橡膠-剪力釘組合剪力連接件力學(xué)性能試驗(yàn)

黃彩萍，黃志祥，游文峰，楊德燦，楊 昌

(1. 湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068；2. 武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，目前我國(guó)高速鐵路橋梁、公鐵兩用橋梁和公路橋梁的建設(shè)已經(jīng)取得了巨大成就。組合結(jié)構(gòu)橋梁以其能充分發(fā)揮鋼與混凝土的優(yōu)良性能，且具有自重輕、跨度大、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，無疑是鐵路橋梁建設(shè)中的優(yōu)選橋型，且已在國(guó)內(nèi)外高速鐵路中被廣泛使用。在我國(guó)高速鐵路建設(shè)中，如蕪湖長(zhǎng)江大橋、大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋和天興洲長(zhǎng)江大橋等一批已建成的公鐵兩用橋梁均采用了組合結(jié)構(gòu)的形式[1,2]。法國(guó)Viaduc de l’arc橋、日本北陸新干線犀川橋和連接丹麥與瑞典的厄勒海峽大橋也均使用了組合結(jié)構(gòu)[3～6]。

目前在鐵路或公鐵兩用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋中，普遍采用剪力釘作為鋼與混凝土連接部位的剪力連接件[7]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)剪力釘?shù)撵o力行為進(jìn)行了大量研究，但大部分是針對(duì)單枚剪力釘?shù)目辜魪?qiáng)度、荷載-滑移曲線及剪切剛度等受力性能進(jìn)行分析，針對(duì)群釘?shù)难芯枯^少。在實(shí)際工程中，剪力釘是以群釘?shù)姆绞皆O(shè)計(jì)和布置的，群釘受力具有明顯的不均勻性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，由于群釘受力不均勻性而造成了極限承載力下降，與單釘極限承載力不再呈倍數(shù)關(guān)系[8～10]，所以改善群釘?shù)氖芰Σ痪鶆蛐允钟斜匾?/p>

國(guó)內(nèi)外學(xué)者為改善群釘受力不均性進(jìn)行了一些研究，并取得了一定的研究成果。文獻(xiàn)[11]通過推出試驗(yàn)對(duì)鋼-彈性混凝土組合結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行研究分析，結(jié)果表明：鋼混界面剛度降低，可顯著改善群釘受力不均勻性；文獻(xiàn)[12～14]等通過推出試驗(yàn)和有限元仿真計(jì)算的方法對(duì)帶有橡膠套的單枚剪力釘進(jìn)行了研究分析，結(jié)果表明：通過在單枚剪力釘端部外包橡膠套，可以降低剪力釘?shù)目辜魟偠?，從而為降低?混界面剪力分布不均勻程度提供了一種方法。上述研究成果對(duì)改善群釘受力不均勻性的研究有一定的參考價(jià)值，但上述文獻(xiàn)所提出的橡膠-剪力釘組合剪力連接件(以下簡(jiǎn)稱橡膠-剪力釘)以群釘形式進(jìn)行使用的具體效果，無論是在工程上還是學(xué)術(shù)科研上未見報(bào)道，故需要深入研究。

本文基于推出試驗(yàn)，從橡膠套設(shè)置變化導(dǎo)致剪力釘荷載-滑移規(guī)律的變化著手，分別對(duì)1組普通剪力釘群和5組設(shè)置不同厚度和高度橡膠套的橡膠-剪力釘群進(jìn)行了推出試驗(yàn)，測(cè)試豎向荷載作用下剪力釘群的相對(duì)滑移量，得到荷載滑移曲線、極限承載力、各構(gòu)件的破壞情況。同時(shí)，進(jìn)一步驗(yàn)證橡膠套的設(shè)置方式對(duì)剪力釘群的極限承載力及抗剪剛度的影響規(guī)律，探討橡膠套的最優(yōu)設(shè)置方式，為該類橡膠-剪力釘組合剪力連接件中橡膠的設(shè)置和應(yīng)用提供試驗(yàn)和理論參考。

1 群釘推出試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

本文選取4排×2列的剪力釘(直徑為22 mm、長(zhǎng)度200 mm)布置制作成6組(每組3個(gè)，共18個(gè))群釘推出試件。6組推出試件包括1組普通剪力釘群試件和5組橡膠-剪力釘群試件。每個(gè)試件均由一個(gè)高660 mm、厚度24 mm的工字型鋼，2個(gè)600 mm×615 mm×260 mm混凝土塊，16個(gè)剪力釘組成，混凝土塊按照構(gòu)造配置豎向鋼筋和橫向箍筋，試件構(gòu)造如圖1所示，測(cè)試試件分組及橡膠套設(shè)置情況如表1所示。

