鋼-超薄UHPC組合構件新型界面連接的抗剪性能

古金本,王俊顏,嚴 彪,嚴鵬飛

(1.先進土木工程材料教育部重點實驗室(同濟大學), 上海 201804;2.同濟大學 土木工程學院, 上海 200092; 3.同濟大學 材料科學與工程學院, 上海 201804)

超高性能混凝土(ultra high performance concrete, UHPC)是近30年發展起來的新型水泥基復合材料[1]。鑒于其超高強度、超高韌性、優異耐久性以及良好的施工性能,將鋼構件與UHPC薄層通過抗剪連接件組合成整體應用于組合橋面結構體系,可有效解決傳統正交異性鋼橋面疲勞開裂、鋪裝層易損壞等難題[2]。湖南大學邵旭東教授團隊提出了采用 UHPC層厚度僅為35 mm的鋼-超薄UHPC組合橋面板體系[3],研究表明該體系具備改善鋼橋面力學性能、有效減輕橋梁自重的潛力。另外,對于鋼-混組合構件,抗剪連接件是實現鋼構件與混凝土共同工作的關鍵元件,目前常用的抗剪連接件為焊接栓釘[4]、PBL剪力鍵[5]等,但對于鋼-超薄UHPC組合橋面板體系,常規的抗剪連接件無法滿足其構造要求。本文擬提出一種新型可拆卸式高強螺栓抗剪連接件,滿足鋼-超薄UHPC組合構件的受力性能及構造要求,同時在鋼-UHPC組合結構的裝配式快速施工、橋面板的更換及可重復利用等方面凸顯一定優勢,可應用于人行天橋、保通便橋及搶險救災快速通道等。

目前,對鋼-混組合結構螺栓連接件抗剪性能的研究主要集中在國外若干報道。Kwon等[6-8]提出了3種鋼混螺栓連接件構造,開展了大量的基于3種螺栓連接構造的抗剪靜力及疲勞性能研究,并完成了5個大尺寸組合梁的靜力承載性能試驗。Chen等[9]指出采用螺栓連接件可提升預制混凝土橋面板的安裝效率,并使得結構拆除后的各個構件的重復利用成為可能,同時開展了不同直徑螺栓連接件的推出試驗研究。Dai等[10]將焊接栓釘連接件改造成裝配式栓釘,應用于鋼-普通混凝土組合結構,討論了該種連接件的荷載-滑移曲線特征及抗剪承載力計算方法。Wang等[11]開展了應用于鋼-UHPC組合構件的裝配式栓釘的推出試驗,提出了考慮栓釘長徑比、直徑等參數的抗剪承載力計算方法。楊飛等[12]開展了8.8級摩擦型高強螺栓連接件的推出試驗,提出了摩擦型高強螺栓連接件的抗剪承載力計算方法、荷載-滑移本構等。

如上所述,目前提出的螺栓連接件均用于鋼-普通混凝土組合構件,且要求混凝土層的厚度較厚。本文擬提出一種新型可拆卸式抗剪連接件,并對其抗剪性能進行試驗研究。該新型連接件是采用高強螺栓及預埋在UHPC薄層中的帶墊加長套筒的構造方式來取代大直徑焊接栓釘連接件,其工作機理是高強螺栓傳遞鋼梁與UHPC層之間的剪力,加長套筒的墊片用來提供抗掀起力。設計并開展了6組鋼-超薄UHPC組合構件螺栓連接件推出試驗,包括5組高強螺栓及1組負泊松比螺栓連接件,研究了推出試件的荷載-滑移曲線特征及破壞模式,討論了不同螺栓類型、高強螺栓直徑及長徑比等參數對抗剪承載力、抗剪剛度等力學性能的影響規律,為應用新型螺栓連接件的鋼-超薄UHPC組合橋面體系的設計提供參考。

1 推出試驗設計

1.1 新型抗剪連接件的設計

圖1展示了現有的螺栓抗剪連接件構造。這5種螺栓連接件均應用于鋼-普通混凝土組合構件,且要求混凝土板的厚度較厚,現有研究采用的混凝土板厚度介于100～500 mm[7-9,12-13]。另外前4種螺栓連接構造,如需拆卸、更換混凝土板時,均需提升混凝土板才能使螺栓與鋼構件分離,拆卸工作較為不便。本文針對UHPC板厚介于30～60 mm的鋼-超薄UHPC組合構件,提出一種鋼與預制UHPC薄板之間可拆卸的抗剪連接件,該連接構造由預埋在UHPC薄板的帶墊加長套筒與高強螺栓組成。具體構造形式見圖2。

