腹板嵌入式压型钢板组合梁中剪力连接件的推出试验
王祥真;周奇;姜媛
【摘 要】腹板嵌入式压型钢板组合梁是在腹板嵌入式组合梁的基础上增加压型钢板后形成的一种新型组合梁,由于压型钢板的存在,剪力连接件的抗剪性能可能会发生一定的改变.通过对12个推出试件进行试验,研究了腹板嵌入式压型钢板组合梁中剪力连接件抗剪承载力的特性,并通过参数回归方法拟合出了剪力连接件抗剪承载力的计算公式.试验结果表明:腹板嵌入式压型钢板组合梁的剪力连接件抗剪承载力随着齿口高度、混凝土强度等级的增加而提高;压型钢板对剪力连接件的抗剪承载力有一定程度的降低.
【期刊名称】《筑路机械与施工机械化》 【年(卷),期】2018(035)008 【总页数】6页(P65-70)
【关键词】腹板嵌入式压型钢板组合梁;剪力连接件;推出试验;抗剪承载力 【作 者】王祥真;周奇;姜媛
【作者单位】绍兴市交通工程质量安全监督站,浙江绍兴312000;汕头大学广东省高等学校结构与风洞重点实验室,广东汕头515063;汕头大学土木与环境工程系,广东汕头515063;汕头大学土木与环境工程系,广东汕头515063 【正文语种】中 文 【中图分类】U448.21
0 引 言
腹板嵌入式组合梁是一种新型钢-混凝土组合梁，是在现有钢-混凝土组合梁的基础上发展而来的新型组合结构[1-2]。传统钢-混凝土组合梁中，钢梁通常采用H型钢，其上翼缘位于截面中和轴附近，所受的应力较小，没有充分发挥作用[3]。如果去掉组合梁中钢梁上翼缘，在腹板上开槽或开孔直接嵌入到混凝土翼板中形成剪力连接件，这样不仅省去了钢梁上翼缘，也无须另做剪力连接件如栓钉、槽钢及弯筋等[4-5]。腹板嵌入式组合梁主要由倒T形钢梁和混凝土翼板组成，不需要专门的连接件，钢梁和混凝土翼板的组合作用由腹板上部开槽形成的剪力连接件实现，为获得较好的纵向抗剪和竖向抗拔性能，连接件形状一般采用等腰梯形，等腰梯形的槽钉在加工时可以套切腹板，不会浪费钢材，且无须焊接。李现辉[6]等对于腹板嵌入式钢-混凝土组合梁进行推出试验，结果表明：腹板嵌入式钢-混凝土组合梁中钢板连接件具有承载力高、易于实现完全抗剪连接的优点，而且连接件抗剪连接刚度大，可以减少组合梁由于滑移效应引起的刚度折减[6]。
腹板嵌入式组合梁虽然有节约钢材和栓钉、抗剪承载能力高等优点，但倒T形钢梁侧向刚度低、稳定性差，易发生失稳，组合梁在施工阶段需要增加额外的支撑系统[7]，失去了传统组合梁施工便捷的优点。
在组合梁上增加压型钢板，不仅可以提高混凝土翼板的抗拉能力，还可以作为永久模板和施工平台，加快施工速度，增大倒T梁的侧向刚度和钢梁整体稳定性[8-12]。为此，本文提出在腹板嵌入式组合梁基础上增加压型钢板构成腹板嵌入式压型钢板组合梁，并进行腹板嵌入式压型钢板组合梁剪力连接件推出试验，研究齿口高度、混凝土强度以及配筋率等参数对剪力连接件抗剪承载力的影响，并与腹板嵌入式组合梁对比，分析压型钢板对抗剪承载力的贡献。 1 剪力连接件推出试验
1.1 试验概况
剪力连接构件是将钢梁与混凝土翼板组合在一起共同工作的关键部件，起到传递钢梁与混凝土翼板之间纵向剪力的作用，同时还能抵抗混凝土翼板与钢梁之间的掀起作用[13-14]。通常采用推出试验测试组合梁剪力连接件纵向抗剪性能，研究剪力连接件的破坏机理和抗剪承载力。本次试验共设计制作了12个腹板嵌入式压型钢板组合梁推出试件。其中，试件ST-3为标准件；试件ST-1～ST-3除齿口高度不同外，混凝土强度等级、配筋率及试件主要尺寸都相同，ST-1、ST-2主要尺寸参数分别如图1和图2所示；ST-3和ST-6～ST-9混凝土强度等级不同；ST-3和ST-10配筋率不同，试件主要尺寸相同，如图3所示；ST-4和ST-11主要尺寸参数如图4所示；ST-5和ST-12主要尺寸参数见图5；压型钢板尺寸参数见图6。此外，为了更好地模拟嵌入式组合梁中腹板的受力状态，在混凝土翼板和推出钢梁翼板间特留出50 mm间隙。各试件主要参数见表1。
表1 推出试件参数试件编号齿口高度/mm上齿口长度/mm下齿口长度/mm混凝土板宽度/mm混凝土板高度/mm保护层厚度/mm混凝土等级配筋率/%压型钢板ST-16020010012069015C300.56有ST-27020010012069015C300.56有ST-39020010012069015C300.56有ST-412024012015088015C300.37有ST-5901608010057015C300.84有ST-69020010012069015C300.56无ST-79020010012069015C400.56有ST-020010012069015C500.56有ST-99020010012069015C600.56有ST-109020010012069015C301.09有ST-1112024012015088015C300.73有ST-12901608010057015C301.31有 图1 推出试件ST-1 图2 推出试件ST-2
