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裝配式組合梁群釘剪力鍵剪切剛度試驗研究

摘要：為探究橋梁工程中裝配式組合梁內(nèi)集束釘群的荷載-變形特征，以釘群內(nèi)栓釘數(shù)量為參數(shù)，開展了10個裝配式群釘剪力鍵試件和3個現(xiàn)澆群釘試件的推出加載試驗，對比破壞形態(tài)、承載力、滑移和剪切剛度，研究裝配式與現(xiàn)澆式群釘剪力鍵的區(qū)別以及釘群內(nèi)栓釘數(shù)量對力學行為，特別是界面滑移剪切剛度的影響。結(jié)果表明：相同參數(shù)下，裝配式群釘剪力鍵試件的抗剪承載力和滑移剛度均略低于現(xiàn)澆試件；裝配式和現(xiàn)澆群釘剪力鍵的荷載-滑移曲線均可分為彈性、彈塑性和塑性3個階段；相同荷載條件下，裝配式群釘剪力鍵的滑移剪切剛度小于現(xiàn)澆試件；隨著釘群內(nèi)栓釘數(shù)量增加，裝配式群釘剪力鍵整體剪切剛度增加而平均單個栓釘?shù)募羟袆偠葎t明顯降低。基于理論分析及試驗數(shù)據(jù)，提出了裝配式群釘剪力鍵的剪切剛度計算表達式。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；裝配式組合梁；群釘剪力鍵；剪切剛度；推出試驗

Abstract：To investigate the load-slip characteristics of the cluster stud group in the completed composite beam of bridge engineering， the push-out loading tests are conducted on 10 specimens of prefabricated group shear keys and 3 specimens of cast-in-situ group shear keys. The difference between prefabricated and cast-in-situ group stud shear keys is studied by comparing failure modes， bearing capacity， slip and shear stiffness， and the effect of the stud number in the stud group on the mechanical behaviour， particularly the interface slip shear stiffness， is discussed. Under the same conditions， the shear capacity and slipping stiffness of the prefabricated group stud shear keys are slightly lower than those of the cast-in-situ specimens；the load-slip curves of the two types of specimens can be divided into three stages of elasticity， elasto-plasticity， and plasticity；and under the same load， the slipping shear stiffness of the prefabricated group stud shear key is lower than that of the cast-in-situ group shear key. On the basis of theoretical analysis and experimental findings， a formula is provided for determining the shear stiffness of the prefabricated group stud shear key.

Keywords：bridge engineering；prefabricated composite beam；group stud shear key；shear stiffness；push-out test

隨著橋梁工程工業(yè)化進程的加速，具有“預制裝配”和“快速施工”優(yōu)勢的裝配式組合梁橋近年來廣泛應用在各類橋梁結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中，剪力鍵作為保證其穩(wěn)定工作的關(guān)鍵受力構(gòu)件[1-3]，一直是研究的熱點。

國內(nèi)外學者對鋼-混凝土組合梁中最常用的剪力鍵形式——栓釘進行了大量研究，對于多栓釘共同工作時的群釘效應進行了豐富討論。汪洋等[4]通過多組有限元模擬分析，得出栓釘剪力連接件的抗剪承載力隨著混凝土強度等級、栓釘直徑、栓釘屈服強度的增大而提高的結(jié)論。SHIM等[5]對不大于5倍栓釘直徑布置間距下的組合梁群釘連接件進行了推出試驗研究，并給出了由于布置間距過小而引起的栓釘抗剪承載力降低系數(shù)。XU等[6]對12組試件進行低周往復加載試驗，得出釘群在加載時受力不均、導致試件的整體剛度與強度降低的結(jié)論。廖崇慶[7]通過兩組7個試件的推出試驗來比較群釘連接件與單個栓釘連接件的受力性能，結(jié)果顯示，群釘連接件的抗剪承載力和抗剪剛度相比于單個栓釘連接件均有所降低。丁發(fā)興等[8]通過有限元分析，提出了考慮栓釘直徑、屈服強度和混凝土強度影響的單個栓釘受剪承載力計算公式和荷載-滑移關(guān)系計算方法。鐘瓊等[9]開展了3個現(xiàn)澆式和6個裝配式組合梁栓釘連接件的推出試驗研究，得出兩種試件破壞形態(tài)均為栓釘剪斷和混凝土板開裂的結(jié)論，栓釘直徑和預制成孔后的高強填料對破壞形態(tài)有一定影響。周緒紅等[10]通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，隨著栓釘層數(shù)的增加，單個栓釘?shù)钠骄辜舫休d力及抗剪剛度逐漸減小，并給出了計入承載力折減系數(shù)的群釘連接件抗剪承載力表達式。趙根田等[11]設(shè)計了9個試件進行試驗，得出群釘多層排列時栓釘傳力不均勻、靠近加載端的栓釘承擔的剪力大于其他栓釘承擔的剪力的結(jié)論。