圖1 模型試件及測(cè)點(diǎn)布置/mm

試件制作過程中先在工廠完成剪力釘與工字型鋼的焊接工作，然后在剪力釘根部外包橡膠材料并固定，接著綁扎鋼筋并支護(hù)模板，澆筑混凝土，鋼與混凝土保持自然粘結(jié)，混凝土澆筑后在室外自然條件下養(yǎng)護(hù)，試件制作過程如圖2所示?；炷敛捎肅50(實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度為58.1 MPa)，鋼板材質(zhì)為Q345D鋼材，剪力釘材質(zhì)為ML15，橡膠材料耐熱、耐寒性好，無毒環(huán)保，撕裂強(qiáng)度為18 MPa，邵氏硬度為55A。

表1 測(cè)試試件分組

圖2 試件制作過程

1.2 測(cè)點(diǎn)布置與加載

剪力釘群推出試驗(yàn)主要測(cè)試鋼-混界面滑移量來獲取其力學(xué)性能指標(biāo)，因此在試件重心的四周分別設(shè)置1個(gè)百分表，如圖1所示。推出試驗(yàn)在MTS-6000試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，為保證試件底部均勻受力，在試件底部設(shè)置細(xì)砂和橡膠墊。試驗(yàn)前對(duì)試件進(jìn)行多次預(yù)壓，預(yù)壓荷載約為推出試件預(yù)計(jì)承載力的40%。正式加載時(shí)，保持加載速度均勻緩慢，試驗(yàn)采用分級(jí)加載，在0～1800 kN之間，荷載增量為200 kN，加載達(dá)到1800 kN后，荷載增量為100 kN，直至試件破壞。每級(jí)荷載加載持續(xù)時(shí)間為3～5 min，每級(jí)加載后和下一級(jí)加載前，各進(jìn)行1次百分表讀數(shù)，試驗(yàn)加載情況如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)加載

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞形態(tài)

(1)普通群釘試件的破環(huán)形態(tài)

1)3個(gè)普通剪力釘群試件在接近破環(huán)時(shí)，鋼-混凝土結(jié)合面底部混凝土出現(xiàn)剝落，混凝土外側(cè)底部出現(xiàn)縱向裂紋并向上延伸；達(dá)到極限荷載時(shí)，試件發(fā)出“砰”的一聲，剪力釘被剪斷，荷載開始下降，接著2～3次響聲，陸續(xù)有剪力釘被剪斷；普通群釘試件的破壞形態(tài)均為剪力釘被剪斷。

2)試驗(yàn)完成后，將剪力釘取出，普通剪力釘只在根部較小范圍內(nèi)發(fā)生彎曲。

(2)橡膠-剪力釘組合剪力連接件的群釘試件的破環(huán)形態(tài)

1)5組(共15個(gè))橡膠-剪力釘群釘試件的破壞形態(tài)同樣為剪力釘被剪斷，部分試件混凝土外側(cè)也出現(xiàn)縱向裂縫，但裂縫長(zhǎng)度及寬度較普通剪力釘試件小，裂縫發(fā)展較為緩慢，部分試件混凝土外側(cè)沒有出現(xiàn)縱向裂縫。圖4示出了在相同荷載作用下，橡膠-剪力釘群試件和普通剪力釘群試件裂縫發(fā)展情況。

圖4 混凝土裂縫發(fā)展

2)試驗(yàn)完成后，將剪力釘和橡膠材料取出，如圖5所示。剪力釘根部橡膠材料被壓裂，高度為50 mm的橡膠套斷裂長(zhǎng)度約為40 mm，高度為100 mm和150 mm的橡膠材料斷裂長(zhǎng)度約為50 mm，說明橡膠套在距離剪力釘根部約1/4釘長(zhǎng)范圍內(nèi)承受較大壓力。

圖5 橡膠-剪力釘破壞形態(tài)

3)橡膠-剪力釘彎曲長(zhǎng)度較普通剪力釘大，普通剪力釘僅在其根部較小范圍內(nèi)發(fā)生彎曲，而橡膠-剪力釘彎曲長(zhǎng)度約為橡膠套的長(zhǎng)度。

4)對(duì)比試件SRS1，SRS2，SRS3，SRS4中剪力釘?shù)淖冃?，橡膠套厚度越大，長(zhǎng)度越大，試件破壞時(shí)剪力釘?shù)膹澢潭仍酱蟆?/p>

