竹-混凝土組合結構螺釘剪力連接件推出試驗研究*

俞　宏　吳文清　張立志　車慧敏

(江蘇省南京市交通運輸局1)　南京　210008)　(東南大學交通學院2)　南京　210096)

(江蘇省交通規劃設計院股份有限公司3)　南京　210005)

(中國市政工程西北設計研究院有限公司江蘇分院4)　南京　210019)

竹-混凝土組合結構螺釘剪力連接件推出試驗研究*

俞宏1)吳文清2)張立志3)車慧敏4)

(江蘇省南京市交通運輸局1)南京210008)(東南大學交通學院2)南京210096)

(江蘇省交通規劃設計院股份有限公司3)南京210005)

(中國市政工程西北設計研究院有限公司江蘇分院4)南京210019)

摘要：為了充分利用環境友好型材料竹材，文中提出了竹材-混凝土組合結構橋面板，即以抗拉強度較高的竹膠板作為受拉區,而以抗壓強度較高的混凝土作為受壓區，2種材料界面處采用螺釘剪力連接件而形成竹-混凝土組合結構板.為了掌握竹-混凝土組合結構螺釘剪力鍵的抗剪承載能力等基本力學性能，完成了9組共27個推出試件的推出試驗，綜合研究了螺釘的直徑、釘入角度、順紋向排列間距對螺釘連接件抗剪承載能力的影響，并對推出試驗數據進行了擬合處理分析，提出了該螺釘剪力鍵的抗剪承載能力、抗剪剛度計算公式,以及螺釘剪力鍵荷載-滑移曲線的函數表達式，為該類型剪力連接件在竹-混凝土組合結構的實際應用提供必要的前提.

關鍵詞：竹-混凝土組合結構；螺釘剪力連接件；抗剪承載能力；抗剪剛度；界面滑移

俞宏(1971- )：男，高級工程師，主要研究領域為新材料與新型橋梁結構

0引言

在組合結構中剪力連接件在組合結構中起著重要的連接和傳力作用，主要用來承擔竹膠板與混凝土之間的縱向水平剪力，并抵抗兩者之間的掀起作用.由于抗剪連接件受力比較復雜，不易采用理論推導方法確定其承載能力及其他性能指標，一般通過試驗的方法獲得.與竹-混凝土組合結構相類似的木-混凝土組合結構，在國內外已有較多的研究成果可供竹-混凝土組合結構的發展借鑒使用.至目前為止，木-混凝土組合梁中的剪力連接件種類繁多，根據國外各類木結構連接件設計規范，大體可分為：釘類、螺釘、螺栓和銷類剪力連接件等[1].本文主要針對竹-混凝土組合結構的螺釘剪力連接件基本力學性能展開試驗研究.

目前國內外螺釘連接件的抗剪承載能力及抗剪剛度計算公式沒有統一的形式，更沒有細化到木-混凝土組合梁螺釘連接件的計算.文獻[2-4]均認為螺釘連接件的特征剛度值有3個，分別為在荷載作用達到40%,60%,80%極限荷載時荷載-滑移曲線的割線斜率K0.4,K0.6,K0.8，其中假定K0.4為連接件的初始剛度，K0.6可用于正常使用極限狀態下的剛度計算，在此之前為構件為彈性工作狀態，K0.8可用于承載能力極限狀態下的剛度計算.Dias[5]通過試驗得到了螺釘剪力鍵極限荷載及其屈服荷載的計算模型，該模型被Eurocode5所采用，計算模型考慮了木材順紋抗壓強度、混凝土抗壓強度以及螺釘的抗拉強度及尺寸的影響.

借鑒木-混凝土組合結構的發展，本文提出了竹-混凝土組合結構橋面板，即以抗拉強度較高的竹膠板作為受拉區而以抗壓強度較高的混凝土作為受壓區組成組合結構板，充分發揮2種材料各自的特性，有效提高結構剛度，降低結構變形.在竹膠板與混凝土兩種材料的界面處采用螺釘剪力連接件，屬于非連續柔性連接件.

