裝配式槽鋼組合梁中開(kāi)孔鋼板連接件力學(xué)性能

周凌宇,范進(jìn)凱,方蛟鵬,李分規(guī),戴超虎,曾 波,徐增武,劉曉春

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410075;2.中南大學(xué) 高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程研究中心,長(zhǎng)沙 410075;3.中建五局第三建設(shè)有限公司,長(zhǎng)沙 410004)

裝配式組合梁作為一種新型復(fù)合材料結(jié)構(gòu),因其生產(chǎn)效率高、可持續(xù)性能好、低碳環(huán)保等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑中[1-4]。本課題組首次提出了一種新型裝配式雙拼槽鋼-混凝土組合梁,該組合梁是通過(guò)高強(qiáng)螺栓將兩個(gè)預(yù)制樓板背靠背連接起來(lái)疊合而成,如圖1所示。與現(xiàn)有的裝配式組合梁相比,該組合梁實(shí)現(xiàn)了全裝配施工,無(wú)需額外的現(xiàn)場(chǎng)澆筑和焊接,加快了施工速度;此外,混凝土板位于槽鋼翼緣下方,有效降低了梁高,增大了建筑使用空間,具有廣泛應(yīng)用前景和巨大商業(yè)價(jià)值。鋼-混組合梁通常是依靠剪力連接件來(lái)傳遞混凝土與鋼梁之間的界面剪力,保證兩者協(xié)同工作。國(guó)內(nèi)外常用的剪力連接件主要包括栓釘、螺栓剪力連接件等[5-7],但對(duì)于新型裝配式雙拼槽鋼-混凝土組合梁,常規(guī)的剪力連接件無(wú)法滿足其構(gòu)造要求。為保證組合梁中混凝土板與槽鋼梁之間的組合作用,增強(qiáng)組合梁的整體工作性能,提出一種適用于該組合梁的新型開(kāi)孔鋼板剪力連接件(PSP剪力連接件)。該剪力連接件是在組合梁的上翼緣和縱向加勁肋之間焊接特定的開(kāi)孔鋼板形成(見(jiàn)圖1(b)),其不僅能夠有效防止混凝土板的縱向滑移和橫向分離,增強(qiáng)組合梁整體工作性能,還能作為槽鋼梁加勁肋,防止腹板和翼緣的屈曲和失穩(wěn)。

圖1 新型預(yù)制樓板及雙拼槽鋼-混凝土組合梁Fig.1 New type of prefabricated floor slab and double-channel steel-concrete composite beam

目前,對(duì)各類開(kāi)孔鋼板剪力連接件抗剪性能的研究已較為系統(tǒng)。Oguejiofor等[8]研究了開(kāi)孔鋼板孔洞數(shù)量、孔洞間距、混凝土強(qiáng)度以及橫向鋼筋對(duì)受剪承載力的影響,并提出了受剪承載力計(jì)算方法。Vianna等[9]開(kāi)展了16組PBL剪力連接件推出試驗(yàn),討論了混凝土板厚度、混凝土強(qiáng)度、穿孔鋼筋等參數(shù)對(duì)PBL剪力連接件受剪承載力和剛度的影響并給出了計(jì)算建議。Ahn等[10]通過(guò)推出試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雙排PBL連接件的平均受剪承載力約為單排受剪承載力的80%。Kim等[11]提出了一種新的Y型PBL剪力連接件并對(duì)其開(kāi)展了推出試驗(yàn)。Vianna等[12]對(duì)18組T型開(kāi)孔鋼板剪力連接件開(kāi)展了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,T 型開(kāi)孔鋼板剪力連接件具有較高的受剪承載力。肖林等[13-15]通過(guò)靜載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PBL連接件受剪承載力及破壞模式取決于開(kāi)孔鋼板厚度,并給出了考慮鋼板厚度等參數(shù)的承載力計(jì)算公式。胡建華等[16]通過(guò)開(kāi)展推出試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PBL連接件具有延性破壞特征。衛(wèi)星等[17]對(duì)PBL剪力連接件疲勞性能開(kāi)展了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究,并給出了采用殘余滑移量評(píng)估疲勞損傷發(fā)展的設(shè)計(jì)建議。張清華等[18-19]通過(guò)試驗(yàn)、數(shù)值和理論方法研究了PBL剪力連接件群的傳力機(jī)制,并提出了荷載-滑移變形協(xié)調(diào)模型和極限承載力計(jì)算方法。汪維安等[20]通過(guò)靜載試驗(yàn)研究了多排PBL連接件荷載-滑移分布特征,并給出了PBL剪力連接件群承載力計(jì)算方法。