2.2 極限承載力

現(xiàn)將本次剪力釘群推出試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)代入Eurocode-4、AASHTO LRFD和我國(guó)的GB 50017—2017三種規(guī)范中的剪力釘承載力計(jì)算公式，分別得到其抗剪承載力設(shè)計(jì)值，如表2所示。

表2 抗剪承載力 kN

從表2中可以看出：

(1)本次3個(gè)普通剪力釘群推出試件的極限抗剪承載力平均值為2067 kN，平均到單個(gè)剪力釘?shù)目辜舫休d力為129 kN，略大于我國(guó)規(guī)范和Eurocode-4規(guī)定的計(jì)算值，小于AASHTO LRFD規(guī)定的計(jì)算值。

(2)本次試驗(yàn)中的4組(共12個(gè)，SRS1～SRS4)橡膠-剪力釘群推出試件所得到的單個(gè)剪力釘?shù)目辜舫休d力大于或接近規(guī)范規(guī)定的計(jì)算值。

(3)試件SRS1～SRS4(四排剪力釘根部均設(shè)置橡膠套)的極限抗剪承載力均大于試件S1(普通剪力釘群)的極限抗剪承載力；試件SRS5(只在第一排剪力釘根部設(shè)置橡膠套)的極限抗剪承載力幾乎沒有提高。

(4)對(duì)比試件SRS1(橡膠套長(zhǎng)度為50 mm)、SRS2(橡膠套長(zhǎng)度為100 mm)、SRS3(橡膠套長(zhǎng)度為150 mm)，橡膠套厚度均為4mm，SRS2極限抗剪承載力最高，說明在本次試驗(yàn)結(jié)果中橡膠套長(zhǎng)度為100 mm(約為剪力釘長(zhǎng)度的一半)時(shí)最為合適。

(5)對(duì)比試件SRS2(橡膠套厚度為4 mm)和SRS4(橡膠套厚度為2 mm)，橡膠套長(zhǎng)度均為100 mm，兩組試件得到的極限抗剪承載力幾乎相同，說明在本次試驗(yàn)結(jié)果內(nèi)橡膠套厚度為2 mm較為合適，繼續(xù)增加橡膠套厚度對(duì)釘群抗剪強(qiáng)度幾乎沒有影響。

2.3 荷載-滑移曲線

推出試驗(yàn)時(shí)，在試件重心的四周分別設(shè)置1個(gè)百分表位移測(cè)點(diǎn)，本次試驗(yàn)對(duì)每個(gè)推出試件的4塊百分表所測(cè)得到的滑移量取平均值，分別得到18個(gè)試件平均滑移量隨荷載變化的曲線，如圖6所示。

從圖6中可以看出：

(1)普通剪力釘群試件的荷載-滑移曲線由彈性上升階段和塑性上升階段兩部分組成。在彈性階段，荷載與位移之間呈線性關(guān)系，該階段滑移量較小，剪力釘表現(xiàn)出較大的剪切剛度，最大彈性荷載約為極限荷載的50%左右。達(dá)到最大彈性荷載后，剪力釘進(jìn)入塑性階段后，曲線出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折段，剪力釘剛度在該階段開始明顯減小。

(2)橡膠-剪力釘群試件SRS1～SRS4的荷載-滑移曲線在荷載為1400～1600 kN范圍時(shí)，曲線有突變，不再平滑，這是由于橡膠為超彈性材料，給剪力釘提供了較大的彈性支撐，使得單枚的剪力釘受力趨于均勻，群釘試件的極限承載力由此得到了提高；隨著剪力釘根部橡膠被壓斷，混凝土與剪力釘根部開始接觸，當(dāng)荷載進(jìn)一步加大，與剪力釘接觸的混凝土開始破裂，橡膠-剪力釘群試件SRS1～SRS4進(jìn)入塑性階段直至破環(huán)。

(3)僅在第一排剪力釘設(shè)置橡膠套的試件SRS5的荷載-滑移曲線與普通剪力釘群試件S1的荷載-滑移曲線趨勢(shì)基本一致，說明只在第一排剪力釘設(shè)置橡膠套對(duì)群釘?shù)氖芰Σ痪鶆蛐詻]有改善。

