焊釘連接件時變抗剪性能的試驗研究

李運生，侯忠明，趙志楊，張彥玲

（1.石家莊鐵道大學 土木工程學院，石家莊 050043；2.清華大學 土木工程系，北京 100084）

剪力連接件的抗剪承載力可以通過推出試驗來確定。Viest等人開始使用推出試驗對焊釘連接件受力性能進行研究的方法始于20世紀50年代，到目前為止，對一般鋼混凝土組合梁、壓型鋼板組合梁中焊釘連接件的抗剪承載力［1－4］、焊釘連接件在組合梁中的間距和布置［5］、在軸力和剪力共同作用下焊釘連接件的承載力［6－7］、密集型焊釘群的受力狀態［8－9］、以及焊釘連接件的疲勞性能［10－11］等都已發表了相關的研究成果，在這些研究的基礎上各國規范都給出了相應的焊釘承載力計算公式。但是，上述文獻都是在混凝土達到標準養護強度之后，對埋置于其內的焊釘連接件進行研究，而對于無支架澆筑的多跨、長跨、連續組合梁，在施工期間，混凝土板需分階段、按一定順序進行澆筑，各階段之間的間隔澆筑時間根據現場情況從幾小時到幾天不等，在下一階段澆筑完成時，上一階段混凝土的齡期雖未達到標準養護強度，但鋼梁與混凝土板結合面上的剪力連接件能夠提供一定程度的早期抗剪強度，這對組合梁的內力重分布和整體受力性能會產生一定影響，因此需對焊釘連接件的時變抗剪性能進行研究。關于焊釘連接件時變抗剪性能的研究成果很少。Topkaya［12］設計了自錨式推出試驗裝置，將推出試件按混凝土齡期分為8組，通過推出試驗給出了不同混凝土齡期時連接件的抗剪強度及剛度計算公式，但該試驗只包含了焊釘直徑為19mm、混凝土等級為S級［13］的情況，且試驗中試件水平放置，焊釘只焊于鋼梁單側，所給的公式中需要不同齡期混凝土的強度參數，因此需進行不同焊釘直徑及混凝土配比下的連接件推出試驗，采用不同的試驗方法對Topkaya試驗結果進行驗證和補充，并給出更實用的計算公式。筆者在該研究的基礎上，采用常規的立式推出試驗裝置，焊釘直徑采用16mm，混凝土強度等級采用C30，將推出試件按混凝土齡期分組，通過推出試驗對焊釘連接件的時變抗剪性能進行研究，給出抗剪強度及剛度隨時間變化的規律。

1 推出試驗設計及加載方案

1.1 試件設計

進行了焊釘連接件的推出試驗。試驗中按6h、12h、24h、3d、7d、14d和28d的混凝土齡期將推出試件分為7組，每組3個試件，共21個試件。如圖1所示，每個試件兩側的C30混凝土板尺寸為500mm×460mm×150mm，板內鋼筋為φ10mm的HPB235鋼筋；鋼梁采用高510mm的250×250HW Q235型鋼；焊釘直徑16mm，高100mm，每側2個，共4個。

1.2 加載方案

圖1 推出試件尺寸（單位：mm）

試件在試驗室現場澆筑，澆筑前在HW型鋼的翼緣外側涂油，澆筑時兩側混凝土板同時澆筑，人工澆水自然養護。對于加載齡期為6、12、24h的試件，由于混凝土齡期短、強度低，移動過程中易產生早期損傷，故直接在試驗加載位置下方進行澆筑和養護，加載前不再移動。加載時試件置于平整的鋼板之上，為了防止加載過程中混凝土板下部向外側滑移，在混凝土板與鋼板接觸處的外側用角鐵以及鋼桿加以固定，并以HW型鋼的腹板為對稱面，在兩側翼緣焊釘位置分別固定小塊角鋼，將試驗機加載頭中心與試件中心嚴格對中，并在試件頂端與加載頭之間墊膠片，使受力均勻，然后設置百分表對鋼與混凝土之間的相對滑移進行測試。如圖2所示。

圖2 推出試驗加載裝置

加載設備使用1000kN三維多點協調電液伺服動態加載機。分級加載，每次加載3kN，當剪力－滑移曲線出現開始進入平滑段時，每次加載1kN，直到推出試件破壞。每個推出試件試驗過程不超過30min，以保證對混凝土齡期的要求。

2 試驗結果及分析

2.1 破壞現象及剪力滑移曲線

試驗中的每個推出試件都以最終的破壞作為一次試驗的結束。與常規的推出試驗相同，最終的破壞模式也是主要分為2種，即混凝土板的劈裂破壞和焊釘的剪切破壞。推出試件的破壞形式見圖3所示，其中一組試件的主要試驗結果見表1，表中Qu為單個焊釘所能承受的最大剪力，su為對應的最大滑移值，相應的剪力滑移曲線如圖4所示。

圖3 推出試件破壞形式

由表1和圖4可以看出：

1）隨著混凝土齡期的增加，推出試件所能承受的最大剪力增大，最大滑移值則呈下降趨勢；

表1 推出試驗主要結果

圖4 推出試件的剪力滑移曲線

2）由于混凝土齡期較小時強度較低，故在齡期小于3d時推出試件均表現為混凝土板劈裂破壞，而在3d以后，試驗主要表現為焊釘剪切破壞，在一般的焊釘連接件中，若混凝土強度等級較低，3d以后也可能表現為混凝土破壞；

