全裝配式鋼-混凝土組合構(gòu)件抗剪性能試驗研究

曾德子，楊未蓬，高燕梅,3，李成君

(1. 廣東省長大公路工程有限公司，廣東 廣州 510620； 2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 3. 重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地，重慶 400074： 4. 四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611130)

0 引 言

鋼-混組合結(jié)構(gòu)按各自特點進(jìn)行合理組合，能充分發(fā)揮鋼材和混凝土兩種不同性質(zhì)材料的特性。鋼材與同截面尺寸、相同跨徑的混凝土相比，鋼材自重輕、便于運(yùn)輸和安裝，具有抗拉強(qiáng)度高、塑性好等特點；而混凝土具有抗壓性能好的優(yōu)點。因此，鋼-混組合結(jié)構(gòu)能彌補(bǔ)各自缺點，能滿足更大跨度的要求。

全裝配式施工方法是先把鋼材和混凝土橋面板預(yù)制成型，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場定位安裝。該施工方法不僅能大大縮短工期，還能克服現(xiàn)場澆筑因混凝土收縮、徐變的影響，使施工質(zhì)量得以保證。為使鋼材和混凝土的優(yōu)勢得以充分發(fā)揮，栓釘連接鍵在組合結(jié)構(gòu)中不可或缺，剪力鍵作用是限制混凝土和鋼結(jié)構(gòu)的相對滑移和抗掀起，使界面上的兩者構(gòu)成一個能共同工作的整體[1]。

筆者以廣佛肇青岐涌大橋作為研究對象進(jìn)行分析。該橋設(shè)計選用的是預(yù)制裝配式鋼桁-砼組合剛構(gòu)橋的橋型，針對特殊橋型的特點，重慶交通大學(xué)周志祥課題組分析了常規(guī)式剪力連接鍵在組合結(jié)構(gòu)中易出現(xiàn)的問題，并進(jìn)行大量的試驗研究，提出了一種新型的預(yù)制裝配式組合剪力釘(prefabricated composite shear stud, PCSS)[2-4]。PCSS剪力鍵布置形式見圖1。把栓釘焊接在傳遞鋼板上，再將其作為橋面板板肋兩側(cè)的模板，綁扎鋼筋骨架，現(xiàn)澆混凝土形成橋面板PC，最后將橋道板PC的鋼板與工字鋼上翼緣按構(gòu)造要求焊接成整體，形成PCSS剪力連接件的制作工藝[5]。橋道板板肋位置處混凝土被鋼板豎向放置與鋼梁頂面包圍形成約束混凝土，在荷載的作用下，PCSS剪力連接件極限承受荷載力要比常規(guī)式組合結(jié)構(gòu)剪力連接件高[6-7]。

圖1 PCSS剪力鍵的布置形式Fig. 1 Layout of PCSS shear connectors

課題組考慮栓釘數(shù)量、布置方式和試件加載方式等對組合結(jié)構(gòu)的影響因素，按不同構(gòu)造參數(shù)設(shè)計出了3組24個小比例PCSS剪力連接件試件，并進(jìn)行了構(gòu)件推出破壞試驗研究[8]。為研究鋼-混組合結(jié)構(gòu)中PCSS剪力鍵的抗剪性能，筆者設(shè)計了 一個大比例PCSS剪力連接構(gòu)件，采用推出試驗方法進(jìn)行研究，分析試件荷載-滑移曲線、破壞特征現(xiàn)象等，以此來模擬鋼-混組合結(jié)構(gòu)PCSS剪力連接件實際工作時的受力狀況。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計與材料特性

為研究PCSS剪力釘?shù)氖芗粜阅?，剪力連接試驗構(gòu)件由2個預(yù)制混凝土橋道板和1個鋼箱構(gòu)成，試件構(gòu)造尺寸為95 cm×45 cm×70 mm，如圖2。這2個預(yù)制混凝土橋道板PC尺寸大小和板內(nèi)鋼筋布置形式一樣；由栓釘剪力鍵構(gòu)造，如圖3。栓釘構(gòu)造尺寸為Φ13 mm×80 mm，剪力傳遞鋼板構(gòu)造尺寸為950 mm×8 mm×60 mm，鋼板厚為8 mm。

圖2 構(gòu)件尺寸Fig. 2 Dimensions of the specimen

圖3 PCSS剪力鍵構(gòu)造Fig. 3 Construction of PCSS shear connectors

PCSS剪力連接件具體施工過程為：搭建模板，制作綁扎板內(nèi)鋼筋骨架；與此同時按PCSS剪力釘構(gòu)造要求在鋼板上布置、焊接栓釘，并將安裝完成后的剪力傳遞鋼板作為橋面板板肋兩側(cè)的模板，澆筑混凝土，養(yǎng)生形成推出試驗構(gòu)件橋道板。在橋道板和鋼箱焊接成整體構(gòu)件時還需考慮到荷載加載位置情況，故在本試驗設(shè)計中使兩者沿長度方向錯位布置，鋼箱位置高于橋道板，以便于施加荷載[10]；最后將傳力鋼板和鋼箱焊接成一個整體式PCSS剪力連接件，制作過程流程如圖4。