綜上,雖然對(duì)開(kāi)孔鋼板剪力連接件(PBL剪力連接件)已開(kāi)展了大量研究并取得了豐富的研究成果,但主要都是圍繞垂直于穿孔鋼筋方向受剪的PBL剪力連接件,對(duì)于受剪方向平行于穿孔鋼筋的開(kāi)孔鋼板剪力連接件的研究較少。本文提出的PSP剪力連接件屬于該類開(kāi)孔鋼板剪力連接件,目前對(duì)PSP剪力連接件的研究尚屬空白。為此,在新型裝配式雙拼槽鋼-混凝土組合梁基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了7組試件并開(kāi)展推出試驗(yàn),探討了不同參數(shù)PSP剪力連接件的受剪承載力及破壞模式。采用有限元方法開(kāi)展了參數(shù)分析,進(jìn)一步研究了開(kāi)孔鋼板厚度、開(kāi)孔直徑、混凝土強(qiáng)度、連接件間距和穿孔鋼筋對(duì)PSP剪力連接件力學(xué)性能的影響。根據(jù)試驗(yàn)及有限元荷載-滑移曲線提出了裝配式雙拼槽鋼-混凝土組合梁中單個(gè)PSP剪力連接件荷載滑移曲線計(jì)算公式,為裝配式雙拼槽鋼混組合梁的設(shè)計(jì)提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

為研究新型裝配式雙拼槽鋼-混凝土組合梁中PSP剪力連接件的力學(xué)性能,在雙拼槽鋼-混凝土組合梁基礎(chǔ)上,根據(jù) Eurocode4規(guī)范設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)推出試件,其詳細(xì)構(gòu)造及尺寸如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)推出試件構(gòu)造及尺寸Fig.2 Structure and size of standard specimens

推出試件整體尺寸為400 mm×100 mm×400 mm。其中,鋼梁由沿腹板切割后的32b熱軋槽鋼和矩形鋼板焊接而成,長(zhǎng)度為350 mm,矩形鋼板厚度為16 mm。PSP剪力連接件三邊焊接于鋼梁內(nèi)部,試件中所有焊接均采用一級(jí)全融透焊縫。為避免試件底部混凝土發(fā)生局部受壓破壞,在底部混凝土中設(shè)置了箍筋加密區(qū)。此外,混凝土澆筑前在鋼梁內(nèi)側(cè)涂抹了潤(rùn)滑油,以減少鋼梁與混凝土之間的界面摩擦。

推出試件主要參數(shù)如表1所示。其中,試件SP2-6-30-C40-150和SP2-4-30-C40-150為間距150 mm雙剪力連接件試件,其余試件為單剪力連接件試件。所有試件均采用C40或C50混凝土,經(jīng)28 d自然養(yǎng)護(hù),兩種實(shí)測(cè)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度分別為42.5、50.4 MPa。試件中槽鋼、矩形鋼板及PSP剪力連接件鋼材材料均為Q235B。鋼筋采用HRB400,縱向鋼筋直徑為8 mm,箍筋直徑為6 mm。鋼材材料性能如表2所示。

