裝配式鋼- UHPC 組合梁群釘連接件受力性能研究

徐 輝，丁婧楠，朱勁松，孫晨然

（1.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市 300074；2.天津大學，天津市 300350）

0 引 言

栓釘是鋼混組合梁橋中應用最廣泛的連接件[1]，能夠在鋼梁與混凝土板間傳遞荷載，防止二者之間發生豎向分離。因此，栓釘除了承受較大的剪力作用，還承受一定的拉力作用，處于拉剪復合受力的狀態。隨著裝配式組合梁橋的發展，栓釘常以群釘的形式布置在預制橋面板的剪力槽中，通過后澆混凝土實現預制結構之間的裝配化連接。超高性能混凝土（Ultra-high performance concrete，UHPC）作為一種新型水泥基復合材料，其抗壓強度可達到120 MPa以上，抗拉強度可達6 MPa 以上，并兼具良好的延性和耐久性，近年來逐步被應用于橋梁建設中。預制UHPC 橋面板與鋼梁通過剪力連接件連接形成的鋼-UHPC 組合梁橋具有較高的剛度、抗開裂能力和承載能力，能夠在提高結構整體性能的基礎上實現快速建造。

目前已有的關于栓釘連接件的研究多集中于其抗剪性能，相關的規范[2-5]中也給出了栓釘連接件的構造要求和抗剪承載力計算式。大量的推出試驗表明單個栓釘連接件的性能主要受混凝土強度、鋼筋配置、栓釘尺寸、混凝土澆筑方向和栓釘焊接質量的影響[6-9]。群釘連接件在纖維增強混凝土中的研究表明鋼纖維的含量會影響群釘連接件的剛度，較小的栓釘間距對群釘連接件的抗剪強度和剪切剛度影響較小[10-14]。許多研究均表明規范中栓釘連接件抗剪承載力的計算方法較為保守，并提出了計算群釘連接件抗剪承載力的相關參數及計算模型[11，15-17]。關于群釘連接件在UHPC 中抗剪性能的研究較少。McMullen 等[18]和Kruszewski 等[19，20]研究了焊接于銹蝕鋼板上的栓釘在UHPC 中的抗剪性能，結果表明栓釘間距在小于規范規定時仍能充分發揮其抗剪能力。Cao 等[21]研究了短栓釘在薄UHPC 板中的靜力和疲勞性能。Wang等[22，23]將直徑30 mm 的群釘連接件應用于UHPC 板中，發現即使栓釘高徑比為2.3，大直徑栓釘在UHPC中仍能發揮較好的性能。

關于栓釘連接件在拉力和剪力共同作用下的相關研究較少。部分學者[24-26]針對栓釘與實心樓板、壓型鋼板、疊合板和鋼筋混凝土填充墻連接時承受剪力和拉力作用下的性能進行了試驗研究，結果表明拉力會降低栓釘的強度和變形能力，混凝土強度和栓釘直徑對復合受力下栓釘的性能有一定影響。藺釗飛等[27]的研究表明拉剪共同作用下栓釘連接件的剪切剛度隨著施加拉力的增加而減小，但拉力施力比小于10%時可以忽略其對連接件性能的影響。安然等[28]研究了栓釘在高強混凝土中承受拉剪復合作用時性能，拉力的增加會降低栓釘的抗剪承載力和剛度，但對滑移性能影響不顯著。

綜上，目前關于群釘連接件在混凝土中的抗剪性能已有一定的研究基礎，但不同栓釘參數和拉剪復合作用對群釘連接件在UHPC 中力學性能的影響尚需進一步進行研究。因此本文通過推出試驗和拉剪試驗研究栓釘間距、高徑比和拉剪比對預制UHPC 板中群釘連接件破壞模式、承載能力和延性的影響，為裝配式鋼-UHPC 組合梁橋中連接件的設計提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件設計及材料性能

推出試驗和拉剪試驗的試件形式如圖1 所示。試驗中考慮栓釘直徑、栓釘間距和高徑比對群釘連接件性能的影響，試件參數及尺寸如表1 和圖2 所示。推出試件中，鋼梁由兩塊焊接T 型鋼板通過連接板和高強螺栓拼接而成，鋼梁兩翼緣板上以四行三列的排布形式各焊接12 個栓釘，并通過在預留剪力槽中后澆UHPC 將UHPC 板與鋼梁連接為整體。UHPC 澆筑前在鋼翼緣表面涂抹潤滑油以消除鋼與UHPC 之間的摩擦和黏阻力，澆筑方向垂直于鋼翼緣。拉剪試件是在推出試件的基礎上改變鋼梁翼緣與水平面的角度實現栓釘在承受剪力的同時承受不同程度的拉力。

