鋼-混凝土組合螺栓連接件極限強度及剪力-位移關(guān)系

蔣洪波 邱洪興 楊 原 孫 建 方 強

(東南大學混凝土及預應力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室，南京 211189)

裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)大多使用濕式接縫來實現(xiàn)相鄰剪力墻的連接[1].相對于濕式接縫，干式接縫可更大程度地避免現(xiàn)場濕作業(yè)，進一步提高施工效率[2].作為干式連接方式，高強度螺栓具有施工方便、性能可靠、施工勞動強度低等諸多優(yōu)點，已廣泛應用于鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)[3]、結(jié)構(gòu)加固改造[4]、裝配式混凝土結(jié)構(gòu)[5-7]中.Sun等[8]提出了一種干式連接全裝配式RC剪力墻，采用高強度螺栓、連接鋼框?qū)⑸舷聦宇A制墻板連接起來，形成有效的抗側(cè)力結(jié)構(gòu).用于裝配式剪力墻水平接縫的鋼-混凝土組合螺栓(SCCB)連接件的高強度螺栓長度較長，且含有混凝土部分，與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)中的高強度螺栓連接不同.文獻[6, 9]指出，將SCCB連接件用于裝配式剪力墻水平接縫，傳力路徑明確，可實現(xiàn)相鄰上下層預制混凝土墻板之間的干式連接，且高強度螺栓的滑移對剪力墻延性會產(chǎn)生一定影響.

螺栓連接件的受力過程是包含材料非線性的復雜問題[10].螺栓連接件的相關(guān)研究大多只關(guān)注其抗剪承載力，關(guān)于剪力-位移關(guān)系的研究則相對較少[11-13].目前，螺栓連接件的剪力-位移關(guān)系模型可分為多折線模型和經(jīng)驗方程模型2類.多折線模型的相關(guān)特征點均需要通過試驗擬合得到[14-16]，應用范圍受到限制.經(jīng)驗方程模型則通過一定數(shù)量的試驗、有限元分析研究，回歸得到經(jīng)驗方程，以此反映螺栓連接件的性能[17-19].徐建設等[17]利用有限元方法，對單個螺栓的抗剪連接進行參數(shù)分析，給出了螺栓孔壁變形的近似公式.Rex等[18]對單個螺栓搭接連接件進行了試驗和有限元分析研究，獲得了基于初始剛度的剪力-位移關(guān)系.Liu等[19]通過試驗和有限元分析研究了用于組合梁的HSFGB抗剪連接件，回歸得到三階段剪力-位移關(guān)系.孔杰等[20-21]借鑒鋼結(jié)構(gòu)的連接方式，對用于裝配式剪力墻的SCCB連接件進行了試驗研究.

本文借鑒傳統(tǒng)螺栓連接件提出了SCCB連接件極限強計算方法，并對連接件破壞模式進行預測.考慮連接件含有內(nèi)嵌混凝土、栓桿較長的特點，對Rex模型[18]和Liu模型[19]進行修正，并與試驗結(jié)果進行對比.

1 單調(diào)拉伸試驗

1.1 試件設計

本試驗制作了11個SCCB連接件試件，并對其進行單調(diào)拉伸試驗.試件原型取自水平接縫采用螺栓連接的全裝配式RC剪力墻[8-9]，考慮到裝配式剪力墻水平接縫的對稱性，試件尺寸為原型尺寸的1/2，兩端焊接帶加勁肋夾板來保證加載端剛度(見圖1).典型的SCCB連接件由高強度螺栓、連接鋼框(蓋板)、內(nèi)嵌邊框(芯板)及其內(nèi)部填充混凝土3個部分構(gòu)成.圖中，t1、t2、tc分別為芯板、蓋板和混凝土厚度.

(a) 試件原型及試件尺寸(單位：mm)

(b) 試驗照片

試件的主要設計參數(shù)詳見表1.各試件的蓋板螺孔與芯板螺孔直徑相同，試件B1～B3為基準試件，研究參數(shù)包括螺栓直徑、螺栓預拉力、混凝土強度和蓋板厚度.在試件制作過程中預留了鋼板[22]、混凝土[23]試樣，材料性能分別見表2和表3，設計細節(jié)參見文獻[20-21, 24].表中，dbt為栓桿直徑；P為預拉力；d0為孔徑；fy為鋼板屈服強度；fs為鋼板抗拉強度；fcu為混凝土立方體抗壓強度；fc為混凝土軸心抗壓強度.