上述研究對象多為現(xiàn)澆橋面板組合梁情況下的栓釘（群），針對預制橋面板的裝配式組合結(jié)構(gòu)栓釘?shù)难芯枯^少。已有研究主要是針對剪力鍵的破壞形態(tài)及承載力，對于同樣會顯著影響剪力鍵工作性能的剪切剛度的影響尚未見相關(guān)報道。為探究裝配式組合結(jié)構(gòu)群釘剪力鍵力學行為及剪切變形特征，本文開展了以單個栓釘群大小為主要參數(shù)的推出試驗，針對剪切剛度進行深入討論，并嘗試提出裝配式群釘剪力鍵的剪切剛度計算方法。

1　試驗概況

1.1　試驗設(shè)計

試件設(shè)計參照歐洲規(guī)范[12]中公布的標準推出試件。本次試驗主要參數(shù)為單個栓釘群中栓釘排數(shù)并考慮裝配式試件與現(xiàn)澆試件的對比，共設(shè)計13個推出試件，設(shè)計破壞模式為栓釘剪斷。裝配式試件如圖1所示；現(xiàn)澆試件中混凝土板一次性澆筑，試件鋼結(jié)構(gòu)與栓釘布置如圖2所示；圖3為布置3排栓釘?shù)难b配式試件構(gòu)造圖，其余試件構(gòu)造類似。所有試件參數(shù)如表1所示。

圖1　裝配式試件示意圖

Fig.1　Schematic diagram of prefabricated specimens

圖2　試件布置

Fig.2　Layout of specimens

圖3　RS-2組試件構(gòu)造圖（單位：mm）

Fig.3　Structural diagrams of RS-2 group specimens （Unit：mm）

其中栓釘為ML13mm×80mm；鋼梁為250mm×250mm（H形鋼），Q235鋼；混凝土板中鋼筋骨架直徑為6.5mm，HRB335鋼筋，保護層厚度為10mm。根據(jù)材料試驗實測結(jié)果，現(xiàn)澆混凝土板28d平均抗壓強度為58.9MPa，彈性模量為4.9×104MPa；后澆混凝土板28d平均抗壓強度為66.1MPa，彈性模量為5.1×104MPa；栓釘彈性模量為2.1×105MPa，極限抗拉強度為480MPa。

1.2　加載方案及測點布置

試驗采用伺服式千噸壓力試驗機進行加載，每個試件進行3次彈性加載、3次彈塑性加載和1次破壞加載，如圖4所示，圖中開裂荷載和破壞荷載根據(jù)試驗確定。

圖4　加載方案

Fig.4　Loading scheme

為了盡量保證試件對稱均勻受力，在鋼梁頂端設(shè)置4個應變測點，加載調(diào)試過程中監(jiān)控4個應變測點數(shù)據(jù)以避免偏載。試驗中使用位移計和高分辨率應變式結(jié)構(gòu)斷面錯動測試裝置[13]對鋼-混凝土界面相對滑移進行雙重測試；應變測試采用應變片，整體位移測試采用電測百分表，加載示意如圖5所示。