表1 試件主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of specimens

表2 鋼材材料特性Tab.2 Properties of steel material

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用2 000 kN電伺服液壓機(jī)進(jìn)行加載,加載裝置如圖3所示。為消除混凝土板與基座之間的縫隙,同時(shí)檢查各儀器儀表是否正常工作,正式加載前進(jìn)行了2次預(yù)加載,加載值為60 kN。進(jìn)入正式加載階段后采用位移控制,加載速率為0.2 mm/min,每級(jí)位移增量為0.4 mm,直至試件破壞。為保證試件加載過(guò)程中受力均勻,在每個(gè)試件頂部安裝了水平鋼板,底部鋪設(shè)了少量砂墊層。試件相對(duì)滑移通過(guò)位移計(jì)測(cè)量獲得,加載值則采用頂部壓力傳感器配合液壓機(jī)受力讀數(shù)獲得。

圖3 試驗(yàn)加載裝置Fig.3 Test set up

1.3 破壞形態(tài)

7個(gè)試件在加載初期并沒(méi)有發(fā)生明顯變化。隨著加載的進(jìn)行,鋼梁與混凝土之間開(kāi)始產(chǎn)生明顯的滑移,鋼混交界面處混凝土部分剝落。隨著荷載繼續(xù)增大,試件底部混凝土首先出現(xiàn)豎向裂紋。繼續(xù)加載,PSP剪力連接件處混凝土開(kāi)始出現(xiàn)斜裂縫并逐漸向混凝土底部及側(cè)面延伸,如圖4所示。隨著荷載進(jìn)一步增大,混凝土板兩側(cè)產(chǎn)生橫向和豎向裂縫,正面斜裂縫繼續(xù)發(fā)展。最終側(cè)面裂縫和正面斜裂縫貫通,底部混凝土保護(hù)層大量剝落,試件展示出混凝土壓碎破壞形式。

圖4 混凝土裂縫Fig.4 Concrete cracks

7個(gè)試件拆除混凝土后的PSP剪力連接件變形情況如圖5所示。可以看出,試件SP1-4-50-C40、SP1-4-30-C50、SP1-4-30-C40、SP2-4-30-C40-150以及SP2-6-30-C40-150的 PSP剪力連接件都發(fā)生了較為明顯的彎曲變形,其中,試件SP1-4-30-C50中還觀察到PSP剪力連接件的剪切破壞。而試件SP1-10-30-C40的PSP剪力連接件沒(méi)有觀察到明顯變形。對(duì)于具有雙排PSP剪力連接件的SP2-4-30-C40-150和SP2-6-30-C40-150試件,底部PSP剪力連接件比頂部PSP剪力連接件變形更明顯,這是由于PSP剪力連接件間距較小導(dǎo)致上下剪力連接件受力不均勻,底部PSP剪力連接件承擔(dān)更高的剪力。

圖5 拆除混凝土后剪力連接件變形Fig.5 Deformation of connectors after removing concrete

1.4 荷載-滑移曲線及力學(xué)性能

所有試件的荷載-滑移曲線如圖6所示?？梢钥闯?PSP剪力連接件荷載-滑移曲線主要分為彈性階段、彈塑性階段、平臺(tái)階段、破壞階段。加載初期,試件處于彈性階段,此時(shí)荷載-滑移曲線呈線性增長(zhǎng),直至A點(diǎn),此時(shí)相對(duì)滑移約為0.3 mm,對(duì)應(yīng)荷載約為峰值荷載的40%。隨著荷載持續(xù)增大,混凝土板表面產(chǎn)生斜裂縫,曲線進(jìn)入彈塑性階段,此時(shí)曲線呈非線性增長(zhǎng),斜率逐漸減小,直至達(dá)到峰值荷載B點(diǎn)。隨后,曲線進(jìn)入平臺(tái)階段,在這一階段,混凝土裂縫繼續(xù)發(fā)展并相互貫通,裂縫寬度增大,部分混凝土逐漸退出工作。該階段中曲線接近水平發(fā)展,荷載保持在峰值荷載的95%以上。最后,曲線進(jìn)入破壞階段,并迅速下降。在此期間,大量混凝土分離,混凝土壓碎。

