裝配式鋼-混凝土組合結構抗剪性能試驗研究

孫艷寧，李樹忱，孫國富，王修偉，王九公

(1 山東大學齊魯交通學院巖土工程系， 濟南 250061； 2 山東交通學院交通土建工程學院， 濟南 250061)

0 引言

隨著我國社會經濟建設的不斷推進，建筑的“輕型化”、“裝配化”是不容輕視的發展趨勢。傳統的整體式現澆鋼-混凝土組合結構(圖1(a))，具有整體性好、強度高的優點，但是需要現場澆筑混凝土；而裝配式鋼-混凝土組合結構(圖1(b))的鋼構件和混凝土構件皆于施工前在工廠預制，運至現場安裝，從而縮短工期，降低施工操作難度，減少了現場澆筑后混凝土徐變引起的開裂等問題，具有越來越好的發展前景。

圖1 鋼-混凝土組合結構

對于傳統的整體式現澆鋼-混凝土組合結構，國內外學者進行了一系列的試驗研究：Slutter[1]通過對比梁式試驗和推出試驗結果，認為推出試驗結果可用于判斷剪力連接件極限受剪承載力；聶建國等[2]通過縱向抗剪試驗研究，給出鋼-混凝土組合梁橫向配筋率為0.64%的建議；Xue等[3]通過單調荷載作用下的推出試驗，研究了混凝土強度、栓釘直徑、鋼梁類型對栓釘破壞形態、機理、滑移規律和極限受剪承載力的影響；周緒紅等[4]通過有限元分析，推導了栓釘連接件的極限受剪承載力計算方法；丁發興等[5]通過推出試驗和有限元分析，研究了栓釘直徑和屈服強度對栓釘連接件承載力的影響；趙根田等[6]通過對比重復荷載和單調荷載作用下的推出試驗，分析了栓釘直徑和混凝土強度等級對栓釘連接件抗剪性能的影響。

對于新出現的裝配式鋼-混凝土組合結構，國內學者也進行了一些研究：鐘瓊等[7]提出了一種預留孔灌注砂漿的預制裝配式鋼-混凝土組合梁；李成君等[8]、楊未蓬等[9]針對一種裝配式組合結構(Prefabricated Composite Shear Stud，PCSS)，考察了其抗剪機制，并對剪力釘核心區的混凝土進行力學分析，提出其承載力計算方法。但是，目前對于其他新型的裝配式鋼-混凝土組合結構的研究仍然還存在很多不足。

本文以一種新型的裝配式鋼-混凝土組合結構為研究對象，該結構連接方式采用不同于傳統栓釘的連接方式，而是采用預制混凝土板預留連接槽、栓釘均布的連接方式；該結構的制作方式如下：在鋼梁上焊接栓釘，混凝土板在工廠預制，將二者運至施工現場進行定位拼裝，拼裝完成后，在連接槽內灌注自密實微膨脹混凝土形成一個整體。本文通過推出試驗，對比整體式現澆鋼-混凝土組合結構和裝配式鋼-混凝土組合結構的破壞模式和抗剪承載能力，并考慮新舊混凝土結合面力學參數，研究裝配式鋼-混凝土組合結構抗剪性能。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本次試驗共設計了4組共12個試件，分為兩類：一類是整體式現澆鋼-混凝土組合結構試件(簡稱整澆式試件)，另一類為裝配式鋼-混凝土組合結構試件(簡稱裝配式試件)，裝配式試件基于Birkeland[10]界面摩擦抗剪理論以界面粗糙程度和鋼筋直徑為變量進行設計。試件尺寸均為75cm×120cm×80cm，試件構造尺寸見圖2，具體試件參數見表1；根據試驗機加載能力及工程實際，栓釘布置為3排4列，栓釘規格為φ22×150。

圖2 試件構造尺寸

試件構造參數 表1

兩類試件均采用側立的方式進行澆筑，立模綁扎鋼筋后，整澆式試件直接進行現場混凝土澆筑。裝配式試件先澆筑預制混凝土板，養護拆模后，按試件分組對新舊混凝土結合面使用混凝土表面毛糙劑處理，再以預制混凝土板為模板在連接槽內澆筑自密實微膨脹混凝土，與工程實際一致，不進行振搗。