圖1 試驗試件

圖2 試驗試件構造及尺寸（單位：mm）

表1 試驗試件參數

試驗所用UHPC 在常溫噴水覆膜養護24 h 后進行72 h 的蒸汽養護，試驗時實測預制板UHPC 與剪力槽中后澆UHPC 的抗壓強度分別為167 MPa 和136 MPa，抗拉強度分別為9.06 MPa 和8.97 MPa。所用鋼材等級為Q345，鋼翼緣與鋼腹板的屈服強度分別為268 MPa 和362 MPa，極限拉伸強度分別為424 MPa 和541 MPa。栓釘的極限拉伸強度為415 MPa，伸長率為31.5%。

1.2 試驗加載及測試

推出試驗和拉剪試驗的加載均采用1 500 kN 電液伺服壓力試驗機。為保證荷載的均勻傳遞，在每個試件鋼梁上放置一塊厚度10 mm 的鋼墊板。預加載先加至預期極限荷載的40%，隨后卸載至預期極限荷載的5%，并在這一荷載區間內循環加載5 次，以徹底消除混凝土與鋼梁間的黏結。正式加載采用力-位移混合控制。首先采用力控制加載，以1 kN/s 的速度，100 kN 為一級加載至預期荷載的70%，然后采用位移控制，以0.02 mm/min 的速度，60 kN 為一級加載至預期荷載的90%，最后以0.01 mm/min 的速度，40 kN 為一級加載直至試件破壞。

試驗過程中通過試驗機的荷載傳感器連續記錄荷載，并布設位移計量測鋼梁和UHPC 板的位移變化，具體布置如圖3 所示。推出試件中位移計U1-U4測量UHPC 板的豎向位移，S1-S3 測量鋼梁的豎向位移，T1 和T2 分別測量鋼梁和UHPC 板的橫向位移。拉剪試件中U1-U4 測量UHPC 板沿栓釘剪切方向的位移，S1-S4 測量鋼梁沿栓釘剪切方向的位移，T1 和T2 測量鋼梁與UHPC 板之間沿栓釘拉力方向的相對位移。

圖3 位移測點布置（單位：mm）

2 推出試驗結果

2.1 破壞形態

推出試件破壞時UHPC 板與鋼梁完全分離，栓釘根部剪斷，呈現出明顯的塑性變形，栓釘上表面與UHPC 出現一定程度的分離，各試件的破壞形態如圖4 所示。由于UHPC 強度較高，試件破壞時UHPC 板整體完好，表面未出現可見裂縫，僅栓釘下側受壓區混凝土出現局部剝落。如圖4（a）所示，栓釘間距較小時，受壓剝落的混凝土區域出現上下連接，形成較為嚴重的損傷。

圖4 推出試件破壞形態

2.2 荷載-滑移曲線

試驗測得鋼梁和UHPC 板沿栓釘剪切方向的位移差值定義為二者的相對滑移，推出試件的荷載-相對滑移曲線見圖5。所有曲線整體變化趨勢相似，包含三個階段，分為彈性段，塑性段和下降段。彈性段的荷載和相對滑移呈線性關系，直至加載至約極限承載力的55%，此階段栓釘處于彈性狀態，與UHPC 共同承擔剪力。塑性階段相對位移隨荷載的增加而迅速增加，曲線斜率呈非線性遞減，栓釘進入塑性，曲線逐漸趨于水平。試件在達到極限承載力后栓釘先后被剪斷，栓釘根部受壓區UHPC 出現不同程度的壓碎，試件承載力不斷下降，相對滑移繼續增大，曲線表現出明顯的下降段。

圖5 荷載- 相對滑移曲線

2.3 極限承載力及延性

推出試件的試驗結果見表2，其中Ps為各試件的極限承載力，Ps-a為各組推出試件極限承載力均值，Su為極限位移，指試件達到極限承載力時對應的相對滑移，Smax為特征位移，為荷載下降到90%極限承載力時對應相對滑移值的90%。由表2 可知，減小栓釘間距會降低連接件的極限承載力，因此建議UHPC 中群釘連接件各栓釘間距不小于4 倍的栓釘直徑。S19-60-4 的極限承載力為S19-80-4 極限承載力的97.13%，可見栓釘高徑比減小對極限承載力影響較小。UHPC 優異的力學性能能夠對栓釘形成較強的錨固作用，因此較短高度的栓釘可以充分發揮其抗剪性能，提高抗剪效率。

延性反映了栓釘連接件的耗能能力[29]。通過鋼梁與UHPC 板間的相對滑移來評價UHPC 中群釘連接件的延性。由表2 中的結果可以看出，栓釘間距由4 d降為2.5 d 后，特征位移下降程度較極限位移下降程度更大，可見栓釘間距過小會削弱群釘連接件的延性。栓釘的高徑比由4.2 降至3.2 后，群釘連接件的極限位移降低了9.27%，但特征位移幾乎沒變化。歐洲的Eurocode-4 規范規定，極限位移大于6 mm 可以認為連接件具有較好的延性。由于UHPC 優異的力學性能使其在試件破壞時僅有小面積受壓區壓碎，且保證其對栓釘較強的錨固性能，使得UHPC 中的群釘連接件極限位移值均小于6 mm，且Smax/d 在0.20～0.23 的區間內，不滿足歐洲規范對于栓釘延性的定義，因此在進行群釘連接件設計時應采用彈性理論而不是塑性理論。