關于螺栓連接件的抗剪性能研究,大多采用高強度螺栓,這樣在保證抗剪承載力的前提下,可有效減少抗剪連接件的數量。因此,本文采用的高強螺栓及帶墊加長套筒的強度等級均為8.8級,高強螺栓的型號分別為M12×40、M16×30、M16×40、M16×50、M20×40。關于UHPC板中預埋的帶墊加長套筒,采用傳統的加長套筒在非連接端采用焊接墊片的方式進行制作,其型號同高強螺栓型號,且一一對應。

圖1 現有螺栓連接構造形式

圖2 新型螺栓連接構造形式

另外,本文采用一種新型的負泊松比螺栓,該螺栓由同濟大學材料科學與工程學院嚴彪教授提出。負泊松比螺栓的型號規格為M16×40,其螺紋、螺牙及螺距等參數與高強螺栓相同。其構造見圖3,可以看出螺栓桿內部為鏤空結構,通過3D打印在螺栓桿內部形成有多個鏤空空腔,鏤空空腔的長度方向與桿軸方向平行,使得螺栓桿的徑向截面均勻分布有多個鏤空區域,構成具備負泊松比結構的螺栓。負泊松比螺栓的核心是鏤空空腔為多層內折等邊十六邊星形,在受到軸向拉力或徑向的剪切力時,多層內折等邊十六邊星形受到逐層的拉力,等邊十六邊星形收腰處逐步產生膨脹,繼而轉變為沿螺栓桿軸方向分布。

圖3 負泊松比螺栓

1.2 試件設計

試驗共設計6組推出試件,包括5組高強螺栓及1組負泊松比螺栓推出試件,每組共設計3個試件。推出試件考慮的試驗參數主要包括:螺栓類型、螺栓直徑、螺栓長徑比,各組試件主要設計參數見表1,各個構造的尺寸見圖4。推出試件的幾何尺寸依據歐洲規范Eurocode 4的相關規定進行設計[14],由兩塊UHPC薄板與一個熱軋寬翼緣H型鋼組成,在H型鋼兩側分別布置兩個新型螺栓連接件,螺栓連接件橫向間距為100 mm,推出試件的具體尺寸見圖5。

表1 試件設計參數

圖4 各組螺栓連接件細部構造尺寸(mm)

1.3 材料性能

本文采用的UHPC為常溫養護型高應變強化UHPC,由UHPC預混料和摻量為2%的平直型鋼纖維組成,UHPC的基體配合比和鋼纖維的特征參數分別見表2、3。細集料采用粒徑為0.1～0.3 mm的石英砂,磨細填料采用粒徑為38 μm,密度為2.65 g·cm-3的磨細石英粉。UHPC基本力學性能為:100 mm立方體抗壓強度平均值為154.6 MPa。經狗骨頭形的軸拉試件直接拉伸試驗測得的UHPC軸拉應力-應變關系曲線見圖6。試件中采用的H型鋼的鋼材型號為Q345B,廠家提供的H型鋼力學性能見表4。

圖5 推出試件的幾何尺寸(mm)

表2 UHPC基體配合比

表3 鋼纖維特征參數

表4 H型鋼的材料力學性能

圖6 高應變強化UHPC軸拉應力-應變曲線

1.4 加載方案

推出試件加載采用300 t電液伺服壓力試驗機,加載裝置見圖7。根據歐洲規范Eurocode 4 的規定[14],正式加載之前需要進行預加載以穩定試件和消除鋼梁和UHPC板之間的自然黏結力。因此試驗加載分為兩個階段,第一階段為預加載,采用力控制加載方式,加載至50 kN,加載速率為0.2 kN/s,反復加載4次,目的是消除鋼梁與UHPC板之間的自然黏結力。正式加載時采用位移控制的加載方式,加載速率為0.15 mm/min,對試件持續加載直至試件破壞。在推出試件左右兩邊的連接件位置布置4個精度為0.001 mm的光柵位移傳感器,用來測量加載過程中鋼梁與UHPC板之間的相對滑移。

圖7 加載裝置

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現象及分析

除試件B20-N40-1、B16-N50-1～2為單側螺栓桿被剪斷,其他試件均為雙側螺栓桿被同時剪斷,圖8展示了被剪斷的高強螺栓和剪斷后的預制薄層UHPC板破壞,可以看出高強螺栓的斷裂面較為平整,為脆性斷口。對于大部分UHPC薄板來說,由于預埋于UHPC板的帶墊加長套筒增大了螺栓連接件與UHPC的接觸面積,減小了連接件下側UHPC的應力集中,故帶墊加長套筒下側的UHPC無破壞。而試件B16-N30-1出現帶墊加長套筒底部的UHPC局部剝離破壞,且范圍很小,見圖9。圖10展示了負泊松比螺栓破壞,其破壞模式為沿徑向分布的內部構造轉變為沿螺栓桿軸方向的拉斷破壞。卸載后采用扳手將未被剪斷的螺栓連接件從套筒中擰出,見圖11,可以看出,高強螺栓在達到抗剪承載力之前發生了有限的塑性變形,但其不影響拆卸工作的便捷性。