由于本文提出的竹膠板-混凝土組合結構未見相關研究成果，對其剪力連接件的抗剪承載力尚沒有確定的計算公式，所以需要根據試驗確定其屈服承載能力、極限承載力及其他設計參數.本文將采用推出試驗來研究螺釘剪力鍵的抗剪承載能力的影響因素、螺釘剪力鍵抗剪承載能力的計算公式、螺釘剪力鍵荷載-滑移曲線的函數表達式，以及抗剪剛度確定方法等.

1竹-混凝土組合結構的剪力連接件推出試驗

1.1推出試件的設計

根據文獻[6-8]及具體研究工程實際、試驗室現有試驗材料，設計以下竹膠合板-混凝土組合結構的剪力推出試件，共9組27個試件，每組3個試件，推出試件示意圖見圖1，竹膠板尺寸為136 mm×200 mm×60 mm，混凝土尺寸為136 mm×200 mm×200 mm，其他參數見表1.

圖1　剪力推出試件示意圖(單位：cm)

編號螺釘直徑/mm螺釘橫向間距/mm螺釘縱向間距/mm螺釘與構件表面夾角/°I類II類III類BC185090BC2105090BC3125090BC4105045BC51050-45 BC610505090BC710507090BC8105010090BC9無螺釘,竹膠板和混凝土自然粘結

螺釘連接件的釘入角度見圖2.當角度為正時，螺釘連接件受壓剪力；當螺釘角度為負時，螺釘連接件受拉剪力.

圖2　螺釘釘入角度示意圖

1.2試驗裝置及加載方案

加載裝置：本次試驗在TYA-2000型電液式壓力試驗機上進行.推出試件主要測量混凝土與竹膠板之間的滑移，本文試驗中忽略竹膠板受壓的變形值，認為螺釘連接件的滑移量就等于試驗機壓力板的向下位移.因此在試件左右兩側分別用百分表測量壓力板的位移，取兩側百分表讀數的平均值作為螺釘剪力鍵兩種材料之間的相對滑移值.

加載方案：由于TYA-2000型電液式壓力試驗機是手動控制油壓加載，在試件出現較大位移時，壓力機的壓力板會與試件脫離，荷載不再增加，故認為壓力機荷載不再增加時實驗結束，此時所對應的荷載為推出試件的最大承載力.先進行預加載，觀測各個點數據是否合理，然后及時進行調整，確認無誤后開始正式加載.整個加載過程的加載速率為5 880 N/min，當荷載不再增加即試件出現較大滑移變形停止加載.

1.3試驗結果

依據各組剪力件的試驗數據所繪制的單個螺釘剪力鍵的荷載-滑移曲線，見圖3.

分析各組試件螺釘連接件的荷載-滑移曲線可得：

1) 試件從加載到破壞共經歷了2個受力階段，在加載初期，試件處于彈性階段，此時荷載-滑移曲線基本上呈線性關系，當荷載加至屈服點時，試件進入塑性階段，該階段變形速度明顯加快.

2) 其極限荷載隨著螺釘直徑的增大有明顯的增加，加大螺釘直徑對于提高螺釘剪力連接件的極限承載力十分有效.

3) 由BC-2,BC-4,BC-5三組試驗結果表明，當螺釘與竹膠板表面的夾角由45°(壓剪狀態)、90°(純剪狀態)變化至-45°(拉剪狀態)時，連接件的極限承載力顯著增大，即當螺釘處于拉剪狀態時，其極限承載力大于純剪及壓剪狀態，該實驗現象后續通過有限元分析重點進行解釋.

圖3　推出試件荷載-滑移曲線

圖4　螺釘連接件承載能力的取值方法

4)由圖3f)～圖3h)所示極限承載力的比較來看，螺釘沿剪切方向的布置間距大小對其單個螺釘剪力連接件極限荷載影響不大.

雖然剪力連接件的極限承載力可通過試驗數據直接獲得，但是屈服承載力難以從荷載-滑移曲線上直接得到.根據文獻[9-10]，螺釘連接件屈服點的位置可通過5%的偏移量來確定,即荷載-滑移曲線與一平行線的交點即為屈服點，該平行線與其線性階段切線相平行，且平行線的偏移量為螺釘直徑的5%，見圖4.依據該方法，計算各工況下的單個螺釘連接件屈服荷載，見表2.