图3 推出试件ST-3和ST-6～ST-10
试验中钢梁采用Q235级钢。钢筋采用HRB300级，钢筋屈服强度实测平均值
fy=312 MPa。混凝土翼板为现场浇筑，在板的上部和下部均配置钢筋网，不同试件钢筋直径分为8 mm和10 mm，混凝土保护层厚度为15 mm，混凝土强度等级分别C30、C40、C50和C60。推出试件混凝土浇筑时竖向放置，两侧的混凝土翼板同时浇筑，试件混凝土采用自然养护，养护28 d后进行试验。混凝土抗压强度是通过边长为150 mm的标准立方体试块在强度试验机上单向压缩得到的单轴抗压强度，试验测试结果见表2。每个推出试件的工字钢采用普通工字钢：HM 295×200×8×12，厚度为10 mm，边缘切边打磨平整，表面采用非酸洗工艺，钢板开等腰梯形槽，手工焊接在工字钢两外侧翼缘上，焊条采用E43型。在加载端机械加工钢梁截面，并焊接端板，使表面平整并与工字钢轴线垂直，以便在试验时保证加载方向竖直。
表2 混凝土试块单轴抗压承载力测试结果混凝土强度等级破坏荷载F/kN抗压强度fcc/MPaC30C40C50C60774.9234.4758.4931.5739.0932.99.6244.41 010.5344.91 041.3946.31 229.8154.71 279.1556.91 204.2153.51 531.6368.11 523.2167.91 583.9069.7 图4 推出试件ST-4和ST-11 图5 推出试件ST-5和ST-12 图6 压型钢板尺寸
所有试验均在MTS试验机上完成，其最大压力可达到1 000 kN。位移的测量采用THD-100型位移传感器，其最大量程为10 cm。推出试验采用单调加载，试件的极限推出力估算值为Vu，先预加载0.1Vu，再每10 kN一级，分级加载到0.3Vu，然后连续加载，每分钟加载10 kN，每秒采样一次，加至50 kN后采用位移控制加载达到极限荷载。
推出试验是为了研究腹板嵌入式钢板剪力连接件的破坏机理及抗剪承载力，在试验过程中将重点观察试件的开裂荷载及混凝土裂缝的发展情况。在推出试件的两侧混
凝土翼板和工字钢两侧安装位移计，用以测量混凝土翼板和工字钢在推出力作用下的位移。同时，试验过程中通过数据采集和控制系统可以对试件的荷载与滑移曲线进行实时监测。 1.2 主要试验结果 1.2.1 破坏特征
在荷载加载前期阶段(0～0.7Vu时)，试件基本稳定，混凝土板中未观察到明显的裂缝。当加载到(0.7～0.8)Vu时，首先在混凝土翼板中部出现微小裂纹，肉眼不易观察到；继续加载，先前混凝土翼板中部出现的微小裂纹变得清晰可见；继续加载，裂缝由混凝土翼板中间向上下延伸；接着混凝土板内发出爆裂声，表面裂缝贯穿整个混凝土翼板，同时试件承载力迅速下降，试件混凝土翼板发生劈裂，直至裂缝贯通试件。所有试件的测试结果如表3所示。
表3 推出试验主要结果试件编号开裂荷载/kN极限荷载/kN开裂滑移/mm极限滑移/mmST-1114.400144.3800.55.880ST-2103.358127.9601.3605.470ST-399.833118.5950.2654.140ST-4129.440152.2200.1702.205ST-587.563106.9780.3958.870ST-6135.780169.8130.1435.715ST-7103.333134.5780.6105.485ST-8121.323149.2030.144.920ST-993.505112.1700.92012.290ST-10105.168133.7730.4403.040ST-11140.335166.6781.0304.480ST-1294.155115.9300.215.995
从上述试验中观察到的现象可以预判，推出试件的破坏是由齿口周围混凝土的局部压碎导致的，混凝土局部裂缝随着荷载的增大沿着受力方向扩展，最终形成了纵向通长的裂缝，表现为推出试件的混凝土翼板劈裂破坏。试验结束后，砸开推出试件的混凝土翼板，发现齿口连接件并没有发生较大的变形或是明显的破坏，这也验证了先前对推出试件破坏形式的预判，即推出试件的破坏形式是混凝土劈裂破坏。 1.2.2 荷载-相对滑移曲线
试验过程中采用位移计测量了倒T钢梁与混凝土翼板之间的相对滑移，同时MTS测试系统也同步记录了试验加载-位移曲线，通过计算得到倒T钢梁与混凝土翼板之间的相对滑移。