圖5　加載示意圖

Fig.5　Loading diagram

2　試驗結(jié)果分析

2.1　破壞形態(tài)

試件在加載過程中主要破壞形態(tài)有以下3個方面：

（1）栓釘破壞

裝配式試件和現(xiàn)澆試件的破壞形式均為栓釘剪斷，栓釘根部混凝土壓碎。栓釘斷裂的位置大部分在根部焊縫上方，個別發(fā)生在栓釘與鋼板的焊縫處。上排栓釘多為栓釘根部純剪剪斷，下排栓釘多發(fā)生有一定彎曲變形的剪拉破壞（圖6）。隨著栓釘排數(shù)的增加，發(fā)生剪拉破壞的栓釘數(shù)量增多，栓釘變形也更大。由于試驗中推出試件上方受到垂直荷載，根部的混凝土在高應力作用下發(fā)生變形，使工字鋼和混凝土在連接件上方基本處于擠壓狀態(tài)，而靠近混凝土板底部則出現(xiàn)分離[14]，從而使得下排栓釘在彎矩作用下發(fā)生剪拉破壞。

圖6　栓釘?shù)湫推茐哪Ｊ?/p>

Fig.6　Typical failure modes of studs

（2）裝配式試件預制板出現(xiàn)裂縫

三組裝配式試件中預制板裂縫形態(tài)有一定差異：① 三組試件均為先、后澆混凝土界面最先出現(xiàn)裂縫，且栓釘排數(shù)越多的試件裂縫出現(xiàn)越晚；② 隨著栓釘排數(shù)的增加，破壞時預制板內(nèi)裂縫數(shù)量減少；③ RS-1和RS-2組試件在角隅處產(chǎn)生45°斜裂縫，RS-3組試件為水平裂縫（圖7）。分析認為，試件裂縫的形式主要是受后澆孔下方的預制混凝土高度的影響。當高度值較小時，孔角隅截面承受類似梁的彎剪作用，在拉應力與剪應力的共同作用下表現(xiàn)為45°斜裂縫；當高度值較大時，側(cè)向混凝土較下方混凝土更為薄弱，在豎向力作用下產(chǎn)生沿角隅向兩側(cè)發(fā)展的水平裂縫。

圖7　預制混凝土板出現(xiàn)裂縫

Fig.7　Crack of precast concrete slabs

（3）裝配式試件后澆孔出現(xiàn)裂縫

裝配式試件的后澆孔裂縫形態(tài)如圖8a）所示。在剪力的作用下先、后澆混凝土薄弱界面首先出現(xiàn)裂縫；栓釘受剪力作用，上表面有脫離混凝土的趨勢，對下方混凝土產(chǎn)生局部壓應力，包裹栓釘?shù)闹苓吇炷潦茉搲毫ψ饔迷趦蓚?cè)產(chǎn)生拉應力，栓釘間出現(xiàn)橫向裂縫；同時栓釘下方的壓應力對混凝土局部劈裂，產(chǎn)生豎向劈裂裂縫；在外側(cè)栓釘與界面裂縫間，出現(xiàn)由局部主拉應力主導的斜裂縫。對比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)澆試件栓釘周邊裂縫較少，主要為位于第1排栓釘間的橫向裂縫（圖8b））。

圖8　后澆混凝土典型破壞模式

Fig.8　Typical failure modes of post-cast concrete

2.2　抗剪承載力

圖9為各組試件實測單個栓釘群抗剪承載力，取平均值分析可知：

（1）裝配式試件RS-1~RS-3組的單個栓釘群平均承載力依次為343kN、533kN、725kN；隨著栓釘排數(shù)的增加，單個栓釘群承載力會增加，承載力與栓釘數(shù)量近似成正比。

