基于鋼板-鋼管混合連接的木-混凝土組合梁推出試驗

史本凱,楊會峰,曹 航,肖 凱

(南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,江蘇 南京 211800)

木-混凝土組合結(jié)構(gòu)由底部的木梁/木樓板和上部的混凝土板通過剪力連接件組合而成。相較于純木樓板體系,木-混凝土組合結(jié)構(gòu)具有抗彎剛度大、承載力高等優(yōu)點,且可以明顯減緩木結(jié)構(gòu)的豎向振動、改善其隔音效果差的缺點[1-2]。在現(xiàn)有的工程應(yīng)用中,木-混凝土組合結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)樓板、組合樓梯和橋梁等工程中[3]。

木-混凝土組合梁的連接形式主要包括銷釘連接[4]、凹口榫-銷釘連接[5-6]和植鋼板連接[7]等。在實際工程中,木結(jié)構(gòu)構(gòu)件通常在工廠預(yù)制生產(chǎn),在施工現(xiàn)場進(jìn)行裝配。當(dāng)木結(jié)構(gòu)建筑采用木-混凝土組合樓板時,使用現(xiàn)澆混凝土樓板會增加施工工序、影響施工進(jìn)度,甚至可能存在漏漿問題,從而影響木結(jié)構(gòu)建筑的外觀。然而,上述銷釘、凹口榫-銷釘和植鋼板等傳統(tǒng)連接無法直接用于木梁和預(yù)制混凝土板的現(xiàn)場裝配。因此,近年來裝配式木-混凝土組合結(jié)構(gòu)的連接形式成為研究重點。Lukaszewska等[8]在傳統(tǒng)銷釘、凹口榫-銷釘和膠植鋼板連接的基礎(chǔ)上,提出了“灌漿”、“施膠”等“濕連接”的裝配方式。Crocetti等[9]和Zhang等[10]在混凝土板內(nèi)預(yù)埋木楔或者木銷,采用螺釘穿過木楔的方式實現(xiàn)木梁與混凝土板的裝配,這種連接性能與“木-木”連接類似,承載力和剛度較低。陶昊天等[11-12]在混凝土板內(nèi)預(yù)埋套管,采用傾斜螺釘和灌漿封堵實現(xiàn)了木梁和混凝土板的裝配,取得了較好的裝配承載力和剛度。上述學(xué)者雖然對裝配式木-混凝土組合梁的連接提出了各種探索,但是在施工工藝和連接性能等方面仍亟須完善,其長期性能也有待于進(jìn)一步的研究驗證。

剪力連接件的長期性能是衡量其組合性能的重要參考。在長期荷載作用下,木材會產(chǎn)生明顯的蠕變變形,而混凝土板也會產(chǎn)生徐變。因此,木-混凝土組合結(jié)構(gòu)的長期性能較單一材料構(gòu)件的長期性能更為復(fù)雜。現(xiàn)有的研究表明,除了材料本身的長期變形外,連接件的長期滑移也會導(dǎo)致木-混凝土組合結(jié)構(gòu)界面滑移持續(xù)增加、長期抗彎剛度的顯著下降[13-14]。此外,是否設(shè)置模板支撐、支模時間以及預(yù)制混凝土構(gòu)件等施工方法也會影響木-混凝土組合結(jié)構(gòu)的長期性能[15]。但是,關(guān)于預(yù)制裝配式連接件長期性能的研究還鮮有報道,亟須補(bǔ)充相關(guān)研究以推進(jìn)預(yù)制裝配式木-混凝土組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

筆者在課題組前期鋼板-螺釘連接研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步改進(jìn)其構(gòu)造設(shè)計,提出了鋼板-鋼管混合連接。通過短期推出試驗研究鋼板-鋼管混合連接的破壞模式、承載力和滑移剛度;通過長期加載試驗,分析長期荷載對其長期滑移和蠕變系數(shù)的影響;對長期加載后的推出試件進(jìn)行破壞性推出試驗,分析長期受荷歷史對鋼板-鋼管混合連接承載力和滑移剛度的影響。試驗結(jié)果表明,鋼板-鋼管混合連接具有較好的短期和長期性能,可應(yīng)用于裝配式木-混凝土組合結(jié)構(gòu)。