圖6 荷載-滑移曲線Fig.6 Load-slip curve

所有試件的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?試件SP1-10-30-C40受剪承載力較SP1-6-30-C40和SP1-4-30-C40提高了17.2%和32.5%,抗剪剛度提高5.6%和32.6%,由此說(shuō)明,增大開(kāi)孔鋼板厚度可以提高PSP剪力連接件受剪承載力和抗剪剛度。對(duì)比試件SP1-4-30-C50與試件SP1-4-30-C40,前者抗剪剛度較后者提高了9.2%,而受剪承載力差異較小,這可能是由于開(kāi)孔鋼板厚度較小導(dǎo)致PSP剪力連接件受剪承載力主要由開(kāi)孔鋼板控制。對(duì)比具有相同參數(shù)的雙剪力連接件試件與單剪力連接件試件,發(fā)現(xiàn)試件SP2-4-30-C40-150的極限承載力較試件SP1-4-30-C40提高了50.2%,試件SP2-6-30-C40-150的極限承載力較試件SP1-6-30-C40提高了49.1%。然而,均沒(méi)有實(shí)現(xiàn)兩倍的提高,雙剪力連接件試件中單個(gè)PSP剪力連接件平均受剪承載力均小于單個(gè)PSP剪力連接件的受剪承載力,這是由于較小的間距導(dǎo)致PSP剪力連接件受力不充分,其抗剪能力不能完全發(fā)揮。

表3 推出試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 The results of push-out tests

2 有限元分析

2.1 有限元模型

為進(jìn)一步分析開(kāi)孔鋼板厚度、開(kāi)孔直徑、混凝土強(qiáng)度、剪力連接件間距對(duì)PSP剪力連接件力學(xué)性能的影響,利用有限元軟件ABAQUS對(duì)裝配式雙拼槽鋼組合梁中PSP剪力連接件進(jìn)行了非線性參數(shù)分析。有限元模型由6部分組成,包括混凝土板、鋼梁、PSP剪力連接件、加載板、底板和鋼筋網(wǎng),如圖7所示。

圖7 有限元模型Fig.7 Finite element model

2.2 單元類型、邊界條件及網(wǎng)格劃分

有限元模型中鋼梁、PSP剪力連接件、混凝土板采用三維八節(jié)點(diǎn)單元(C3D8R),加載板和底板采用離散剛性單元(R3D4),內(nèi)部鋼筋網(wǎng)采用三維雙節(jié)點(diǎn)桁架單元(T3D2)。此外,內(nèi)部鋼筋網(wǎng)采用“Embedded Region”嵌入到混凝土中發(fā)揮作用。部件之間的接觸采用接觸單元進(jìn)行模擬,其中,鋼梁與混凝土板、PSP剪力連接件與混凝土板、混凝土板與加載板及底板之間的接觸采用硬接觸模擬法向接觸行為,采用庫(kù)倫摩擦接觸模擬切向接觸行為。混凝土板與鋼梁和PSP剪力連接件的摩擦因數(shù)取0.4。由于底板與混凝土板之間存在砂墊層,底板與混凝土板之間的摩擦因數(shù)取0.3。為同時(shí)保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠,對(duì)PSP連接件進(jìn)行了局部精密網(wǎng)格劃分。PSP連接件沿厚度方向采用4～8層單元,局部網(wǎng)格尺寸為5 mm,其余部件采用10 mm的網(wǎng)格尺寸。

2.3 材料性能

2.3.1 混凝土

混凝土拉壓本構(gòu)模型參考文獻(xiàn)[21-22],應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示。當(dāng)混凝土受壓,應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為上升和下降段。其中,上升段由式(1)、(2)控制,下降段為一條直線,在達(dá)到85%最大抗壓強(qiáng)度時(shí)終止,此時(shí)應(yīng)變?yōu)?4εcp。當(dāng)混凝土受拉,應(yīng)力-應(yīng)變曲線由式(3)、(4)控制。

圖8 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curves of concrete

(1)

(2)

σt=(1.2x-0.2x6)ft

(3)