表1 試件主要設計參數(shù)

表2 鋼板力學性能

表3 混凝土力學性能

1.2 試驗破壞模式和極限強度

各試件的極限強度和破壞模式分別見圖2和表4.分析可知，試件G1-1、G4-1、G4-2發(fā)生栓桿剪斷破壞，破壞均發(fā)生在峰值點，呈脆性破壞；其余試件均發(fā)生孔壁擠壓破壞，剪力-位移曲線存在明顯的下降段，呈延性破壞[21, 24].受加載設備的限制，試件B1未加載至破壞.

(a) 典型的孔壁擠壓破壞(試件B3)

(b) 典型的栓桿剪斷破壞(試件G1-1)

(c) 破壞時的翹曲現(xiàn)象(試件B3)

表4 試驗結(jié)果與理論結(jié)果對比

試驗過程中，除試件G1-1、G4-1、G4-2外，其余試件均發(fā)生翹曲現(xiàn)象(見圖2(c)).翹曲是鋼板沿板厚方向發(fā)生的平面外變形，當連接鋼板相對較薄、端距過大時，螺栓連接件會出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象.目前對翹曲現(xiàn)象的研究并不充分，通常認為該現(xiàn)象是由孔壁擠壓帶來的局部屈曲造成的.Kim等[25]認為翹曲會造成螺栓連接件承載力降低，因此本文在計算極限強度時考慮了翹曲的影響.在實際設計中，翹曲可通過最大容許端距[26]來予以避免.

2 極限強度計算方法

2.1 極限強度計算

當栓桿直徑較粗且蓋板相對較薄時，蓋板孔壁在栓桿擠壓作用下產(chǎn)生較大的應力，進而發(fā)生塑性變形，導致螺栓孔被拉長，SCCB連接件破壞.借鑒傳統(tǒng)螺栓連接件的計算方法，發(fā)生孔壁擠壓破壞時的承載力常采用下式計算：

Fbr=KCdbt∑t2fu

(1)

式中，C為承壓系數(shù)，不同規(guī)范和研究[11, 13, 27]對其取值略有不同，本文取Teh等[13]的建議值3.5；K為翹曲縮減系數(shù)，針對SCCB連接件取K=0.7[21]；∑t2為受力方向的蓋板總厚度；fu為蓋板抗拉強度.需要指出的是，試驗中為測量螺栓的預拉力變化，將鋼套筒置于螺栓頭和螺母下；翹曲發(fā)生時，對于直徑為16、20、24 mm的栓桿，鋼套筒外徑分別為30、34、36 mm.

當栓桿直徑較細而蓋板相對較厚時，可能發(fā)生栓桿剪斷破壞.考慮到高強度螺栓在受剪的同時還受到軸向預拉力，需要考慮拉剪耦合作用對螺栓的影響[26, 28-29]，得到

(2)

SCCB連接件的極限強度取Fbr、Fs二者中較小值，即

Vcal=min(Fbr,Fs)

(3)

式(3)中較小值對應的破壞模式即為連接件預測破壞模式.

2.2 計算值與試驗值對比

采用2.1節(jié)方法對各SCCB連接件試件的極限強度和破壞模式進行計算，結(jié)果見表4.試驗值與計算值比值的均值、標準差、變異系數(shù)分別為1.03、0.092、0.089，極限強度的計算值與試驗值吻合較好.通過對比破壞模式可知，所提方法可較準確地預測SCCB連接件的破壞模式.

相較于基準試件，試件G3-1、G3-2的混凝土立方體抗壓強度提高了126%，極限強度僅提高16%～30%.相對于混凝土抗壓強度的提高程度而言，試件極限強度提高程度較小，計算方法中未考慮混凝土強度對連接件極限強度的影響.實際上，在組合梁的螺栓抗剪連接件研究中[19, 31]，混凝土強度也表現(xiàn)出對極限強度較小的影響作用.

對于多數(shù)螺栓連接件剪力-位移關(guān)系模型，極限強度的獲得是關(guān)系模型的基礎.將極限強度代入經(jīng)驗方程，考慮相關(guān)影響因素，便可得到相應的關(guān)系模型[17-19].