（2）栓釘數(shù)量相同的現(xiàn)澆試件組NS-1和裝配式試件組RS-2，單個栓釘群平均承載力分別為580kN和533kN，現(xiàn)澆試件承載力明顯高于裝配式試件承載力。其原因為現(xiàn)澆混凝土板較裝配式混凝土板整體性更好，且現(xiàn)澆混凝土與鋼梁接觸更為緊密，對栓釘?shù)募s束作用更強，栓釘更接近純剪切狀態(tài)，有利于栓釘受力。

圖9　單個栓釘群承載力

Fig.9　Ultimate bearing capacity of single stud group

2.3　荷載-滑移曲線

圖10為各組裝配式試件的典型荷載-滑移曲線。可以看出，曲線可近似分為彈性、彈塑性和塑性3個階段。彈性階段滑移量較小，基本為線性；彈塑性階段，隨著荷載繼續(xù)增加，滑移增長速度逐漸加快，剛度不斷減小；塑性階段，荷載基本不增加，滑移持續(xù)增加直至破壞；隨著栓釘排數(shù)的增加，峰值荷載下的滑移值遞減。將栓釘群的剪切剛度定義為彈性階段發(fā)生單位變形時作用的剪力，即荷載-滑移曲線在線性階段的斜率[15-16]，可以看出，隨著栓釘排數(shù)的增加，剪切剛度也相應增加。

圖10　裝配式試件典型荷載-滑移曲線

Fig.10　Typical load-slip curves of prefabricated specimens

栓釘群大小相同的RS-2和NS-1組試件的典型荷載-滑移對比曲線如圖11所示。可以看出，現(xiàn)澆試件組NS-1的剪切剛度和承載力均略大于裝配式試件組RS-2的剪切剛度和承載力；相同荷載條件下，裝配式試件的滑移值大于現(xiàn)澆試件的滑移值，屈服荷載的差距則更為明顯。

圖11　現(xiàn)澆試件與裝配式試件典型荷載-滑移曲線

Fig.11　Typical load-slip curves of cast-in-place specimens and prefabricated specimens

圖12為各組試件的典型剪力-滑移曲線，其中滑移為實測值，剪力值為實測荷載值除以栓釘數(shù)量。對比分析可知，裝配式試件中，隨著栓釘數(shù)量的增加，單個栓釘?shù)募羟袆偠葧档停凰ㄡ敂?shù)量相同的現(xiàn)澆試件的單個栓釘剪切剛度大于裝配式試件的單個栓釘剪切剛度。

圖12　現(xiàn)澆試件與裝配式試件典型剪力-滑移曲線

Fig.12　Typical shear-slip curves of cast-in-place specimens and prefabricated specimens

3　裝配式群釘剪力鍵剪切剛度理論分析

3.1　剪切剛度影響分析

表2為實測各試件平均單個栓釘群剪切剛度和單個栓釘剪切剛度，其中單個栓釘群是指一個預留孔內(nèi)的所有栓釘。分析栓釘排數(shù)對裝配式群釘剪力鍵剪切剛度的影響，可知：

（1） RS-1~RS-3組試件的單個栓釘群剪切剛度分別為1,470kN?mm-1、2,155kN?mm-1、2,748kN?mm-1，說明栓釘數(shù)量對剪力鍵的剪切剛度影響顯著。

（2） RS-1~RS-3組試件中單個栓釘?shù)钠骄羟袆偠确謩e為245kN?mm-1、239kN?mm-1、229kN?mm-1，隨著栓釘排數(shù)的增加，單個栓釘?shù)钠骄羟袆偠冉档汀?/p>

（3）相同栓釘數(shù)量的RS-2組試件與NS-1組試件相比，剪切剛度降低約14%，說明裝配式群釘剪力鍵與常規(guī)現(xiàn)澆群釘剪力鍵相比，剪切剛度有明顯減弱。

3.2　剪切剛度表達式

栓釘剪力鍵中剪應力沿栓釘軸線方向主要分布在根部附近[10]，且依據(jù)試驗實測栓釘變形情況。假設(shè)栓釘變形及剪力的分布和栓釘剪切段內(nèi)任意一點的平面應力分布情況如圖13所示，其中栓釘剪切面的剪切變形與面內(nèi)任意一點的剪切變形相同。

