在混凝土板的同一高度位置采用AB膠粘貼四個長度為100mm的50mm×50mm×3mm的角鋼作為固定點，用傳感器測量針頂住角鋼，磁性表座端隨鋼梁的受力產(chǎn)生向下的滑移，繼而引起位移傳感器頂針的變化，最終測得鋼梁和混凝土間的相對位移值，位移傳感器布置如圖3。

圖3 位移傳感器布置圖

按照圖3所示布置四個傳感器，每次加載試驗前需進(jìn)行傳感器的調(diào)試，試驗加載機(jī)進(jìn)行預(yù)加載時，需觀察四個傳感器的即時數(shù)據(jù)變化情況，如出現(xiàn)過大零點漂移或者傳感器未能傳送數(shù)據(jù)，需及時更換傳感器。預(yù)加載完成之后，各傳感器需進(jìn)行調(diào)零，進(jìn)行正式加載。

本試驗采用加載機(jī)和傳感器均可實時獲取力和位移數(shù)據(jù)，所以不設(shè)置分級加載，加載機(jī)力傳感器以及安裝的位移傳感器采樣頻率均設(shè)置為1Hz，試驗加載情況如圖4。通過荷載相對滑移曲線進(jìn)行鋼混組合界面抗剪性能的量化分析和機(jī)理研究。

圖4 推出試驗加載情況

2 試驗結(jié)果分析

2.1試驗現(xiàn)象

當(dāng)鋼混組合界面相對位移超過峰值滑移時，荷載將隨著相對位移增長而逐漸降低直至試件發(fā)生破壞，由于試驗中采用了C50混凝土，強(qiáng)度等級較高，10個推出試件均發(fā)生了栓釘根部剪斷的破壞形式，栓釘?shù)钠茐男问饺鐖D5。

圖5 推出試件破壞情況

由圖5可以看出，當(dāng)發(fā)生栓釘根部破壞時，栓釘與工字梁的焊接處焊縫保持完整，焊縫的強(qiáng)度大于栓釘本身的抗剪強(qiáng)度，栓釘在根部焊縫區(qū)域外受力最大處發(fā)生剪斷，斷裂面比較光滑。栓釘根部發(fā)生明顯的剪切變形，與上側(cè)混凝土產(chǎn)生脫空，對下側(cè)混凝土產(chǎn)生擠壓，栓釘根部一定區(qū)域混凝土受壓發(fā)生破壞，破壞區(qū)域占比很小，遠(yuǎn)離栓釘根部的混凝土區(qū)域未發(fā)生明顯破壞。

2.2 荷載-滑移曲線

荷載-滑移曲線可以完整地反應(yīng)栓釘抗剪連接件的力學(xué)性能變化情況，是分析栓釘抗剪性能最重要的依據(jù)。本文通過5組推出試驗的結(jié)果，繪出了不同高度的栓釘抗剪連接件的荷載—滑移曲線，如圖6所示。

圖6 不同高度栓釘單釘荷載滑移曲線

不同栓釘高度的荷載滑移曲線峰值荷載(即栓釘?shù)目辜魪?qiáng)度)存在明顯差異，不同栓釘高度下栓釘?shù)目辜魪?qiáng)度具體情況如表2。

表2 不同推出試驗組栓釘抗剪強(qiáng)度

從圖6和表2可以看出：

(1)試驗得出同一栓釘直徑下不同栓釘高度的荷載滑移曲線均具有類似的變化趨勢，當(dāng)相對滑移值較小時，荷載滑移曲線均存在一個近似的線性增長段，該階段栓釘和混凝土均處于彈性階段，該階段頂點對應(yīng)的相對滑移值為彈性滑移值。隨著相對滑移的增長，荷載滑移曲線趨于平緩，剛度逐漸降低，栓釘和混凝土進(jìn)入塑性階段。當(dāng)荷載滑移曲線緩慢增長達(dá)到曲線最高值即峰值荷載，栓釘達(dá)到其抗剪強(qiáng)度極限值，該點相對滑移值為峰值滑移。在同一栓釘直徑下，栓釘抗剪強(qiáng)度極限值隨著栓釘高度的增加而增加。