3 SCCB連接件剪力-位移關(guān)系模型

3.1 簡化模型

與傳統(tǒng)螺栓連接件類似，SCCB連接件的剪力-位移(V-Δ)曲線均表現(xiàn)出顯著的階段性和非線性.參考Ungkurapinan等[32]提出的螺栓連接件簡化模型，SCCB連接件的剪力-位移曲線可簡化為彈性階段、滑移階段和滑移后階段3個階段(見圖3).由圖可知，剪力-位移曲線含有滑移起始點(A點)、承壓起始點(B點)、峰值點(C點)3個特征點.

SCCB連接件發(fā)生孔壁擠壓破壞和栓桿剪斷破壞時的剪力-位移曲線具有較大差別[21].發(fā)生栓桿剪斷破壞的SCCB連接件變形能力較弱.試驗中，多數(shù)試件發(fā)生了孔壁擠壓破壞，因此本文提出的剪力-位移關(guān)系模型未涉及栓桿剪斷破壞試件G1-1、G4-1和G4-2.

圖3 SCCB連接件簡化剪力-位移曲線

3.2 彈性階段和滑移階段

栓桿與孔壁接觸前，外荷載僅由摩擦作用承擔.在彈性階段，連接件剛度較大.突破靜摩擦力后，連接件開始發(fā)生滑移.蓋板與芯板之間的摩擦力為[26]

VA=nfμP

(4)

式中，μ為摩擦面的抗滑移系數(shù)，取μ=0.4.

在滑移階段，連接件的滑動使得栓桿發(fā)生彈性變形，摩擦力出現(xiàn)一定程度的提高[3, 7].根據(jù)試驗結(jié)果，承壓起始點剪力為

VB=1.3VA

(5)

理想狀況下，高強度螺栓位于螺孔形心，承壓起始點(B點)的位移與蓋板孔徑、芯板孔徑、栓桿直徑有關(guān)，即

(6)

式中，dc為蓋板的螺孔直徑；din為芯板的螺孔直徑.本試驗中，芯板與蓋板的螺孔直徑相同，即din=dc=d0.實際上，試驗過程中螺桿在螺孔中的位置是隨機的，較難實現(xiàn)式(6)的理想狀況.在已有的螺栓連接件試驗中，該隨機現(xiàn)象較為常見[7, 19].為更好地對比模型曲線與試驗曲線，本文中各試件的ΔB通過試驗曲線并結(jié)合試驗現(xiàn)象確定.

3.3 滑移后階段

3.3.1 修正Rex模型

SCCB連接件滑移ΔB后，栓桿與芯板、蓋板的孔壁接觸，連接件傳力依賴孔壁擠壓作用.已有的傳統(tǒng)螺栓連接件研究和SCCB連接件試驗均表明[18, 24-25]，螺栓擠壓孔壁后，連接板的物理、幾何特性對連接件剛度產(chǎn)生影響.Rex等[18]以初始剛度為媒介，回歸得到螺栓連接件發(fā)生孔壁擠壓破壞時的剪力-位移關(guān)系模型(簡稱Rex模型)，初始剛度計算公式為

(7)

式中，kbr、kb、kv分別為蓋板的擠壓剛度、彎曲剛度和剪切剛度，且

(8)

(9)

(10)

式中，Ep為蓋板的彈性模量；Gp為蓋板的剪切模量；le為端距.

與傳統(tǒng)螺栓連接件不同的是，SCCB連接件中的高強度螺栓擁有較長的栓桿.前期裝配式剪力墻試驗和有限元分析均表明，SCCB連接件中的高強度螺栓在受力過程中會發(fā)生彎曲變形[8]，需考慮栓桿彎曲變形，對初始剛度進行修正.如圖4所示，栓桿剛度與蓋板剛度串聯(lián).文獻[19,21]指出，混凝土強度對螺栓連接件剛度具有提高作用，本文引入影響系數(shù)D來考慮混凝土強度的影響，其計算公式為

(11)

式中，kbt為螺栓的彎曲剛度，表示螺栓末端發(fā)生單位位移時的連接件拉力.對于混凝土強度為C50的試件G3-1、G3-2，取D=5.0；其他試件取D=1.0.

圖4 SCCB連接件在滑移后階段的初始剛度組成

SCCB連接件中的高強度螺栓可看作兩端外伸的簡支梁(見圖5).根據(jù)試驗結(jié)果，懸臂梁的支座取混凝土部分的邊緣位置，并將蓋板與栓桿之間的擠壓力簡化為三角形分布荷載，δbt為荷載作用下螺栓頭的位移.

