裝配式栓釘剪力連接件抗剪承載力試驗研究

楊未蓬，李成君，宋小明，周志祥,4

(1.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2.四川交通職業(yè)技術學院，四川 成都 611130;3.成都地鐵運營有限公司，四川 成都 610000；4.重慶交通大學 山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地，重慶 400074)

圖1 普通栓釘連接件圖2 裝配式栓釘剪力連接件

Slutter等[3]認為推出試驗結果可作為評判栓釘連接件抗剪能力的依據。對于普通栓釘剪力鍵的抗剪性能，已有很多學者采用推出試驗開展了研究。聶建國等[4]針對高強混凝土組合梁進行試驗研究，并提出了栓釘受剪承載力的計算方法；An等[5]提出了考慮混凝土強度以及鋼筋和混凝土相互作用的承載能力的計算公式；丁發(fā)興等[6]對組合結構進行了抗剪性能推出試驗，考慮栓釘直徑、屈服強度等因素，提出了不同因素影響下單個栓釘抗剪承載力計算公式；薛偉辰等[7]進行了栓釘抗剪試件在單調荷載作用下的推出破壞試驗，考慮栓釘直徑、混凝土強度等級等影響因素，得出抗剪承載能力變化規(guī)律。

1 推出試驗設計

2個試件尺寸均為95 cm×45 cm×70 cm，見圖3。每個試件由2個帶有栓釘的預制式混凝土橋道板和1個鋼箱構成，通過焊接傳力板和鋼箱形成整體，完成裝配化施工。施工工藝見圖4。每個裝配式栓釘連接件由2列栓釘組成，沿試件高度方向每列布置5排栓釘，整個試件共布置20顆栓釘。栓釘構造尺寸為φ13 mm×80 mm，實測屈服強度為369 MPa，抗拉極限強度為498 MPa；傳力板構造尺寸為950 mm×8 mm×60 mm，鋼板厚8 mm。橋道板采用C50強度等級的混凝土，實測立方體抗壓強度為55.2 MPa。

圖3 試件尺寸(單位：mm)

圖4 施工工藝

為研究裝配式栓釘在靜載下的受剪性能，采用推出試驗的方法對裝配式栓釘連接試件進行研究，以栓釘剪斷破壞為控制依據。在重慶交通大學國家重點實驗室完成整個試驗加載過程，試驗裝置選擇千噸壓力試驗機，見圖5。為了消除儀器儀表的使用誤差，加載前須對試件進行預加載。預加載時應控制荷載大小，避免混凝土和鋼箱直接產生相對滑移。為了記錄試件的整個破壞過程，預加載完成后先采用力加載，按0.2的比例等級逐步加載，直到試件達到極限承載能力；再采用位移加載，加載速率控制在3 mm/h左右，直至試件完全破壞。試件共安裝6個百分表，每塊橋道板上對稱設置3個，如圖6所示。其中Vab表示位于a排b列的特征測點位置。

圖5 加載裝置圖6 主要測點布置(單位:mm)

2 試驗結果分析

2.1 破壞形態(tài)

栓釘剪斷即認為本次試驗結束，但栓釘布置在裝配式栓釘連接件的內部，無法直觀判斷。因此只能依據試件在加載過程中發(fā)出的聲響予以判斷。同時需要在試驗結束后解剖試件，觀察內部栓釘的破壞形態(tài)并判別其承載性能的強弱，記錄試驗現象。

在完成預加載后開始推出破壞試驗。記錄試件1在加載過程中的破壞現象：當加載的荷載大小為850 kN 時，輕微的混凝土開裂聲從試件內部傳出；當荷載繼續(xù)增加到 1 150 kN 時，在橋道板的板肋根部混凝土發(fā)現水平裂縫，伴隨著輕微的噪聲裂縫持續(xù)擴散；隨著荷載逐步增加到 1 500 kN，試件不斷產生噪聲，此時混凝土橋道板板肋處的傳力板和混凝土產生相對滑移并逐漸分離；當荷載為 1 518 kN 時，裂縫發(fā)展迅速，相對滑移量持續(xù)加大，繼續(xù)加載試件的承載力不再繼續(xù)增加反而出現下降的現象；當荷載為 1 490 kN，試件內部栓釘開始剪斷，相對滑移量增大迅速，同時伴隨著一聲巨響，所有栓釘剪斷，荷載不再下降。試件的最終承載力保持在690 kN，標志著試件推出破壞試驗結束。