試件工字鋼采用Q345D鋼材，混凝土板采用C50混凝土，板內鋼筋均采用HRB400級鋼筋，除抗剪鋼筋以外的其余鋼筋直徑均為20mm。澆筑試件時同時澆筑150mm×150mm×150mm的標準立方體試塊，并與試件同條件養護，在試驗當天進行抗壓強度試驗。試驗測得，預制混凝土板的抗壓強度為68.2MPa，灌注自密實微膨脹混凝土抗壓強度為69.4MPa。栓釘材質為ML15，材質及其焊接工藝等符合《電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘》(GB/T 10433—2002)要求，材料極限強度為400MPa，屈服強度為320MPa，彈性模量為203GPa。

1.2 測點布置和加載制度

試驗中在鋼板和混凝土之間安裝百分表測量試件工字鋼-混凝土相對位移，具體測點布置見圖3。試驗時，在試件栓釘中心位置對應的混凝土位置上貼上角鋼，并將百分表基座固定在工字鋼上，百分表指針指向角鋼。數據通過傳感器由計算機采集。試驗正式加載前，對試件進行兩次預加載，預加載荷載為60kN，以消除彈性變形，并保證各部分接觸緊密。正式加載采用荷載控制，以4kN/s的加載速度加載至2 400kN；再以2kN/s的加載速度繼續加載，直至工字鋼-混凝土相對位移不再增加，視為試件完全破壞。試件加載裝置見圖4。

圖3 測點布置圖

圖4 加載裝置

2 試驗結果與分析

2.1 破壞形態

整澆式和裝配式兩類試件破壞模式區別較大。破壞形態如圖5所示。整澆式試件破壞狀態表現為栓釘被剪斷，鋼板與混凝土分離，并伴有局部混凝土壓碎和混凝土裂縫；栓釘由上至下其剪切破壞面逐漸減小，栓釘根部存在一定程度的混凝土壓碎：在加載至極限荷載的80%左右時，混凝土正立面裂縫出現；在加載至極限荷載的90%時裂縫迅速擴展，主要表現為由底部豎向向上擴展至栓釘中心位置附近，然后斜向外側向一角發展，同時頂部裂縫由鋼板側向外側發展，呈八字形，混凝土與鋼板連接一側的裂縫由上下兩角貫穿最外側一排栓釘；而后，栓釘開始發生斷裂，試件達到極限荷載。相比之下，裝配式試件則大不相同，在試件達到極限荷載時，混凝土出現明顯縱向裂縫；試件組PY-20頂部出現裂縫，裂縫沿新舊混凝土界面延伸，同時后澆混凝土表面出現細小裂縫；試件組PN-20和PN-14 表現為明顯的混凝土剪切破壞及新舊混凝土結合面分離，栓釘發生剪切變形，部分栓釘剪斷，栓釘根部有混凝土壓碎；而且試件組PN-14相對于試件組PN-20，其混凝土破碎程度更大。

圖5 各試件組破壞形態

從試件破壞形態來看，整澆式試件的破壞為栓釘破壞，混凝土整體性較好；裝配式試件則主要表現為混凝土剪切破壞，新舊混凝土結合面粗糙程度對試件和破壞形式有很大影響，增加粗糙程度和抗剪鋼筋直徑可增加結構整體性。

2.2 荷載-滑移曲線

推出試驗中，荷載使工字鋼向下移動，工字鋼與混凝土之間形成豎向力，使彼此發生相對錯動，圖6為本次試驗中試件的荷載-滑移曲線，并選取每組典型試件的全過程荷載-滑移曲線進行分析。其中工字鋼-混凝土相對位移為試件4個位移計測得的平均值。

由圖6可以看出，整澆式試件和裝配式試件的荷載-滑移曲線表現出明顯的區別；就極限受剪承載力而言，整澆式試件高于裝配式試件；就荷載-滑移曲線而言，兩類試件都可分為三個階段，即彈性階段、塑性階段和下降階段，如圖6(e)所示；在彈性階段，表現為荷載迅速增加，滑移增加小，整澆式試件在彈性階段的荷載能達到極限荷載的85%～90%，而裝配式試件在彈性階段的荷載只能達到極限荷載的50%～70%；在塑性階段，則表現為荷載增長較慢，滑移迅速增加，整澆式試件塑性變形為1～6mm，而裝配式試件則約為0.5～10mm，裝配式試件塑性滑移高于整澆式試件，延性更好；在下降階段，整澆式試件荷載較緩慢下降，滑移緩慢增加，而裝配式試件荷載迅速下降，承載力迅速減小，幾乎沒有滑移。