(4)

式中:σc和εc分別為曲線上升段的壓應(yīng)力及對(duì)應(yīng)的壓應(yīng)變;fc和εcp分別為最大壓應(yīng)力和最大壓應(yīng)變;Ec為混凝土彈性模量;σt和εt分別為拉應(yīng)力及對(duì)應(yīng)拉應(yīng)變;ft和εtp為極限拉應(yīng)力和極限拉應(yīng)變。

2.3.2 鋼材

PSP剪力連接件采用三線性等效強(qiáng)化模型進(jìn)行模擬,其余鋼材采用雙線性理想模型進(jìn)行模擬,應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖9所示。模型中所有鋼材均遵循Mises屈服準(zhǔn)則,PSP剪力連接件極限應(yīng)變?nèi)?.2,鋼筋泊松比取0.3,其他材料參數(shù)見(jiàn)表2。

fy、εy、fu和εu分別為鋼材屈服應(yīng)力、屈服應(yīng)變、極限應(yīng)力和極限應(yīng)變。圖9 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.9 Stress-strain curves of steel

2.4 模型驗(yàn)證

圖10以SP1-4-50-C40、SP1-6-30-C40、SP1-10-30-C40為例,給出了推出試驗(yàn)與有限元分析中荷載-滑移曲線對(duì)比,可以看出,有限元模擬得到的荷載-滑移曲線與推出試驗(yàn)實(shí)測(cè)曲線吻合良好。以試件SP1-6-30-C40為例,對(duì)比了有限元分析和推出試驗(yàn)中PSP 剪力連接件破壞形態(tài),如圖11所示。圖11(a)和(b)為有限元模擬得到的混凝土開(kāi)裂狀態(tài)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。圖11(c)為有限元模擬得到的開(kāi)孔鋼板剪力連接件塑性變形與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。結(jié)果表明,有限元分析得到的破壞模式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。因此,本文建立的有限元模型能夠較好地反映推出試件中PSP剪力連接件的剪切行為和最終破壞形態(tài)。

圖10 有限元分析荷載-滑移曲線與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.10 Comparison of the load-slip curves calculated by the FEM and the test result

圖11 有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)破壞形態(tài)對(duì)比Fig.11 Comparison of the results calculated by the FEM and the experimental failure modes

3 有限元分析

利用驗(yàn)證后的有限元模型,通過(guò)改變開(kāi)孔鋼板厚度、開(kāi)孔直徑、混凝土強(qiáng)度、連接件間距、穿孔鋼筋,分析PSP剪力連接件不同參數(shù)變化對(duì)其荷載-滑移曲線及受剪承載力的影響。

3.1 開(kāi)孔鋼板厚度的影響

圖12給出了不同厚度的PSP剪力連接件荷載-滑移曲線?？梢钥闯?隨著開(kāi)孔鋼板厚度的增加,PSP剪力連接件抗剪剛度和受剪承載力均得到提高,當(dāng)開(kāi)孔鋼板厚度從8 mm增加到10、14、20 mm時(shí),PSP剪力連接件受剪承載力分別提高了5.8%、12.6%、14.9%。受剪承載力隨開(kāi)孔鋼板厚度呈現(xiàn)非線性增加,隨著厚度的增大,受剪承載力增加速度逐漸減小。這是由于開(kāi)孔鋼板厚度的提高使得PSP剪力連接件更不容易產(chǎn)生變形,受剪承載力和抗剪剛度得到提高。然而,當(dāng)開(kāi)孔鋼板厚度增加到一定程度時(shí),大厚度的開(kāi)孔鋼板使得混凝土提前被壓碎,混凝土強(qiáng)度對(duì)受剪承載力的影響變得更為敏感,受剪承載力增加速度減小。因此,適當(dāng)增加開(kāi)孔鋼板厚度可以有效地提高PSP剪力連接件的受剪承載力。

圖12 不同開(kāi)孔鋼板厚度的影響Fig.12 Effect of different thicknesses of perforated steel plate