圖4 構(gòu)件制作Fig. 4 Manufacture procedures of specimen

在探索PCSS剪力釘?shù)氖芗粜阅苓^程中，混凝土和栓釘?shù)牧W(xué)材料性質(zhì)對組合結(jié)構(gòu)影響較大，在推出研究之前需要取樣研究材料性能試驗。PCSS連接件采用的鋼板型號為Q345qD，鋼筋的型號為HRB335，對栓釘進(jìn)行拉伸試驗，試驗結(jié)果如表1。

表1 栓釘材性實驗Table 1 Test results of stud MPa

橋道板采用C50強(qiáng)度等級混凝土，在澆筑混凝土橋道板時，同時澆筑了混凝土立方體試驗試件和棱柱體試驗試件，混凝土立方體試驗試件采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸，即150 mm×150 mm×150 m，棱柱體采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸150 mm×150 mm×300 m，并與澆筑成型的混凝土橋道板在相同條件下進(jìn)行養(yǎng)生，按照標(biāo)準(zhǔn)試驗程序測試混凝土試塊的立方體抗壓強(qiáng)度(表2)和棱柱體抗壓彈性模量(表3)。

表2 混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度試驗Table 2 Compressive strength test of concrete cubic blocks

表3 混凝土棱柱體試塊抗壓彈性模量試驗Table 3 Compressive elastic modulus test of concrete prism blocks

1.2 試驗裝置與加載方案

為研究剪力釘抗剪性能，以栓釘剪斷破壞為控制依據(jù)，采用推出破壞方法對PCSS連接構(gòu)件進(jìn)行研究。試驗加載裝置為千噸壓力試驗機(jī)，在試驗開始加載之前，為檢查儀器儀表是否正常工作來消除外部干擾因素的影響，應(yīng)該對構(gòu)件進(jìn)行預(yù)加載[10]。預(yù)加載荷載大小應(yīng)控制在PCSS連接件極限承載力的1%～2%之間，目的是不讓混凝土與鋼板之間產(chǎn)生相對滑移。

為記錄構(gòu)件的整個破壞過程，前期加載按分級荷載控制。構(gòu)件將達(dá)到極限承載能力，如繼續(xù)采用荷載加載，構(gòu)件迅速破壞，結(jié)束加載試驗，這種情況不利于記錄數(shù)據(jù)、觀察試驗現(xiàn)象；為較好克服上述問題，得到完整的構(gòu)件破壞過程，試驗機(jī)加載控制方法改為采用位移控制加載，這樣在破壞階段能有效觀察構(gòu)件承載能力出現(xiàn)下降的情況，構(gòu)件有較明顯變形。預(yù)加載完成后，進(jìn)行PCSS連接件推出破壞試驗加載，加載方法采用單向加載法：先采用力加載，從0開始按0.2的比例等級逐步加載，直到加載到構(gòu)件達(dá)到極限承載能力，再采用位移加載，加載速率控制在3 mm/h左右，直至構(gòu)件完全破壞。

1.3 測點布置與量測方案

在混凝土和鋼板之間布置百分表測量相對滑移量，測點布置見圖5。在測點對應(yīng)水平位置處混凝土橋道板上貼上機(jī)玻璃片，再將百分表基座固定于鋼箱上，使得百分表指針頂在有機(jī)玻璃片上，百分表所測得數(shù)據(jù)將作為界面相對滑移量，相對滑移測試示意見圖6。選用CM-2B-64型靜態(tài)應(yīng)變和位移系統(tǒng)自動記錄百分表數(shù)據(jù)，加載過程中荷載大小由壓力試驗機(jī)自動獲取。

圖5 主要測點布置Fig. 5 Layout of main measuring points

圖6 測試示意Fig. 6 Test schematic

從開始加載構(gòu)件中最先出現(xiàn)裂縫位置到破壞階段過程中荷載構(gòu)件所有裂縫出現(xiàn)位置進(jìn)行記錄；本次試驗破壞過程結(jié)束的標(biāo)志是判斷栓釘是否被剪斷，而栓釘是布置于PCSS連接件內(nèi)部，僅從肉眼無法判斷，因此只能通過構(gòu)件在加載過程中發(fā)出聲響來進(jìn)行判斷。加載完畢后，通過解剖構(gòu)件來觀察構(gòu)件破壞現(xiàn)象[11]。