由表2數據分析可得：

1) 單個螺釘剪力連接件的屈服荷載為其極限荷載的65%，屈服荷載隨著螺釘直徑的增大有明顯的增加，如直徑最大的BC3組試件，其屈服承載力最高；當螺釘處于拉剪狀態(BC5)時，其屈服荷載大于純剪(BC2)及壓剪狀態(BC4),且純剪狀態(BC2)時承載力大于壓剪狀態(BC4)時承載力，即從屈服承載力的遞增順序是：壓剪狀態純剪拉剪狀態，說明在同樣直徑狀態下，螺釘處于拉剪狀態下的屈服承載力最高；螺釘沿剪切方向的布置間距對其單個螺釘剪力連接件屈服荷載影響不大.

2) 單個螺釘剪力連接件的屈服滑移約為極限滑移的32%,說明后續塑性變形仍較長，剪力件延性較好.

3) 與對承載能力的影響不同，螺釘直徑對屈服位移值的影響很小，幾乎不變；螺釘沿剪切方向的布置間距對其剪力連接件屈服位移影響也不大；當螺釘與竹膠板表面的夾角為45°(BC4壓剪狀態)、-45°(BC5拉剪狀態)時，其屈服位移均小于純剪狀態，但是這種狀態與屈服承載力的變化沒有相關性.以上事實說明，螺釘剪力連接件的屈服承載力變化與屈服位移之間缺乏相關性.

表2　單個螺釘連接件的極限承載能力和屈服承載能力

2竹-混凝土螺釘連接件的承載能力計算方法研究

2.1單個螺釘連接件承載能力建議公式

雖然實驗數據的處理表明，螺釘剪力連接件的屈服承載力是極限承載力的0.6倍，但是沒有相應的承載力設計計算公式，尚不能用于實際工程.本文參照文獻[5]提出的計算公式，利用推出試驗所得到的數據，通過擬合處理的方法，確定本文的單個螺釘連接件極限承載力計算公式

(1)

式中： β為混凝土的極限抗壓強度與竹膠板順紋方向極限抗壓強度之比；Mu為螺釘極限抗彎承載力，kN·m；fh為竹膠板順紋方向極限抗壓強度，MPa；d為螺釘直徑，mm.

基于同樣的方法，得到單個螺釘連接件的屈服承載力計算公式為

(2)

式中： My為螺釘屈服抗彎承載力，kN·m.

本文中螺釘的極限抗拉強度為400 MPa，屈服強度為180 MPa.由式(1),(2)，計算屈服荷載與極限荷載比值Fy/Fu為0.65.

即按式(1),(2)計算得到螺釘剪力鍵的屈服荷載為其極限荷載的65%，與文獻[9-10]中通過5%的偏移量確定螺釘剪力鍵屈服點的位置所得到的結果一致，由此說明上述螺釘剪力連接件的抗剪承載力計算公式是合理可行的.

2.2荷載-滑移曲線建議公式

參照文獻[11] ，對本文推出試驗的數據進行回歸擬合[12]，回歸得到的荷載-滑移曲線見圖5.螺釘連接件的荷載-滑移曲線可表示為

(3)

式中：F為單個螺釘連接件所承受的剪力，kN；Fu為單個螺釘剪力鍵的極限荷載，kN；S為與所承受的剪力相應的滑移量，mm.

圖5　荷載-滑移曲線回歸擬合曲線

2.3單個螺釘連接件剛度K的取值

本文取60%極限荷載(即稍小于屈服荷載點)處的割線剛度作為抗剪剛度，令(1-e-0.3s)0.8=0.6，可得：

s0.6=2.832

Fu/2.832=0.226Fu

(4)

式中：K0.6為荷載達到螺釘連接件極限荷載60%時的抗剪剛度，定義為螺釘的抗剪剛度，MPa；s0.6為荷載達到極限荷載60%時的竹膠板與混凝土板間的相對滑移，mm.

3結論

1) 試件從加載到破壞共經歷了2個受力階段，在加載初期，試件處于彈性階段，此時荷載-滑移曲線基本上呈線性關系，當荷載加至屈服點時，試件進入塑性階段，變形速度明顯加快.