圖6 荷載-滑移曲線

由圖6(b)～(d)可以看出，裝配式試件中，試件組PY-20的彈性階段長于試件組PN-20，前者荷載能達到極限荷載的65%，后者荷載則約為極限荷載的55%，后者荷載-滑移曲線在彈性階段斜率小，滑移增加更快。就塑性階段而言，試件組PY-20滑移最大，其次是試件組PN-20，最小的為試件組PN-14。

2.3 極限受剪承載力和滑移性能

試件的極限受剪承載力Pu′、極限受剪承載力對應的滑移Su、特征滑移St以及極限滑移Smax的試驗結果見表2，其中特征滑移為荷載下降到極限荷載的85%時的滑移，極限滑移為加載至試件完全破壞時的滑移。從表中可以看出，整澆式試件和裝配式試件在極限受剪承載力和滑移性能上有明顯的區別。

極限受剪承載力和滑移試驗結果 表2

相對試件組C-20，試件組PY-20的平均極限受剪承載力下降約20.6%；相對試件組PY-20，試件組PN-20的平均極限受剪承載力下降約5%，而試件組PN-14的平均極限受剪承載力下降約10.7%。

就滑移性能來說，裝配式試件的滑移比整澆式試件有所增大，試件組PY-20，PN-20，PN-14的極限滑移分別比試件組C-20增大了17.7%，8.6%及7.1%，特征滑移均增加了74%左右。歐洲規范Eurocode-4[11]規定，特征滑移超過6mm時，剪力連接件可視為延性連接件，試件的滑移量是判斷剪力連接件延性好壞的依據。由表2中可知，此裝配式組合結構并沒有改變栓釘作為剪力連接件的延性性質，而且裝配式組合結構的延性得到明顯改善。

3 受力機理分析

為了研究裝配式試件在整個試驗加載過程中荷載-滑移曲線特性，結合新舊混凝土面力學特性，對試件進行力學分析。

對于有植筋的新舊混凝土結合面，Birkeland[10]界面摩擦抗剪理論(圖7)認為，新舊混凝土結合面為鋸齒狀，在新舊混凝土結合面即將產生剪切位移時，因為結合面的粗糙性，界面會有張開的趨勢，而穿過該界面的鋼筋會因變形受到拉力反作用于界面上，使界面壓緊，產生摩擦力來抵抗剪力，界面極限受剪承載力計算如式(1)所示。

圖7 Birkeland[10]界面摩擦抗剪理論示意圖

Vn=Avffytanφ=Avffyμ

(1)

式中：Vn為界面極限受剪承載力；Avf為抗剪鋼筋截面面積；fy為植入鋼筋的抗拉屈服強度；μ為界面摩擦系數，μ=tanφ，φ為摩擦角。

由式(1)可知，界面摩擦系數和植入鋼筋的直徑為決定新舊混凝土結合面極限受剪承載力的主要因素。

結合試驗結果分析，在試驗加載初期，試件處于彈性階段，荷載-滑移曲線呈線性增長，裝配式試件因新舊混凝土結合面上摩擦和植筋的共同作用，其整體性和強度較高。裝配式試件和整澆式試件荷載-位移發展規律呈現出相似的形式。隨荷載逐步增加，工字鋼向下的位移增加，新舊混凝土結合面處開始產生抵抗剪切的變形和剪力，滑移增加，裝配式試件進入塑性階段，而整澆式試件繼續保持彈性。隨荷載繼續增加，栓釘開始發生剪切變形，混凝土開始出現裂縫，整澆式試件滑移開始加大，進入塑性階段。而此階段裝配式試件因為新舊混凝土結合面的存在，滑移迅速增加，也由于結合面摩擦性質和抗剪鋼筋的錨固作用，試件整體性得到一定保證，延性增加。當荷載約達到極限荷載時，整澆式試件的栓釘剪切變形增加，混凝土壓碎，進而破壞。試件組PY-20因為新舊混凝土結合面粗糙度高、抗剪鋼筋直徑大，抗剪強度高，在加載至極限荷載時，栓釘根部混凝土受壓變形，栓釘的剪切變形迅速增加，栓釘根部被剪斷。PN-20和PN-14兩組試件界面抗剪強度相對較低，破壞時，界面分離錯動，混凝土壓碎。

4 極限受剪承載力計算與分析

國內外規范或文獻給出了整澆式組合結構中栓釘連接件的單釘承載力的計算方法，如歐洲規范Eurocode-4[11]、文獻AASHTO LRFD[12]、加拿大規范CAN/CSA-S16-01[13]及我國《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)[14]。