為了觀察裝配式栓釘和混凝土的破壞情況，剖開破壞的試件，發(fā)現栓釘根部剪斷位置處有頸縮現象，栓釘根部發(fā)生了很大的塑性變形且局部混凝土剝落；栓釘周邊混凝土僅出現細小裂紋，沒有明顯貫穿式裂紋，試件破壞形態(tài)見圖7。

圖7 試件破壞形態(tài)

2.2 滑移性能分析

圖8 荷載滑移曲線

3 受力性能分析

圖9 鋼箱及傳力板受力分析

鋼箱及傳力板應滿足力平衡條件，即

P=Vn+f1+f2

(1)

式中：P為壓力試驗機施加在試件上的外荷載；f1為傳力板與橋道板板肋間混凝土的摩擦力；f2為鋼箱與橋道板板肋間混凝土的摩擦力。

4 承載力計算與分析

單個栓釘剪斷破壞時的抗剪承載力[11]為

(2)

張庭杰[12]計算抗剪承載力時考慮了沿試件長度栓釘數量的影響，結合小比例裝配式栓釘剪力連接件推出試驗結果和有限元軟件模擬分析結果對規(guī)范公式進行系數修正，得到了極限承載力公式，即

(3)

藺釗飛等[13]取單個栓釘為隔離體進行受力分析，得出單個栓釘的抗剪剛度ks計算公式，即

(4)

式中：ds為栓釘直徑，mm;Ec為混凝土的彈性模量，MPa。

本文在計算栓釘的承載力時，簡化了裝配式栓釘剪力連接件極限承載力的理論推導過程，忽略在加載過程中外部環(huán)境對栓釘的摩擦阻力，并設定試件處于彈性階段時最大承載力為P=0.5Pu。本文在已有單個栓釘抗剪剛度計算公式(式(4))的基礎上，進一步推導裝配式栓釘剪力連接件承載力計算公式。

單個栓釘抗剪承載力V的計算公式為

(5)

式中，sk為栓釘對應的滑移量。

(6)

(7)

根據假定可知V=0.5Vu(Vu為單釘極限承載力)，即Vu=2V，得到裝配式栓釘剪力連接件的單個栓釘極限承載力為

(8)

5 極限承載力結果對比分析

為了驗證式(8)的準確性，將式(8)計算值與規(guī)范值和試驗值進行對比，見表1。

表1 裝配式栓釘剪力連接件極限承載力對比 kN

由表1可知：①計算值與試驗值相比，誤差在5%以內，吻合較好；②計算值明顯高于規(guī)范值，為規(guī)范值的1.59倍，滿足了單個栓釘應具有1.25倍的安全承載能力儲備。說明式(8)對于裝配式栓釘剪力連接件的抗剪承載力計算具有一定的參考意義。

6 結論

1)裝配式栓釘剪力連接件推出試驗以栓釘剪斷為控制依據，栓釘根部剪斷位置處有頸縮現象且局部混凝土剝落，栓釘周邊混凝土僅出現細小裂紋，沒有明顯貫穿式裂紋。

2)對鋼板和鋼箱取隔離體進行受力性能分析，橋道板板肋處混凝土受傳力板的約束作用，由約束作用提供的擠壓力使得板肋混凝土和鋼結構間摩擦力增大，進而提高裝配式栓釘剪力連接件的抗剪承載力。

3)在考慮滑移沿試件高度不均勻分布系數對結構影響的基礎上，推導了在考慮混凝土彈性模量、栓釘彈性模量、栓釘直徑、栓釘數量等因素影響時裝配式栓釘剪力連接件單個栓釘極限承載力理論計算公式。經公式計算安全富余度滿足規(guī)范要求，與試驗結果相比，誤差在5%以內，吻合較好，具有一定的參考意義。