1 鋼板-鋼管混合連接

1.1 推出試件設(shè)計

筆者采用推出試驗分析木-混凝土組合梁鋼板-鋼管連接件的抗剪性能。木-混凝土組合梁鋼板-鋼管連接的構(gòu)造示意圖見圖1。推出試件采用對稱式構(gòu)造,木材的寬度為135 mm、混凝土板厚度為80 mm,如圖1所示?；炷涟孱A(yù)埋有開孔鋼板,鋼板通過開紋鋼管和螺母與膠合木連接。鋼管的實物照片見圖2,鋼管外徑為18 mm,壁厚為4 mm。推出試件每側(cè)設(shè)置6根鋼管,試件名稱為SP+6T。為了增強(qiáng)鋼板與混凝土板之間的錨固,鋼板預(yù)埋在混凝土的部分采用螺栓與兩塊角鋼相連，實物照片如圖1(b)所示。

1.2 材料

本試驗采用木材為花旗松膠合木。木材的平均密度為510 kg/m3,平均含水率為15.8%。參考現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《木結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50329—2012)[16],測得膠合木順紋方向的彈性模量為12 274 N/mm2,抗壓強(qiáng)度為29.6 MPa。參考規(guī)范ASTM D5764—97a[17],測得膠合木順紋方向的銷槽承壓強(qiáng)度為19.4 MPa。參考現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081—2019)[18],測得混凝土150 mm立方體試塊養(yǎng)護(hù)齡期28 d時的抗壓強(qiáng)度為37.0 MPa。本試驗中采用的鋼板、角鋼、鋼管和螺栓等鋼組件均為Q345鋼。

圖1 鋼板-鋼管連接的推出試件(單位:mm)

圖2 鋼管照片

2 短期推出試驗

2.1 試驗方法

鋼板-鋼管連接的推出試件的加載示意圖如圖3所示。試驗荷載由量程30 t的作動器提供?；炷涟迮c木材之間的相對滑移由編號P1～P4的位移計測得。為防止混凝土板因軸向受壓而向外側(cè)側(cè)滑或側(cè)翻,試驗前推出試件底部采用角鋼和螺桿進(jìn)行適當(dāng)約束,約束時保證角鋼不滑落即可。

圖3 推出試件加載示意圖

鋼板-鋼管連接的推出試驗參考規(guī)范EN 26891[19]進(jìn)行,采用的加載制度見圖4，每個試件的推出試驗在600～900 s時間范圍內(nèi)完成。加載前需對推出試件的承載力進(jìn)行預(yù)估,通過連接件的預(yù)估承載力Fest確定加載程序各加載階段的臨界值。本研究結(jié)合木材銷槽承壓試驗對試件SP+6T-1的承載力預(yù)估為200 kN,由于試件SP+6T-1的承載力試驗值略大于250 kN,所以試件SP+6T-2和SP+6T-3的預(yù)估承載力調(diào)整為250 kN。

ts—試驗停止時間(600～900 s)

通過推出試驗得到的典型的荷載-滑移曲線見圖5。由荷載-滑移曲線可以得到剪力連接件在不同荷載狀態(tài)下的滑移剛度,分別見式(1)—(3)所示。其中,K0.4為剪力連接件在正常使用狀態(tài)下的滑移剛度,K0.6和K0.8為分別為剪力連接件在極限狀態(tài)和接近破壞狀態(tài)時的滑移剛度。式(1)—(3)中的各物理量參考圖4和5確定。

(1)

需要注意的是，根據(jù)各地區(qū)路面檢測經(jīng)驗，冬季因凍深影響，無法對舊路彎沉進(jìn)行檢測?；炷谅访嬉蚧炷翞閯傂圆牧?，也不能進(jìn)行彎沉檢測[1]。

(2)

(3)

式中:s0.1和s0.4分別為連接件在第1個加載循環(huán)荷載為0.1Fest和0.4Fest對應(yīng)的相對滑移量;s24為連接件在第2個加載循環(huán)荷載為0.4Fest對應(yīng)的相對滑移量;s0.6和s0.8分別為連接件在第2個加載循環(huán)荷載為0.6Fmax和0.8Fmax對應(yīng)的相對滑移量。

圖5 典型的荷載-滑移曲線[19]

2.2 破壞模式

鋼板-鋼管連接的推出試件的破壞照片見圖6。從圖6(a)中可以看出,推出試件在加載后保持較好的完整性,膠合木塊與混凝土板之間無分離現(xiàn)象,膠合木也無破壞現(xiàn)象產(chǎn)生。如圖6(b)所示,鋼板發(fā)生了輕微的轉(zhuǎn)動變形,鋼管周圍的木材無劈裂破壞。從圖6(c)中可以發(fā)現(xiàn),加載后混凝土板表面出現(xiàn)明顯的裂縫,接近被壓碎。