表2 推出試驗結果

3 拉剪試驗結果

3.1 破壞形態

拉剪試驗最終破壞時其中一側混凝土板與鋼梁分離，各試件的破壞形態如圖6 所示，與推出試件破壞形態相似，栓釘從根部被剪斷，UHPC 板整體完好。拉力的存在會削弱栓釘的抗剪承載力，試件破壞時栓釘下部被壓碎的UHPC 面積較小。

圖6 拉剪試件破壞形態

3.2 拉剪試件極限承載力和相對滑移

表3 所示為群釘連接件拉剪試驗的結果，Pst為各拉剪試件的極限承載力，Pst-a為拉剪試件極限承載力均值，Su為極限承載力對應的相對滑移值。由表3可以看出，拉力的存在對試件的力學行為有一定的影響。與推出試件S19-80-4 相比，拉剪比為0.17時，極限承載力和對應的相對滑移值下降并不明顯，拉剪比為0.27 時，拉剪試件的極限承載力僅為相同栓釘參數下推出試件極限承載力的0.74，極限荷載對應的相對滑移值也有一定程度的下降。

表3 拉剪試驗結果

4 剪切荷載-滑移關系模型

已有部分關于群釘連接件力學性能的研究中給出了評價剪切荷載與相對滑移之間關系的計算式，但這些模型大多用來描述連接件在普通混凝土中的剪切荷載- 滑移關系，并不能很好的描述UHPC 中群釘連接件的力學行為。Xue 等[13]給出了群釘連接件在C50 混凝土中的荷載-滑移關系：

式中：P 和Ps分別為剪切荷載和極限剪切荷載，S 為相對滑移。

Su 等[17]提出了不同的群釘連接件在高強混凝土中的荷載-滑移關系：

Wang 等[22]提出描述大直徑連接件在UHPC 中荷載-滑移關系的表達式：

可以看出，栓釘連接件在不同類型混凝土中的荷載- 滑移曲線形式相似，基于本文試驗結果，提出群釘連接件在UHPC 中的剪切荷載- 相對滑移計算模型：

試驗曲線與由式（1）至式（4）計算得到的荷載-滑移曲線對比如圖7 所示。與試驗曲線相比，由式（3）計算得到的曲線的初始剛度較小，由式（1）和式（2）得到的曲線的初始剛度偏大。此外，由式（1）至式（3）計算得到曲線的非線性段均位于試驗曲線的下方，與試驗曲線有一定的差距。從總體趨勢來看，試驗的荷載- 滑移曲線的線性段和非線性段均在式（4）對應曲線的附近，與已有研究中的公式相比，本文提出的式（4）能更好的描述UHPC 中群釘連接件的行為。

圖7 荷載- 滑移關系模型與試驗曲線對比

5 結 論

目前關于UHPC 板中群釘連接件受力性能的研究尚不完善，缺乏栓釘參數和拉剪復合作用對其性能影響的研究。基于這一現狀，本文開展了裝配式鋼-UHPC 組合梁中群釘連接件的推出試驗和拉剪試驗，明確了栓釘高徑比、栓釘間距和拉剪比對群釘連接件承載能力和延性的影響規律，并基于試驗結果提出了UHPC 板中群釘連接件的荷載- 滑移關系計算式。得出以下結論：

（1）剪力和拉剪復合作用下群釘連接件的破壞模式均為栓釘剪斷，破壞前栓釘有充分的塑性變形，栓釘下部受壓區UHPC 出現不同程度的剝落，UHPC板整體完好。

（2）剪切荷載下，減小栓釘間距會降低群釘連接件的承載力，建議UHPC 中群釘連接件的各栓釘間距不小于4 倍的栓釘直徑。栓釘的高徑比對UHPC中群釘連接件抗剪承載力的影響很小。

（3）剪切荷載下，減小栓釘間距會降低群釘連接件的延性，但高徑比由4.2 降至3.2 對連接件延性的影響很小，可在UHPC 橋面板較薄時采用短栓釘作為連接件；UHPC 中群釘連接件的相對滑移值不滿足歐洲規范關于栓釘延性的要求，因此建議采用彈性理論進行設計。

（4）拉剪荷載下，拉剪比為0.27 時群釘連接件的極限承載力僅為剪切荷載下的0.74，對應的相對滑移值明顯下降，拉剪比0.17 時，UHPC 中群釘連接件的極限承載力和相對滑移值下降程度很小，其對連接件力學行為的影響可忽略。

（5）本文提出的剪切荷載-滑移計算模型與試驗所的曲線吻合較好，與已有模型相比，能更準確的描述UHPC 中群釘連接件的行為。