3.2 開(kāi)孔直徑的影響

圖13給出了鋼板厚度為10 mm時(shí)不同開(kāi)孔直徑的PSP剪力連接件荷載-滑移曲線。可以看出,隨著開(kāi)孔直徑的增大,荷載-滑移曲線變化不明顯,當(dāng)開(kāi)孔直徑從10 mm增加到50 mm時(shí),開(kāi)孔鋼板受剪承載力僅減小了4.0%,而抗剪剛度沒(méi)有明顯變化。這可能是由于厚度較大的PSP剪力連接件的受剪承載力主要由焊縫周圍混凝土提供。在整個(gè)加載過(guò)程中,鋼板未發(fā)生明顯彎曲或剪切變形,而底部混凝土被壓潰。因此,對(duì)于大厚度PSP剪力連接件,開(kāi)孔直徑對(duì)受剪承載力和抗剪剛度的影響較小。

圖13 不同開(kāi)孔直徑的影響Fig.13 Effect of different opening diameters

3.3 混凝土強(qiáng)度的影響

圖14給出了不同混凝土強(qiáng)度下PSP剪力連接件的荷載-滑移曲線。可以看出,隨著混凝土強(qiáng)度的提高,PSP剪力連接件的受剪承載力和抗剪剛度都得到了提高。當(dāng)混凝土強(qiáng)度從50 MPa增加到60、70、80 MPa時(shí),PSP剪力連接件的受剪承載力分別提高了9%、18%、28%。受剪承載力隨混凝土強(qiáng)度的提高近似呈線性增長(zhǎng),提高混凝土強(qiáng)度能有效增大PSP剪力連接件受剪承載力。因此,混凝土強(qiáng)度對(duì)PSP剪力連接件的力學(xué)性能有顯著影響。

圖14 不同混凝土強(qiáng)度的影響Fig.14 Effect of different strength of concrete

3.4 連接件間距的影響

圖15給出了不同連接件間距下PSP剪力連接件的荷載-滑移曲線。可以看出,連接件間距對(duì)PSP剪力連接件的受剪承載力有顯著影響。當(dāng)連接件間距較小時(shí),由于相鄰剪力連接件間混凝土應(yīng)力重疊,頂部與底部PSP剪力連接件受力并不均勻,底部剪力連接件會(huì)比頂部連接件分擔(dān)到更高的剪力,隨著連接件間距的增大,應(yīng)力重疊減小,相鄰兩個(gè)PSP剪力連接件分擔(dān)的剪力趨于相等。間距為100、150、200、250 mm的單排平均承載力分別達(dá)到了單個(gè)PSP剪力連接件的66.2%、75.6%、87.7%、91.2%,均小于單個(gè)PSP剪力連接件受剪承載力。因此,在實(shí)際工程中PSP剪力連接件的間距取值建議大于250 mm。

圖15 不同連接件間距的影響Fig.15 Effect of different connector spacing

3.5 穿孔鋼筋的影響

穿孔鋼筋是各種形式開(kāi)孔鋼板連接件中至關(guān)重要的研究參數(shù),以試件SP2-6-30-C40-O(無(wú)穿孔鋼筋)和試件SP2-6-30-C40-I(含直徑為16 mm的穿孔鋼筋)研究穿孔鋼筋對(duì)PSP剪力連接件抗剪能力的影響。從圖16可以看出,穿孔鋼筋對(duì)PSP剪力連接件的受剪承載力和抗剪剛度影響較小。相比試件SP2-6-30-C40-O,試件SP2-6-30-C40-I的受剪承載力僅提高了2.2%。此外,在開(kāi)孔鋼板中設(shè)置穿孔鋼筋可以在很大程度上提高PSP剪力連接件的面外抗剪能力和抗拉能力。因此,有必要在PSP剪力連接件孔中設(shè)置穿孔鋼筋,以保證裝配式雙拼槽鋼-混凝土組合梁中混凝土板和鋼梁之間的共同工作性能。