2.4 剪切剛度

本文以鋼-混凝土界面相對(duì)滑移達(dá)到0.2 mm時(shí)的荷載-滑移曲線的割線斜率作為剪力釘群的抗剪剛度，對(duì)于普通剪力釘，該處所對(duì)應(yīng)的剪力約為極限承載力的45%，近似位于荷載-滑移曲線線性與非線性分界處[15,16]。各組試件抗剪剛度平均值如表3所示，其中μ為每組3個(gè)試件抗剪剛度平均值與3個(gè)普通剪力釘群試件抗剪剛度平均值之比，反映了橡膠套的設(shè)置對(duì)群釘抗剪剛度的影響。由表3可知，在四排剪力釘均設(shè)置橡膠套的群釘試件抗剪剛度相對(duì)于普通剪力釘群有23%～34%的下降，在單排剪力釘設(shè)置橡膠套對(duì)群釘試件的抗剪剛度幾乎沒有影響。

圖6 測(cè)試試件荷載-滑移曲線

表3 抗剪剛度

圖7反映了橡膠套尺寸對(duì)群釘試件(四排剪力釘均外包橡膠套)抗剪剛度的影響。橡膠套厚度為4 mm時(shí)，橡膠套長(zhǎng)度對(duì)群釘抗剪剛度的影響如圖7a所示，剪力釘根部外包50，100，150 mm橡膠套的群釘試件抗剪剛度分別為普通剪力釘群的77%，67%，66%。當(dāng)橡膠套長(zhǎng)度為100 mm時(shí)，橡膠套厚度對(duì)群釘抗剪剛度的影響如圖7b所示，外包2 mm橡膠套的群釘試件抗剪剛度為普通剪力釘群試件的72%，橡膠套厚度增加至4 mm時(shí)，群釘抗剪剛度為普通剪力釘群試件的67%。

圖7 橡膠套尺寸對(duì)群釘抗剪剛度的影響

2.5 橡膠-剪力釘抗剪承載力公式推導(dǎo)

Oehlers等在文獻(xiàn)[17]中提出的普通剪力釘群中單個(gè)剪力釘?shù)臉O限承載力計(jì)算公式為：

1052 Effectiveness of neuromuscular electrical stimulation combined with swallowing training for dysphagia after acute ischemic stroke

(1)

式中：K=4.1+n-1/2，n為剪力釘根數(shù)；Es為剪力釘彈性模量。

式(1)綜合考慮了剪力釘及混凝土的材性。基于本次試驗(yàn)結(jié)果，橡膠對(duì)橡膠-剪力釘群極限承載力的主要影響為橡膠套的長(zhǎng)度。因此，以式(1)為基礎(chǔ)，考慮橡膠套長(zhǎng)度，可以推導(dǎo)得到橡膠-剪力釘群中單個(gè)剪力釘?shù)臉O限抗剪承載力計(jì)算公式的一般表達(dá)式為：

(2)

式中：φ(h)為相關(guān)函數(shù)；h為橡膠套長(zhǎng)度與剪力釘長(zhǎng)度的比值。

結(jié)合本次試驗(yàn)結(jié)果，以式(1)為基礎(chǔ)，進(jìn)行非線性回歸分析，得到式(2)中φ(h)的表達(dá)式為：

φ(h)=3.14-2.5h2+2.3h

(3)

將本文所得經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出的橡膠-剪力釘群中單個(gè)剪力釘?shù)臉O限承載力與試驗(yàn)值列于表4進(jìn)行對(duì)比。

表4 極限承載力對(duì)比

由表4可知本文經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，誤差小于5%。

3 結(jié) 論

通過1組普通剪力釘群和5組橡膠-剪力釘群推出試驗(yàn)，對(duì)橡膠-剪力釘組合剪力連接件以群釘形式進(jìn)行使用的受力性能進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

(2)橡膠有較大的彈性，使得單枚剪力釘受力趨于均勻，所以橡膠-剪力釘群試件的極限抗剪承載力均大于普通剪力釘群極限抗剪承載力。

(3)通過設(shè)置橡膠，使得剪力釘群的抗剪剛度有23%～34%的下降，從而改善了剪力釘群受力不均勻性，達(dá)到提高極限承載力的目的。

(4)橡膠套的長(zhǎng)度對(duì)橡膠-剪力群的極限承載力會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，而橡膠套厚度的增加對(duì)群釘?shù)臉O限承載力幾乎沒有影響?；诒敬卧囼?yàn)，結(jié)合剪力釘群相關(guān)研究成果，推導(dǎo)了橡膠-剪力釘群中單個(gè)剪力釘?shù)臉O限承載力公式，為該類橡膠-剪力釘組合剪力連接件中橡膠的設(shè)置和應(yīng)用提供了試驗(yàn)和理論參考。