2.3 極限承載力和相對滑移

鋼板-鋼管推出試件的荷載-滑移曲線如圖7所示,各試件的極限承載力和最大滑移見表1。由于每個推出試件由兩側(cè)的剪力連接件共同提供抗剪能力,因此表1中剪力件的承載力和滑移剛度為推出試件試驗結(jié)果的一半。如表1所示,剪力連接件的極限承載力Fmax達(dá)到了131.1 kN。極限承載力Fmax對應(yīng)的極限滑移smax約為10.4 mm。表1中還給出了鋼管-鋼板連接極限承載力和極限滑移的離散系數(shù),兩者的離散系數(shù)均較小,表明該種剪力連接件可提供穩(wěn)定的抗剪能力。

圖6 推出試件破壞照片

圖7 推出試件的荷載-滑移曲線

2.4 滑移剛度

鋼板-鋼管連接件在不同荷載階段的滑移剛度見表1。鋼板-鋼管連接在正常使用階段的滑移剛度K0.4約為45.9 kN/mm,在極限狀態(tài)和接近破壞狀態(tài)的滑移剛度分別為32.0和24.8 kN/mm,分別較初始狀態(tài)下降了約30%和46%。K0.6和K0.8的離散系數(shù)較大,這主要由試件SP+6T-1的剛度值過小導(dǎo)致。Zhu等[20]對裝配式鋼板-螺釘連接件的抗剪性能進(jìn)行研究,鋼板-螺釘連接件的極限承載力為87.1 kN,3個階段的滑移剛度分別為24.1、22.7和18.0 kN/mm。由此可以看出:采用鋼管代替螺釘后,裝配式鋼板類連接的承載力提高了約50%,滑移剛度提高了近一倍。

表1 剪力連接件短期推出試驗結(jié)果

3 長期加載試驗

3.1 長期試驗分組及試驗環(huán)境

推出試件的長期試驗考慮了2種荷載比的影響,加載量分別為25.5和51.0 kN,約為推出試件短期極限承載力的10%和20%。兩組試件分別命名為SP+6T-10和SP+6T-20,每組試驗設(shè)計3個重復(fù)試件。長期試驗中的推出試件與短期試件屬于同一加工批次。

長期試驗在南京工業(yè)大學(xué)木結(jié)構(gòu)恒溫恒濕實驗室進(jìn)行。環(huán)境相對濕度控制在60%±5%,溫度控制在(20±2) ℃。該試驗環(huán)境與Eurocode 5中木結(jié)構(gòu)使用環(huán)境等級1一致,代表木結(jié)構(gòu)建筑常見的使用環(huán)境[21]。長期加載持續(xù)了約470 d,加載期間試件周圍的環(huán)境溫濕度見圖8。從圖8中可以看出,第30～50天以及150 d前后,由于實驗室設(shè)備故障,長期試件周圍的溫濕度出現(xiàn)較大波動,其余時間段內(nèi)溫濕度均比較穩(wěn)定。

圖8 長期試驗期間推出試件周圍的環(huán)境溫濕度

3.2 加載裝置及測量方法

鋼板-鋼管混合連接的推出試件的長期加載示意圖見圖9。每種荷載比設(shè)計3個重復(fù)試件,3個試件采用串聯(lián)的方式進(jìn)行加載。為了減少堆載量,長期荷載采用杠桿裝置進(jìn)行加載,力臂比例為10∶1。長期加載裝置由曹航設(shè)計[22],類似的加載裝置在現(xiàn)有的文獻(xiàn)[23]中被證明具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。

圖9 長期加載示意圖 (單位：mm)

長期加載過程中,采用百分表測量推出試件界面處的相對滑移,測量實圖見圖10。百分表的測量精度為0.01 mm。百分表的架設(shè)位置與圖3中位移計的位置一致,均位于木材和混凝土板接觸面的中心位置處。加載第1天每小時記錄一次數(shù)據(jù),此后每天記錄一次數(shù)據(jù)。

圖10 百分表的架設(shè)位置

3.3 長期試驗結(jié)果分析

推出試件長期加載的滑移-加載時間曲線見圖11,不同時間節(jié)點的滑移增量和蠕變系數(shù)見表2,其中蠕變系數(shù)是指長期滑移相對于初始滑移的相對變形,由式(4)計算確定。長期試驗的初始變形由圖7中短期推出試驗的荷載-滑移曲線確定。

(4)