歐洲規范Eurocode-4的表達式如下：

(2)

式中：Pu為連接件單釘承載力；fu為栓釘材料的極限抗拉強度，不大于500MPa；Asv為栓釘截面面積；d為栓釘直徑；fck為混凝土圓柱體抗壓強度；Ecm為混凝土彈性模量。

AASHTO LRFD的表達式如下：

(3)

式中：Pu為連接件單釘承載力；Asc為栓釘截面面積；fc′為混凝土圓柱體抗壓強度；Ec為混凝土彈性模量；fu為栓釘材料的極限抗拉強度。

加拿大規范CAN/CSA-S16-01的表達式如下：

(4)

式中：Qc為連接件單釘承載力；φsc為承載力系數，取0.8；As為栓釘截面面積；Ec為混凝土彈性模量；fc′為混凝土圓柱體抗壓強度；fu為栓釘材料的極限抗拉強度。

《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)的表達式如下：

(5)

式中：N為連接件單釘承載力；Ec為混凝土的彈性模量；As為圓柱頭焊釘(栓釘)釘桿截面面積；f為柱頭焊釘(栓釘)抗拉強度設計值；γ為栓釘材料抗拉強度最小值與屈服強度之比。

由式(2)，(3)，(4)，(5)計算的考慮群釘效應后的單釘承載力分別為110.6，117.5，110.6，121.2kN，考慮群釘效應的折減系數α可按照蘇慶田等[15]的研究結果，按下式計算：α=-0.002 2n3+0.031 8n2-0.153 7n+1.151 ≥0.85，其中n為栓釘排數，經計算，折減系數為0.909 5。由考慮群釘效應后的單釘承載力可推出試件極限受剪承載力，計算結果見表3。表4中給出了極限受剪承載力試驗結果與計算結果比值。

極限受剪承載力試驗和計算結果 表3

由表3、表4可以看出，整澆式試件的極限受剪承載力明顯高于裝配式試件，這是因為裝配式試件中存在新舊混凝土結合面，此結合面為軟弱結構面，對試件的整體性造成了不同程度的降低。4組試件組的極限受剪承載力大小順序依次為C-20，PY-20，PN-20，PN-14。

極限受剪承載力試驗結果和計算結果比值 表4

試件組PY-20的極限受剪承載力的試驗值高于各規范或文獻的公式計算值，滿足要求，可用于實際工程。

組合結構的極限受剪承載力一般主要由抗剪連接件控制，本文這類裝配式組合結構，極限受剪承載力則受到新舊混凝土結合面參數的主要影響，新舊混凝土結合面的抗剪強度主要由抗剪鋼筋直徑和粗糙度決定，所以裝配式試件的極限受剪承載力由新舊混凝土結合面的鋼筋直徑和粗糙程度決定，故實際工程中對新舊混凝土結合面參數的設計以及界面的施工處理極為重要。

5 結論

(1)整澆式試件破壞模式為栓釘剪斷并伴隨混凝土開裂，裝配式試件破壞模式為栓釘剪斷并伴隨混凝土破碎，新舊混凝土結合面參數對栓釘剪斷數量和混凝土破碎情況有不同程度的影響。

(2)試件荷載-滑移曲線明顯分為三個階段：彈性階段、塑性階段以及下降階段，與整澆式試件相比，裝配式試件彈性階段和下降階段滑移小，塑性階段滑移大，極限滑移大，裝配式試件延性得到改善，具有更好的延性。

(3)整澆式試件的極限受剪承載力高于裝配式試件，新舊混凝土結合面粗糙、抗剪鋼筋直徑20mm的裝配式試件極限受剪承載力試驗值高于整澆式試件的規范計算值，結構安全。

(4)裝配式鋼-混凝土組合結構試件極限受剪承載力約可達到整體式現澆鋼-混組合結構試件的80%；界面粗糙度低及抗剪鋼筋直徑大，裝配式試件的極限受剪承載力有明顯提高。新舊混凝土結合面進行粗糙處理后，試件極限受剪承載力約提高5%，抗剪鋼筋直徑由14mm增加為20mm時，極限受剪承載力約提高10%。裝配式試件的極限受剪承載力受新舊混凝土結合面參數(粗糙度和抗剪鋼筋直徑)的影響，設計時此結合面的處理極為重要。