圖8 高強螺栓連接試件破壞

圖9 UHPC局部剝離破壞

圖10 負泊松比螺栓破壞

圖11 試件B16-N50-2拆卸

2.2 荷載-滑移曲線

圖12為各個推出試件的荷載-相對滑移曲線,荷載為4個抗剪連接件承擔的總剪力,滑移為4個位移傳感器實測相對滑移的平均值。從圖12可看出,對于高強螺栓連接件,該類型抗剪連接件的荷載-滑移曲線不同于傳統焊接栓釘的荷載-滑移曲線(圖13(b)),主要是因為螺栓桿與螺栓孔壁之間的間隙,其典型曲線主要分為彈性段、螺栓桿滑移段、非線性強化段和下降段。在加載初期,各試件均處于彈性階段,鋼板和UHPC的界面相對滑移隨荷載增大而線性增大,荷載增加到一定值(60～80 kN)時,由于螺栓桿與螺栓孔壁之間存在間隙,螺栓桿出現滑移,剪切剛度相對減小,但滑移量非常有限。隨著荷載的繼續增大,滑移量隨著荷載的增大而非線性增加。極限承載力之后,荷載-滑移曲線下降段較短,螺栓出現脆性斷裂。典型的高強螺栓抗剪連接件和傳統焊接栓釘抗剪連接件的荷載-滑移曲線見圖13,圖13(b)展示了焊接栓釘直徑為16 mm,栓釘高度為50 mm的典型荷載-滑移曲線。對于負泊松比螺栓來說,隨著施加的剪力逐漸增大,負泊松比螺栓內部原本由桿軸徑向分布的鋼絲逐步轉變為沿桿軸方向的拉斷破壞,呈現出延性破壞。

表5匯總了各組推出試件的峰值荷載、峰值滑移、極限滑移及其平均值和變異系數,這里的極限滑移指的是峰值荷載下降10%所對應的相對滑移。從表5可看出,極限滑移隨高強螺栓直徑的增大而增大,而高強螺栓的長徑比對極限滑移影響較小。M20高強螺栓連接件的平均極限滑移為6.24 mm,略大于Eurocode 4規定的延性抗剪連接件相對滑移的下限值6 mm,而M12、M16的高強螺栓連接件的平均極限滑移則小于Eurocode 4規定的延性抗剪連接件相對滑移的下限值。與同直徑同強度的其他螺栓連接件相比,因為預埋在UHPC中的帶墊加長套筒有效約束了高強螺栓桿的彎曲變形,導致其極限滑移相對較小。因此若在組合結構橋梁中應用該新型高強螺栓連接件,為滿足鋼-UHPC組合界面的滑移需求,同時減少抗剪連接件的數量,可采用較大直徑的高強螺栓連接件。

圖12 各組試件荷載-相對滑移曲線

2.3 參數對比分析

圖14展示了不同螺栓直徑、不同螺栓長徑比、不同螺栓類型的荷載-滑移曲線對比,為清楚展示各參數影響規律,荷載-滑移曲線均采用各組試件的擬合平均曲線。由圖14(a)可以看出,UHPC板厚相同時,高強螺栓直徑越大,對應的抗剪承載力和極限滑移越大。而不同的高強螺栓長徑比對抗剪承載力和極限滑移影響不大,見圖14(b)。值得注意的是,直徑為16 mm時,B16-N30呈現出最大的極限滑移,這可能是因為在施加剪力的過程中,由于預埋的長徑比較小的帶墊加長套筒沒有長徑比較大的帶墊加長套筒對高強螺栓的約束效應強,導致螺栓桿產生傾斜,繼而使螺栓的受力狀態由在高約束狀況下接近于純剪切的受力狀態轉變為低約束狀態下的彎剪復合受力狀態,造成套筒底部的應力集中,從而提高試件的滑移,但稍微降低了抗剪承載力,這也就解釋了僅有B16-N30-1、B16-N30-3試件產生了帶墊加長套筒底部大約1 mm范圍的UHPC局部剝離破壞,見圖9。對于負泊松比螺栓而言,其抗剪承載力明顯低于高強螺栓連接件的抗剪承載力,但延性卻大大提高,見圖14(c)。