2) 單個螺釘的抗剪承載能力隨著螺釘直徑的增大有明顯的增加，加大螺釘直徑對于提高螺釘剪力連接件的承載力十分有效；當螺釘處于拉剪狀態時，其承載能力大于純剪及壓剪狀態；螺釘沿剪切方向的布置間距對其單個螺釘剪力連接件的承載能力影響不大.

3) 通過5%的偏移量來確定單個螺釘剪力連接件的屈服荷載仍然適用，分析表明單個螺釘連接件的屈服荷載為其極限荷載的65%，屈服滑移約為極限滑移的32%.

參 考 文 獻

[1]CECCOTTI A．Composite concrete-timber structures[J]．Progress in Structural Engineering and Materials，2002，4(3)：264-275.

[2]STEINBERG E，SELLE R，FAUST T．Connectors for timber lightweight-concrete composite structures[J]．Journal of Structural Engineering，2003，129(11)：1538-1545．

[3]DEAM B L，FRAGIACOMO M，BUCHANAN A H.Connections for composite concrete slab and LVL flooring systems[J].Materials and Structures，2008，41(3)：495-507．

[4]匡亞川,余志武,龔匡暉,等.栓釘銹蝕與抗剪承載力試驗研究[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2013，37(2)：381-385．

[5] DIAS A M P G.Analysis of the nonlinear behavior of

timber-concrete connections[J].Journal of Structural Engineering,2012，138：1128-1137．

[6]中國國家標準化管理委員會．GB/T50329-2002木結構試驗方法標準[S]．北京：中國標準出版社，2002.

[7]中華人民共和國建設部. JG/T 199-2007建筑用竹材物理力學性能試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2007.

[8]中國國家標準化管理委員會．GB102-86六角頭木螺釘[S].北京：中國標準出版社，1986.

[9]MOHAMMAD M,QUENNEVILLE J H P,SMITH I.Influence of cyclic loads on strength and stiffness of bolted timber connections [C]. Proceedings of the 5th World Conference on Timber Engineering, 1998:375-382.

[10]WILKINSON T.Dowel bearing strength usda forest service research paper FPL-RP-505[R].Madison WI:Forest Products Laboratory, 1991.

[11]CECCOTTI A,FRAGIACOMO M，GIORDANO S. Behaviour of a timber-concrete composite beam with glued connection at strength limit state[C].9th World Conference On Timber Engineering WCTE 2006，Portland，2006：275-282．

[12]常志紅．EXCEL回歸分析計算的簡化與應用[J].混凝土,2003，16(2)：61-63.

Research of Push-out Test on Screw Connector

of Bamboo-concrete Composite Structure

中圖法分類號：TU366.3

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.016

收稿日期：2014-10-22

YU Hong1)WU Wenqing2)ZHANG Lizhi3)CHE Huimin4)
(NanjingCityTransportationBureauofJiangsuProvince,Nanjing210008，China)1)
(SchoolofTraffic,SoutheastUniversity,Nanjing211189，China)2)

(JiangsuCommunicationsConsulting&DesignInstitute,Nanjing210005，China)3)

(ChinaNorthwestMunicipalEngineeringDesign&

ResearchInstituteCo.,Ltd.JiangsuBranch,Nanjing210019，China)4)

Abstract：In order to make full use of environmental friendly materials of bamboo, a bamboo - concrete composite bridge deck is presented firstly in this paper, that is bamboo plywood with a higher tensile strength works as tension zone and concrete with higher compressive strength works as compression zone,bamboo-concrete composite structure is shaped with screw shear connectors in two kinds of materials at the interface.For grasping the basic mechanics such as shear bearing capacity of screw shear connector on bamboo-concrete composite structure , nine groups of push-out specimens have been tested in this paper , the comprehensive study of the influence of diameter, screw into the angle, longitudinal direction spacing on the screw shear bearing capacity were conducted. A fitting analysis is conducted to the push out test data, the calculating formula of shear capacity and shear stiffness, as well as the function expression of load-slip curve of screw shear connector are all proposed, which will provides the necessary premise in the actual application of bamboo - concrete composite structure with this type of shear connection.

Key words：bamboo-concrete composite structure; screw shear connector; shear capacity; shear stiffness; interface slip

*國家自然科學基金項目資助(批準號：51078079)