(2)不同栓釘高度對應(yīng)的荷載位移曲線存在一定的差異，對應(yīng)50mm和100mm高度的栓釘，其荷載位移曲線沒有明顯的屈服階段，而150mm高度以上的栓釘則呈現(xiàn)較為顯著的屈服階段，且其值均在100kN左右，與一般材料力學(xué)中的鋼材剪切試驗得到的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線較為符合。同時也可知，栓釘抗剪強(qiáng)度的極限值必然不可能超過栓釘?shù)目估瓘?qiáng)度，但收斂值需要經(jīng)過大量的材料試驗研究而知。

(3)100mm和150mm兩種高度對應(yīng)的荷載位移曲線呈現(xiàn)出較為明顯的差異，換算到栓釘?shù)拈L徑比分別為5.26和7.89，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017-2003)一般要求栓釘長度在直徑的4倍以上，因此需要根據(jù)不同的栓釘高度對應(yīng)的荷載位移曲線，進(jìn)一步深化研究栓釘?shù)目辜魳O限強(qiáng)度與栓釘?shù)目估?qiáng)度和抗拉極限強(qiáng)度的關(guān)系。

(4)隨著栓釘高度的增加，荷載位移曲線中的近似線形增長階段的斜率也在逐漸增加，即栓釘?shù)募羟袆偠纫苍谥饾u增加，但栓釘高度在150mm以上時，其剪切剛度已較為接近和收斂，栓釘高度增加不再對剪切剛度產(chǎn)生較大影響。

分析認(rèn)為，在同一栓釘直徑下，栓釘抗剪強(qiáng)度隨著栓釘高度的增加而增加。在推出試驗過程中，栓釘根部背離推出方向一側(cè)鋼梁和混凝土界面將會發(fā)生分離，分離值會隨著相對滑移的增加而增加，栓釘受到彎拉剪耦合力作用。同時栓釘變形會對下側(cè)混凝土產(chǎn)生擠壓作用，隨著加載值的增加，下側(cè)混凝土被壓潰破壞，進(jìn)一步加劇栓釘與背離推出方向一側(cè)混凝土的分離，栓釘繼續(xù)偏離水平方向，栓釘彎拉剪耦合作用進(jìn)一步加強(qiáng)。隨著栓釘高度的增加，栓釘能更好的錨固在混凝土內(nèi)，可使栓釘更好的承擔(dān)彎拉剪耦合作用，從而提高栓釘?shù)某休d能力。

2.3 各國規(guī)范對比

歐洲規(guī)范、美國規(guī)范、我國規(guī)范[9]均對栓釘?shù)目辜魪?qiáng)度計算公式進(jìn)行了規(guī)定，根據(jù)本文使用的栓釘、混凝土和尺寸參數(shù)計算得出的栓釘抗剪強(qiáng)度結(jié)果如表3所示。

表3 不同規(guī)范栓釘抗剪強(qiáng)度計算值

表3中，歐洲規(guī)范在計算時栓釘強(qiáng)度取用標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度(即屈服強(qiáng)度)，中國規(guī)范取用抗拉強(qiáng)度設(shè)計值乘γ(抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的比值)，因此中國規(guī)范抗剪強(qiáng)度計算值大于歐洲規(guī)范較多。根據(jù)試驗結(jié)果，50mm(長徑比約2.6)的栓釘其抗剪強(qiáng)度最小為78 kN，100mm長度栓釘(長徑比約2.6)抗剪強(qiáng)度為95kN，均大于各國規(guī)范的抗剪強(qiáng)度計算值。從這個意義上來說中國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范取用抗拉強(qiáng)度設(shè)計值乘γ是較為合理的。

3 結(jié) 語

(1)長徑比較短的栓釘其荷載位移曲線沒有明顯的屈服階段，長徑比較長的栓釘則較為明顯，其極限抗剪強(qiáng)度也較高。這類栓釘由于在混凝土內(nèi)的錨固深度更大，可使栓釘更好的承擔(dān)彎拉剪耦合作用，從而提高栓釘?shù)某休d能力。

(2)當(dāng)栓釘長徑比較大時，抗剪強(qiáng)度計算時僅考慮其純剪切強(qiáng)度，而不考慮彎拉剪耦合效應(yīng)，不能精確地描述栓釘?shù)目辜魪?qiáng)度。應(yīng)結(jié)合更多不同栓釘高度的推出試驗，進(jìn)一步分析研究栓釘高度的影響，并對原有的計算公式進(jìn)行修正。