圖13　栓釘剪切荷載及應力狀態(tài)

Fig.13　Shear load and stress state of studs

由彈性理論可知栓釘任一剪切面的剪切變形Si表達式為：

當剪切應力小于剪切比例極限時，滿足剪切胡克定律。將栓釘變形段積分，得到栓釘根部變形量S的表達式為：

根據(jù)剪切剛度定義[15-16]，由式（2）栓釘剪切剛度K0可寫為：

式中：As為栓釘桿橫截面面積；G為栓釘?shù)那凶兡Ａ俊?/p>

栓釘根部下方混凝土所受壓力即為單個栓釘極限承載力Pu，受壓區(qū)混凝土擠壓面取栓釘?shù)陌胫荛L面。參考文獻[17]，應力分布可等效成矩形應力圖（圖14），圖中α、β均為等效矩形應力圖形系數(shù)。

圖14　等效矩形應力圖

Fig.14　Equivalent rectangular stress diagram

可得栓釘根部受力長度L表達式為：

式中：D為栓釘直徑；fc為實測混凝土抗壓強度；fs為栓釘極限抗拉強度。

根據(jù)材料的彈性模量E、切變模量G、泊松比ν三者關(guān)系，聯(lián)立式（3）和式（4），單個栓釘?shù)募羟袆偠缺磉_式為：

3.3　折減系數(shù)

由3.1中剪切剛度影響分析可知，裝配式群釘剪力鍵的剪切剛度與現(xiàn)澆群釘剪力鍵相比降低了，并隨栓釘排數(shù)的增加而折減，因此將裝配式群釘剪力鍵中單個栓釘?shù)募羟袆偠缺磉_為：

式中：μ為剪切剛度裝配折減系數(shù)；φ為隨著栓釘排數(shù)增加的剪切剛度群釘折減系數(shù)。

根據(jù)試驗結(jié)果（表2），聯(lián)立式（5）和式（6），進行多參數(shù)解析，并基于最小二乘理論，得到u=0.80，單個栓釘群中群釘折減系數(shù)與栓釘排數(shù)關(guān)系的表達式為：

式中：n為單個栓釘群中的栓釘排數(shù)

因此，裝配式群釘剪力鍵中單個栓釘群的剪切剛度表達式可寫為：

式中：ns為單個栓釘群中的栓釘數(shù)量。

3.4　剪切剛度表達式驗證

為了驗證式（8），將周安等[18]、王文浩[19]、魏振[20]及本文試驗的單個栓釘剪切剛度實測值與式（8）計算值進行對比，如表3所示。

由表3可知：計算值與試驗值相比，誤差在7.3%以內(nèi)，吻合較好。式（8）可用于裝配式群釘剪力鍵線彈性階段的剪切剛度計算。

4　結(jié) 論

本文開展了10個裝配式和3個現(xiàn)澆群釘剪力鍵的推出加載試驗，并分析裝配式群釘剪力鍵剪切剛度計算方法，可以得出以下主要結(jié)論：

（1）在栓釘數(shù)量相同時，現(xiàn)澆群釘剪力鍵的抗剪承載力和剪切剛度均高于裝配式群釘剪力鍵的抗剪承載力和剪切剛度。

（2）裝配式和現(xiàn)澆群釘剪力鍵的荷載-滑移曲線均可分為彈性、彈塑段和塑性3個階段；相同荷載條件下，裝配式試件的滑移剪切剛度小于現(xiàn)澆試件的滑移剪切剛度。

（3）隨著鍵群內(nèi)栓釘排數(shù)的增加，試件整體剪切剛度增加而單個栓釘?shù)钠骄羟袆偠冉档停憩F(xiàn)出一定的群釘折減效應。

（4）提出了考慮裝配折減與群釘效應的裝配式群釘剪力鍵剪切剛度計算公式，與多個試驗結(jié)果對比吻合良好。

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（責任編輯：何雯麗）