式中:Δs為不包含初始變形的長期相對滑移;s0為推出試件的初始相對滑移。

從圖11中可以看出,10%和20%荷載比情況下,推出試件的長期滑移呈現(xiàn)出類似的增長趨勢。從表2中可以看出,加載至470 d時,SP+6T-20組試件的長期滑移約是SP+6T-10組試件的長期滑移的1.2倍,兩者的蠕變系數(shù)分別為3.4和5.7。結(jié)合圖8中的環(huán)境溫濕度曲線,對圖11中長期滑移-時間曲線的波動解釋如下:1)30～50 d,由于濕度和溫度增加,木材的濕膨脹和熱膨脹對鋼管的約束增強(qiáng),導(dǎo)致一段時間內(nèi)推出試件的蠕變明顯放緩;2)50 d以后溫濕度趨于正常,但是較30～50 d范圍內(nèi)有明顯下降,導(dǎo)致推出試件的蠕變增加較快;3)第150天前后,由于溫度和濕度出現(xiàn)短暫的急劇下降,這種情況下木材的收縮會導(dǎo)致鋼管和木材之間產(chǎn)生較大的間隙,而且木材的收縮也釋放了鋼管上的螺母預(yù)緊力,因此在第150天左右推出試件的界面滑移增加明顯;4)150 d以后,隨著溫濕度趨于穩(wěn)定,推出試件的長期滑移無明顯波動,呈緩慢增長趨勢。

圖11 推出試件長期加載的滑移-加載時間曲線

表2 長期滑移Δs和蠕變系數(shù)

4 連接件長期加載后的推出試驗

4.1 試驗方法

第3節(jié)中的兩組推出試件在加載470 d后,將推出試件從長期加載裝置中取下,對其進(jìn)行破壞性推出試驗。加載裝置、加載程序及測量方法與2.1節(jié)中鋼板-鋼管混合連接件的短期推出試驗相同。

4.2 破壞模式

對于有長期受荷歷史的鋼板-鋼管連接的推出試件,其破壞性推出試驗照片見圖12。從圖12中可以看出:推出試件受長期加載后,對其進(jìn)行破壞性推出試驗,連接件仍然保持比較好的整體性,連接處的變形以鋼板的轉(zhuǎn)動變形為主,這與圖6中無受荷歷史的推出試件的破壞模式基本一致。但是,對比圖6(c)中短期試件的混凝土板開裂明顯,由于長期試件中混凝土板的養(yǎng)護(hù)齡期更長,圖12(c)中混凝土板的開裂較輕。

4.3 極限承載力和滑移剛度

鋼板-鋼管混合連接的推出試件受長期荷載作用后推出試驗的荷載-滑移曲線見圖13,試驗結(jié)果見表3所示。表3中連接件的承載力和滑移剛度均為推出試件單側(cè)鋼板-鋼管連接所提供的抗剪性能。

對比表2和3的試驗結(jié)果可以得出:1)鋼板-鋼管連接的推出試件受長期加載后,其極限承載力沒有下降,反而由于混凝土板養(yǎng)護(hù)齡期的增加,其承載力提升了約7%;2)長期加載歷史以及荷載比對鋼板-鋼管連接的抗滑移剛度也無明顯影響;3)SP+6T-20組個別試件滑移剛度較大,導(dǎo)致該組試件滑移剛度的離散系數(shù)較大,這主要由試件的材料個體差異導(dǎo)致的。

綜上所述,鋼板-鋼管連接在經(jīng)歷長達(dá)470 d的長期荷載作用后,其承載力和滑移剛度均無明顯下降,表明基于鋼板-鋼管混合連接的預(yù)制裝配式木-混凝土組合結(jié)構(gòu)連接體系具備較好的長期性能,具有較好的工程應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

1)鋼板-鋼管混合連接呈現(xiàn)出較高的承載力和滑移剛度,其極限承載力達(dá)到131.1 kN, 正常使用階段的滑移剛度為45.9 kN/mm。

2)推出試件破壞后,鋼板-鋼管混合連接表現(xiàn)出較好的整體性,連接處的變形以鋼板的輕微轉(zhuǎn)動為主,連接處木材和混凝土均無明顯破壞。

3)長期加載470 d后,10%荷載比試件的長期滑移和蠕變系數(shù)分別為0.897 mm和5.7;20%荷載比試件的長期滑移和蠕變系數(shù)分別為1.082 mm和3.4。

4)鋼板-鋼管混合連接在長期荷載作用470 d后,其極限承載力和各階段滑移剛度均無明顯下降,呈現(xiàn)出較好的長期性能,具有較好的應(yīng)用前景。