图7 推出试件的荷载-滑移关系
测量工字钢与混凝土板之间的相对滑移，可反映钢板开槽齿状连接件的变形性能。由于试件ST-9齿口损坏导致试验结果有误，在结果分析中去除试件ST-9。图7给出了试件的荷载-滑移关系曲线，从图中可以看出，在加载初期，由于钢板剪力连接件与混凝土之间黏结力与摩擦力的作用，相对滑移非常小。随着荷载的增加并克服了黏结力与摩擦力，相对滑移逐渐增大，荷载超过开裂荷载后，混凝土翼板出现横向裂缝，荷载-滑移曲线进入明显的非线性阶段。随着荷载的进一步增加，混凝土与齿状连接件接触的部分更多地进入塑性阶段，部分混凝土被压碎，滑移逐渐加快，非线性特征越来越明显。
(1)对比试件ST-3和ST-6的试验结果可分析压型钢板对组合梁抗剪性能的影响。对比分析发现：无压型钢板组合梁比有压型钢板组合梁的开裂荷载、开裂滑移、极限荷载和极限滑移都大，说明无压型钢板组合梁的抗剪承载力较好。同时观察到，在ST-6曲线的塑性阶段前期，曲线斜率明显大于ST-3的试验结果，由此可以判定，无压型钢板组合梁的塑性性能要好于有压型钢板组合梁。
(2)对比试件ST-1、ST-2、ST-3的试验结果可分析齿口高度对组合梁抗剪性能的影响。对比分析可知：在相同条件下，随着试件齿口高度的增加，极限荷载和极限滑移均逐渐减小，说明试件的抗剪承载力逐渐下降。
(3)对比试件ST-3、ST-7和ST-8的试验结果可分析混凝土强度等级对组合梁抗剪性能的影响。对比分析可得：随着混凝土强度等级的提高，试件的极限荷载和极限滑移均逐渐增大，说明试件的抗剪承载力随着混凝土强度等级的提高而有所提高，这也与推出试件试验破坏是混凝土局部压碎导致破坏的结论相符。
(4)对比试件ST-4和ST-11、ST-5和ST-12以及ST-3和ST-10可分析不同配筋率对组合梁抗剪性能的影响。由试件ST-4和ST-11的试验结果可得：在混凝土翼板宽度为150 mm时，随着配筋率的增大，组合梁开裂荷载、开裂滑移、极限荷载和极限滑移都增大。由试件ST-5和ST-12试验结果以及试件ST-3和ST-10试验结果可得：在混凝土翼板宽度为100 mm时，随着配筋率的增大，组合梁开裂荷载、开裂滑移增大，极限荷载也增大，但极限滑移相对减小。这说明：随着配筋率的增大，组合梁的抗剪性能提高；增大混凝土翼板宽度，也能有效提高组合梁的抗剪性能。 1.4 受剪承载力公式
剪力连接件是实现组合梁中钢梁和混凝土翼板协同工作的关键元件，《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)中已给出几种不同类型剪力连接件承载力设计值的计算公式，其中关于圆柱头焊钉(栓钉)连接件的承载力设计值由下列公式确定。
.≤0.7Asγf (1)
式中:Ec为混凝土的弹性模量；fc为混凝土的抗拉强度设计值；As为圆柱头焊钉(栓钉)钉杆截面面积；f为圆柱头焊钉(栓钉)抗拉强度设计值；γ为栓钉材料抗拉强度最小值与屈服强度之比。
当栓钉材料性能等级为4.6级时，取f=215 N·mm-2，γ=1.67。
参考栓钉承载力公式，对腹板嵌入式压型钢板组合梁剪力连接件的承载力进行分析，对比试验结果可以得出：推出试件的主要破坏形式为混凝土板的纵向劈裂破坏，其极限承载力和混凝土强度等级、弹性模量等有着密切关系。统计分析推出试验中的10个推出试件的结果，可得到剪力连接件的承载力公式。
..874 (2)
式中:Ec为混凝土的弹性模量；A为受剪面积。 2 结 语
剪力连接件是钢-混凝土组合梁中的关键元件，它的性能直接影响到钢-混凝土组合梁的承载力和各项性能。本文考虑不同齿口高度、不同混凝土强度等级、不同配筋率以及有无压型钢板等影响因素，设计制作12组腹板嵌入式压型钢板组合梁，并对其进行剪力连接件推出试验，得到以下结论。
(1)通过观察钢板剪力连接件的破坏形式，并结合试验中的现象可以得出，推出试件的破坏为齿口周围混凝土的局部压碎，局部裂缝进而在受力方向扩展贯通，形成纵向通长裂缝，造成试件中混凝土板的劈裂破坏。
(2)由试验数据分析可得，适当增强混凝土强度等级，增大配筋率等参数，可在一定程度上增强组合梁的抗剪性能。齿口高度对组合梁的抗剪性能也有一定的影响，但并非越高越好。
(3)由对比试验结果还发现，压型钢板对组合梁的抗剪性能提高没有作用，相反还降低了组合梁的抗剪塑性性能。但考虑到压型钢板可以作为施工平台和永久模板，且能增加倒T梁的侧向刚度和整体稳定性，腹板嵌入式压型钢板组合梁也具有一定的工程应用价值。
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