圖13 不同抗剪連接件典型的荷載-相對滑移曲線

表5 推出試驗結果匯總

圖14 各組試件參數分析

2.4 抗剪剛度

針對不同類型抗剪連接件的抗剪剛度計算方法有很多種,主要分為經驗系數法和基于荷載-滑移曲線的割線剛度法。考慮到割線剛度法不受抗剪連接件的類型、混凝土類型、混凝土強度等因素的影響,本文擬采用基于荷載-滑移曲線的割線剛度來計算高強螺栓連接件的抗剪剛度。然而,不同割線剛度法采用的起點和終點不盡相同,Eurocode 4[14]建議割線的起點為原點,終點為0.7倍抗剪承載力對應的荷載滑移點,而Johnson等[15]則指定起點為原點,終點為0.5倍抗剪承載力對應的荷載-滑移點。另外,Qi等[16]建議的抗剪剛度為相對滑移為0.2 mm和2 mm對應的割線剛度。根據不同方法計算的抗剪剛度見表6,可以看出,文獻[14-15]提出的計算方法所得到的高強螺栓連接件的抗剪剛度離散性較大,這是因為現有的計算方法主要基于焊接栓釘試驗結果推導而來,而忽略了高強螺栓連接件中螺栓桿與螺栓孔之間的間隙。而文獻[16]的抗剪剛度計算值的變異系數較小,這是因為以0.2 mm對應的荷載-滑移點為起點可有效減輕螺栓桿滑移段對抗剪剛度計算的影響,故本文建議采用文獻[16]建議的抗剪剛度計算公式進行新型高強螺栓抗剪剛度計算。

對于負泊松比螺栓而言,抗剪剛度同樣明顯小于高強螺栓連接件的抗剪剛度,且表現出較小的離散性。因此,在負泊松比螺栓連接件抗剪剛度和抗剪承載力均較小的前提下,可將高強螺栓和負泊松比螺栓聯合應用于鋼-UHPC組合構件中,高強螺栓連接件用于鋼-UHPC組合構件的正彎矩區段,負泊松比螺栓則用于負彎矩區段,這樣在高強螺栓連接件有效約束鋼構件與UHPC間滑移、保證鋼構件與UHPC組合作用的前提下,也可以有效減小負彎矩區段UHPC所受到的拉應力,避免負彎矩區段UHPC出現開裂。

表6 各試件剪切剛度

2.5 抗剪承載力

由現行GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[17]中焊接栓釘的抗剪承載力計算公式分析可知,連接件的抗剪承載力主要與混凝土的抗壓強度和栓釘的抗拉強度有關。由于UHPC的超高抗壓強度以及預埋帶墊套筒對高強螺栓的高約束效應,抗剪性能不受混凝土強度控制,在此比較高強螺栓的抗剪承載力實測值與高強螺栓的抗拉強度計算值,見圖15,可以看出高強螺栓的抗剪承載力約為螺栓抗拉強度計算值的55.8%。

與圖1已有的鋼混組合螺栓連接件試驗結果對比[6-7,12],在相同直徑和強度的前提下,本文提出的新型高強螺栓連接件抗剪承載力相對較大,這是因為UHPC的超高抗壓強度以及預埋的帶墊套筒對高強螺栓的高約束效應,限制了螺栓的彎曲變形,使得螺栓基本處于純剪狀態,而其他幾種則處于彎剪復合狀態。

圖15 高強螺栓實測抗剪承載力與螺栓抗拉強度對比

3 結 論

1)提出了一種應用于鋼-超薄UHPC組合構件的新型可拆卸式抗剪連接構造形式,由高強螺栓、預埋在超薄UHPC板的帶墊加長螺母組成,有利于鋼-UHPC組合結構的快速裝配式安裝、更換、循環利用。

2)開展了5組高強螺栓連接和1組負泊松比螺栓連接的推出試驗,推出試件的破壞形態均為螺栓桿被剪斷,UHPC板表面無損壞,破壞后的試件方便拆卸。

3)對于高強螺栓連接件來說,該類型抗剪連接件的荷載-滑移曲線不同于傳統焊接栓釘的荷載-滑移曲線,主要是因為螺栓桿與螺栓孔之間的間隙,其典型曲線主要分為彈性段、螺栓桿滑移段、非線性強化段和下降段。

4)UHPC板厚相同時,高強螺栓直徑越大,則對應的抗剪承載力和極限滑移越大。隨著高強螺栓直徑越大,極限滑移逐漸滿足Eurocode 4規定的延性抗剪連接件的滑移需求。而不同的高強螺栓長徑比對抗剪承載力和極限滑移影響不大。高強螺栓連接件的抗剪承載力約為螺栓抗拉強度的55.8%。

5)負泊松比螺栓連接件的抗剪承載力、抗剪剛度均相對較小,但表現出良好的延性,建議將負泊松比應用于鋼-UHPC組合構件的負彎矩區段,在滿足負彎矩區段不需要很高抗剪承載力的需求下,可以有效減小負彎矩區段UHPC所受到的拉應力,降低UHPC的開裂風險。