圖16 穿孔鋼筋的影響Fig.16 Effect of perforated reinforcement

4 PSP連接件荷載-滑移行為研究

剪力連接件的荷載-滑移行為是評(píng)價(jià)鋼-混凝土組合梁界面特性的重要指標(biāo)。對(duì)于大多數(shù)鋼-混凝土組合梁,在彈性階段,剪力連接件對(duì)組合梁力學(xué)性能的影響不顯著。而在塑性階段,組合梁內(nèi)部剪力連接件、混凝土和鋼梁三者之間應(yīng)力開(kāi)始重新分布,需要通過(guò)荷載-滑移關(guān)系考慮剪力連接件變形和鋼-混凝土相互作用。而目前對(duì)PSP剪力連接件荷載-滑移關(guān)系的研究基本屬于空白。常見(jiàn)的荷載-滑移曲線公式主要是針對(duì)栓釘和螺栓等剪力連接件,表4總結(jié)了不同學(xué)者提出的荷載-滑移曲線經(jīng)驗(yàn)公式。

表4 荷載-滑移曲線經(jīng)驗(yàn)公式Tab.4 Practical formulas of load-slip curve

將試驗(yàn)及有限元荷載-滑移曲線與表4所建議公式進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖17所示?？梢钥闯?公式與試驗(yàn)及有限元結(jié)果擬合精度較差,現(xiàn)存經(jīng)驗(yàn)公式不適用本文提出的PSP剪力連接件。因此,有必要研究和建立PSP剪力連接件的荷載-滑移曲線關(guān)系式。

圖17 試驗(yàn)及有限元結(jié)果與荷載-滑移預(yù)測(cè)公式對(duì)比Fig.17 Comparison between the experimental and finite element results and the prediction equations of load-slip curve

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元計(jì)算結(jié)果,參考文獻(xiàn)[25,27]中的荷載-滑移關(guān)系公式形式,擬合得到PSP連接件荷載-滑移關(guān)系計(jì)算公式(5)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元計(jì)算結(jié)果與本文提出公式的對(duì)比如圖18所示,該公式適用于不考慮群連接件效應(yīng)的單個(gè)PSP剪力連接件?？梢钥闯?公式預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)及有限元獲得的荷載-滑移曲線吻合良好。

圖18 試驗(yàn)及有限元結(jié)果與本文公式對(duì)比Fig.18 Comparison between the experimental and finite element results and the proposed equation

(5)

5 結(jié) 論

1)試驗(yàn)結(jié)果表明,除10 mm厚度PSP剪力連接件外,所有4 mm與6 mm厚度的PSP剪力連接件均發(fā)生了明顯彎曲變形,其中,試件SP1-4-30-C50中PSP剪力連接件還觀察到了剪切破壞。對(duì)于雙排連接件試件,底部PSP剪力連接件變形比頂部連接件更明顯。所有試件破壞時(shí)剪力連接件周圍混凝土均出現(xiàn)了斜向裂縫。

2)增加開(kāi)孔鋼板厚度可以提高PSP剪力連接件受剪承載力。但隨著厚度的增大,受剪承載力增加速度逐漸減小。

3)提高混凝土強(qiáng)度可以顯著提高PSP剪力連接件受剪承載力和抗剪剛度,而開(kāi)孔直徑和穿孔鋼筋對(duì)受剪承載力和抗剪剛度影響較小。

4)增大連接件間距能夠顯著提高單排PSP剪力連接件平均受剪承載力,當(dāng)間距為100、150、200、250 mm時(shí),單排平均承載力分別達(dá)到單個(gè)PSP剪力連接件的66.2%、75.6%、87.7%、91.2%。因此,實(shí)際工程中PSP剪力連接件的間距取值建議大于250 mm。

5)提出了裝配式雙拼槽鋼-混凝土組合梁中單個(gè)PSP剪力連接件荷載-滑移曲線計(jì)算公式,為裝配式雙拼槽鋼混組合梁的設(shè)計(jì)提供參考。