2 試驗現(xiàn)象與結(jié)果

2.1 破壞特征

在試驗開始過程中，首先在橋道板板肋根部混凝土處發(fā)現(xiàn)PCSS連接件水平裂縫，傳力鋼板和混凝土橋道板之間滑移量也隨著逐漸增大[12]；隨著荷載逐步增加，滑移量不斷提高，直到達(dá)到構(gòu)件極限承載能力。這個加載過程中出現(xiàn)裂縫開裂聲音，其裂縫持續(xù)發(fā)展；滑移增加迅速，承載能力下降，直到最后所有栓釘都被切斷，構(gòu)件被破壞。為觀察PCSS剪力釘和混凝土破壞情況，筆者對破壞后構(gòu)件進(jìn)行了解剖，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)栓釘根部混凝土剝落、栓釘剪斷等現(xiàn)象，如圖7。

圖7 栓釘剪斷Fig. 7 Bolt cut

2.2 荷載滑移曲線

通過從壓力機(jī)上獲得的加載荷載大小和從百分表上獲得的鋼板和混凝土之間滑移量繪制出V01、V31、V51測點的荷載-滑移曲線，如圖8。

圖8 構(gòu)件荷載-滑移曲線Fig. 8 Load-slip curves of specimen

構(gòu)件在開始加載過程中，當(dāng)構(gòu)件所承受荷載不大于800 kN，大約為50%的極限承載力。橋道板和鋼箱作為一個整體受力結(jié)構(gòu)，組合構(gòu)件有著較大的抗剪剛度，在荷載作用下構(gòu)件處于彈性狀態(tài)階段；當(dāng)荷載加載到800～1 200 kN，大約為80%的極限承載力，荷載-滑移曲線斜率在荷載加載作用下逐漸降低，但滑移量增加不大，構(gòu)件抗剪剛度較彈性階段的抗剪剛度有所減小，變化不大，在荷載作用下構(gòu)件處于彈塑性工作狀態(tài)；當(dāng)加載力大小超過1 200 kN，栓釘位置處于鋼梁與混凝土之間，其相對滑移量在荷載作用下增加迅速，直到構(gòu)件承受極限荷載達(dá)到1 514 kN時，試驗機(jī)顯示荷載值不斷下降，在荷載作用下表明構(gòu)件處于塑性破壞工作狀態(tài)。

根據(jù)PCSS連接件加載過程的受力特點，可把荷載-滑移曲線大致分為彈性階段、彈塑性階段、破壞階段[7-9]。彈性階段：當(dāng)00.8Pu時，曲線變化平緩，構(gòu)件在荷載作用下界面上產(chǎn)生較大的滑移，加速構(gòu)件破壞，直到栓釘剪斷，試驗停止。

3 大、小構(gòu)件力學(xué)性能比較

筆者以文中的大比例構(gòu)件(簡稱“大構(gòu)件”)與課題組推出試驗中另一個小比例PCSS剪力連接件試件(簡稱“小構(gòu)件”)相比，研究了這兩者的受力性能差異。小構(gòu)件構(gòu)造尺寸為50 cm×61.6 cm×30 cm，由2列3排共12顆栓釘組成。由上文得到的大構(gòu)件荷載-滑移曲線，在考慮栓釘個數(shù)和面積影響因素下，繪制了單個栓釘?shù)暮奢d-滑移關(guān)系，如圖9。

圖9 荷載-滑移曲線Fig. 9 Load-slip curves

由圖9可看出：兩種構(gòu)件的荷載-滑移曲線在上升段中斜率大致相同，彈性階段斜率可近似看作是連接件的抗剪剛度，由此可見大構(gòu)件和小構(gòu)件剛度大致相同。由于小構(gòu)件尺寸較小，各個栓釘共同承擔(dān)荷載，受力較為均勻；而大構(gòu)件在加載過程中，滑移沿構(gòu)件高度分布不同：隨著荷載的增加，構(gòu)件兩端的滑移一直大于中間段，且底端的滑移大于頂端滑移[10]。

由此可分析出栓釘沿構(gòu)件高度受力不均勻，且大構(gòu)件兩端栓釘承受較大荷載，也最容易發(fā)生剪斷破壞，大構(gòu)件單釘極限承載能力取決于兩端栓釘剪斷破壞的最不利情況，因此大構(gòu)件峰值比小構(gòu)件要小。由于構(gòu)件達(dá)到極限承載力后試驗采取加載方式和持荷時間不同，導(dǎo)致兩種構(gòu)件出現(xiàn)平臺長短不一樣。結(jié)果表明：小構(gòu)件受力性能較大構(gòu)件好，但實際情況中PCSS剪力連接件多為大比例構(gòu)件，大構(gòu)件考慮尺寸效應(yīng)和群釘效應(yīng)等因素更能模擬出栓釘?shù)膶嶋H受力狀態(tài)。因此在設(shè)計PCSS剪力連接件推出試驗可參考大構(gòu)件構(gòu)造設(shè)計尺寸。