圖5 螺栓彎曲變形的受力簡圖

螺栓彎曲剛度kbt可根據(jù)結(jié)構(gòu)力學計算得到，即

(12)

式中，Ebt為螺栓的彈性模量；Ibt為栓桿的截面慣性矩.

將初始剛度代入Rex模型，得到SCCB連接件滑移后階段的曲線方程為

(13)

式中

(14)

式中，β為鋼筋修正系數(shù)，對于典型鋼筋取β=1.0[18]；Vcal可根據(jù)式(1)～(3)獲得.將式(14)中的kSCCB替換為式(7)中的k，即為原Rex模型[18].

3.3.2 修正Liu模型

為降低橋梁的全壽命周期成本，Liu等[19]將高強度螺栓用于裝配式組合梁中，將其作為抗剪連接件來保證混凝土板與型鋼梁的共同工作.借鑒傳統(tǒng)抗剪栓釘預埋件的剪力-位移關(guān)系，Liu等[19]提出了一種用于描述連接件受剪過程的剪力-位移關(guān)系模型(簡稱Liu模型)，栓桿頂緊孔壁后的剪力-位移關(guān)系可描述為

V=VB+(Vcal-VB)(1-e-0.005fc(Δ-ΔB))0.8

(15)

由式(15)可知，混凝土軸心抗壓強度fc會影響連接件的剛度，但對極限強度沒有影響，這與SCCB連接件類似[21].不同之處在于，SCCB連接件的混凝土外有芯板包裹，對芯板內(nèi)混凝土形成一定約束.因此，需要對Liu模型進行修正.針對SCCB連接件，考慮芯板對混凝土強度的提高作用，修正模型將式(15)中的混凝土軸心抗壓強度fc替換為1.5fc.

3.4 模型曲線與試驗曲線對比

將試驗曲線、Rex模型曲線、修正Rex模型曲線、Liu模型曲線、修正Liu模型曲線繪制于圖6.由圖可知，對于芯板內(nèi)填C30混凝土的試件，Rex模型曲線均高于試驗曲線，Liu模型曲線均低于試驗曲線，表明未考慮栓桿變形的Rex模型會高估連接件的初始剛度，而未考慮芯板對混凝土約束作用的Liu模型則低估了連接件剛度.考慮SCCB連接件特點的修正模型可更好地反映SCCB連接件的剪力-位移關(guān)系，與試驗曲線吻合較好.修正Liu模型的表達形式簡單，其指數(shù)函數(shù)的表達形式在組合梁抗剪連接件中應用廣泛[19, 33]，在后續(xù)研究中可對該修正模型做進一步研究.

試件G3-1和G3-2的混凝土強度為C50，模型曲線均低于試驗曲線(見圖6(h)和圖6(i))，這可能是由于極限強度計算中未考慮混凝土強度影響造成的.本試驗中，內(nèi)填混凝土強度為C50的試件較少，需要進行進一步試驗和有限元分析，以研究不同強度混凝土對SCCB連接件的影響.

(a) B1

(b) B2

(c) B3

(d) G1-1

(e) G1-2

(f) G2-1

(g) G2-2

(h) G3-1

(i) G3-2

(j) G4-1

(k) G4-2

4 結(jié)論

1) 典型的鋼-混凝土組合螺栓連接件由高強度螺栓、連接鋼框(蓋板)、內(nèi)嵌邊框(芯板)及其內(nèi)部填充混凝土構(gòu)成.SCCB連接件單調(diào)拉伸試驗中出現(xiàn)了孔壁擠壓破壞與栓桿剪斷破壞2種破壞模式，且多數(shù)試件發(fā)生翹曲現(xiàn)象，孔壁擠壓破壞變形能力較好.

2) 針對孔壁擠壓破壞和栓桿剪斷破壞，借鑒傳統(tǒng)螺栓連接件的計算方法，并考慮蓋板翹曲影響，得到SCCB連接件極限強度的計算方法.該方法可較準確地反映連接件在單調(diào)荷載作用下的極限強度和破壞模式.

3) 將SCCB連接件的剪力-位移關(guān)系曲線劃分為3個階段：彈性階段、滑移階段和滑移后階段.在滑移后階段，已有螺栓連接件經(jīng)驗模型并不能很好地反映孔壁擠壓破壞試件的受力過程，結(jié)合連接件的自身特點對2種剪力-位移關(guān)系模型進行修正.2種修正模型的剪力-位移曲線與試驗結(jié)果吻合良好.