4 與現(xiàn)有計算理論的比較

當(dāng)計算PCSS剪力連接件極限承載能力時應(yīng)考慮在栓釘剪斷時破壞狀態(tài)下的計算方法。按照GB 50917—2013《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范》[13](以下簡稱“規(guī)范”)中單個栓釘連接件的抗剪承載能力計算，如式(1)：

(1)

影響承載力大小的因素由很多，學(xué)者們在對模型推導(dǎo)過程加入不同的影響參數(shù)，并對系數(shù)進(jìn)行修正。如薛偉辰等[14]在對剪力釘受剪試件進(jìn)行推出試驗中，考慮了鋼箱種類、混凝土材料等級及剪力釘直徑等不同參數(shù)影響，并根據(jù)試驗統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行線性回歸，推導(dǎo)出了當(dāng)栓釘剪斷破壞時，栓釘受剪承載能力的計算方法，如式(2)：

(2)

式中：Pu為栓釘受剪承載能力；λ為栓釘長度與直徑比值；As為栓釘截面積，mm2；fu為栓釘極限抗拉強(qiáng)度。

陳寶春等[15]在提出的修正公式中加入了剪力釘直徑與長度比值影響因素，如式(3)：

(3)

張庭杰[8]在上述受剪承載能力計算分析中考慮了沿構(gòu)件長度剪力釘數(shù)量的影響因素，并結(jié)合小比例PCSS剪力連接件試驗結(jié)果和有限元分析結(jié)果推導(dǎo)出極限承載力模型，如式(4)：

(4)

式中：λ為沿構(gòu)件長度剪力釘數(shù)量對承載能力影響大小，λ=1-[(n-1)/4(n+1)]，其中n為栓釘數(shù)量。

PCSS連接件采用的橋道板混凝土強(qiáng)度等級為C50，栓釘采用型號為Φ13 mm×80 mm的標(biāo)準(zhǔn)栓釘。分別采用不同計算方法求得的PCSS剪力連接件極限承載能力如表4。

表4 不同計算方法得到的極限抗剪承載力Table 4 The ultimate shear resistance capacity obtained by different calculation methods kN

從表4可看出：采用不同計算方法得到的極限抗剪承載能力大小值相差較大。PCSS剪力連接件試驗結(jié)果明顯高于規(guī)范計算的理論值，為規(guī)范中理論計算值的1.65倍，滿足了規(guī)范中所規(guī)定的單個栓釘應(yīng)具有1.25倍的安全承載能力儲備[13]。

式(2)計算出的承載能力值遠(yuǎn)小于試驗結(jié)果，式(2)模擬的是常規(guī)式栓釘連接件(栓釘豎向焊接在鋼梁上)，其PCSS連接件計算極限承載能力結(jié)果偏差較大，不適用PCSS剪力連接件；式(4)計算結(jié)果與試驗結(jié)果較為接近，雖然式(4)是對小比例PCSS連接件進(jìn)行的推出破壞試驗，考慮到群釘效應(yīng)影響，故認(rèn)為也適用于大比例PCSS剪力連接件的抗剪設(shè)計。

5 結(jié) 論

筆者研究了全裝配式PCSS剪力釘?shù)目辜羝茐男阅?；并制作了大比例PCSS組合結(jié)構(gòu)連接構(gòu)件，采用推出試驗方法對構(gòu)件進(jìn)行抗剪試驗研究，得到如下結(jié)論：

1)在本項目設(shè)計中使兩者沿長度方向錯位布置，鋼箱位置高于橋道板，便于施加荷載；為得到構(gòu)件加載的全過程，前期按荷載控制，后期采用位移控制加載；記錄界面兩者之間相對滑移量、試驗現(xiàn)象、壓力機(jī)加載力大?。?/p>

2)荷載-滑移曲線大致分為彈性階段、彈塑性階段、破壞階段。彈性階段：當(dāng)00.8Pu時，曲線變化平緩，構(gòu)件在荷載作用下界面上產(chǎn)生了較大的滑移，加速構(gòu)件破壞，直到栓釘剪斷，試驗停止；

3)小構(gòu)件受力性能較大構(gòu)件好，但是實際情況中PCSS剪力連接件多為大構(gòu)件形式，大構(gòu)件考慮尺寸效應(yīng)和群釘效應(yīng)等影響，更能模擬出栓釘?shù)膶嶋H受力狀態(tài)。因此在設(shè)計PCSS剪力連接件推出試驗可參考大構(gòu)件的構(gòu)造設(shè)計尺寸；

4)采用不同模型計算剪力連接件極限承載力方法的結(jié)果差距很大。參考小比例構(gòu)件承載能力的計算方法與實際試驗結(jié)果較符合，可為以后帶有PCSS剪力鍵的鋼-混組合結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。