2.2 焊釘連接件抗剪性能的時變規律

在組合梁的設計和計算中，連接件的極限抗剪強度和極限滑移值、設計抗剪強度和設計容許滑移值、抗剪剛度是連接件抗剪性能的重要指標，分別加以討論。

2.2.1 焊釘連接件的極限抗剪強度和極限滑移值

圖5 焊釘連接件極限抗剪強度隨混凝土齡期的變化

圖6 極限滑移值隨混凝土齡期的變化

由圖5可以看出，混凝土齡期為6h時，焊釘連接件的極限強度達到28d齡期的15%，12h時達到35%，24h達到57%，3d達到75%，7d達到83%，14d達到87%，直到混凝土齡期達到28d時達到最大值。這說明隨著時間的推移，焊釘連接件的抗剪強度是持續增加的，并呈現出早期增長快，后期增長慢的現象。因此在混凝土澆筑的早期，焊釘連接件提供的早期組合作用不能忽略，但也不能直接取用28d齡期后成熟混凝土的極限抗剪強度，而應按時間增長規律進行計算。

由圖6可以看出，焊釘連接件的極限滑移值隨混凝土齡期的變化規律不是很明顯，但基本呈現出早期較大，后期較小的趨勢。這是由于早期混凝土強度較低，使得破壞時滑移較大，而齡期超過3d后，連接件主要表現為焊釘的剪切破壞，其極限滑移值變化不大。

2.2.2 焊釘連接件的設計抗剪強度 實際運營中的組合梁結構，即使達到極限狀態，其結合面滑移也達不到剪力連接件的極限滑移值，因此在設計中需確定一個合理的設計抗剪強度。文獻［12］首先將焊釘直徑的1／25定義為設計容許滑移值sd，然后將焊釘剪力滑移曲線中對應于設計容許滑移值的剪切力作為設計抗剪強度Qd；文獻［13］則直接將設計抗剪強度Qd取為極限抗剪強度Qu的80%。針對筆者的試驗數據，按這2種方法得到的焊釘連接件設計抗剪強度Qd隨混凝土齡期的變化見圖7所示。

由圖7可以看出，焊釘連接件設計抗剪強度隨混凝土齡期的變化規律和極限抗剪強度相同。但按照不同的定義方法所得到的結果差別較大。按照文獻［12］中Topkaya定義的焊釘設計抗剪強度值Qd要比文獻［13］中Wang定義的結果小得多。按照文之外，還受混凝土強度等其它因素影響，故為簡便起見，定義0.8mm為設計容許滑移值，將其在推出試件的剪力滑移曲線上對應的剪切力定義為設計抗剪強度Qd。

圖7 焊釘連接件設計抗剪強度隨混凝土齡期的變化

2.2.3 焊釘連接件的剪切剛度 在組合梁的設計和計算中，焊釘抗剪剛度都是重要的指標，但其取值方法目前尚無統一的定義。文獻［12］中Topkaya定義焊釘的抗剪剛度ks為設計抗剪強度處的割線剛度Qd／sd；文獻［13］中 Wang將焊釘抗剪剛度ks保守地估計為0.8mm滑移值位置對應的割線剛度；文獻［14］中劉玉擎則將滑移曲線上通過最大抗剪承載力1／3大小處的割線傾斜度設為抗剪剛度ks。圖8對上述3種不同定義下焊釘抗剪剛度值隨混凝土齡期的變化進行了比較。獻［12］的定義方法，連接件的設計容許滑移值sd為焊釘直徑的1／25，試驗焊釘直徑為16mm，故sd＝0.64mm。對于工程中常用的19、22和25mm直徑焊釘，sd分別為0.76、0.88和1.00mm，將這些sd值所對應的剪切力也繪于圖7中。可以看出，當sd取值在0.64～1.0mm時，所對應的設計抗剪強度差別不大，由于連接件抗剪強度除受焊釘直徑影響

圖8 焊釘連接件抗剪剛度隨混凝土齡期的變化

由圖8可以看出，雖然均以割線剛度來定義焊釘連接件的剪切剛度，但由于對應的荷載不同，3個文獻中所給出的結果有較大差異，割線頂點荷載最小的文獻［14］給出的抗剪剛度最大，荷載最大的文獻［13］抗剪剛度最小，但三者所表現的抗剪剛度隨齡期的變化規律相同，均明顯表現出初期增長快，后期增長慢的趨勢，在混凝土齡期達到3d前，剪切剛度即可達到28d齡期時的60%～70%以上，說明焊釘在混凝土澆筑早期已在組合梁結合面上提供了較大的抗剪剛度。為了與本文在2.2.2節中定義的設計容許滑移值統一，取用文獻［13］中 Wang定義的0.8mm滑移值位置對應的割線剛度作為焊釘連接件的抗剪剛度。

2.3 焊釘連接件抗剪強度及剛度的時變計算公式

2.3.1 焊釘連接件的極限抗剪強度 以28d齡期的3個焊釘連接件極限抗剪強度的平均值為標準，得到試驗數據和文獻［12］中Topkaya試驗數據的極限抗剪強度無量綱數據，并采用最小二乘法對試驗數據進行擬合，得到的擬合曲線如圖9所示，該擬合曲線的相關系數R2＝0.92。焊釘連接件極限抗剪強度的時變計算公式見式（1）。

圖9 焊釘連接件極限抗剪強度擬合曲線

2.3.2 焊釘連接件的設計抗剪強度 根據筆者對焊釘連接件設計抗剪強度的定義方法，以28d齡期的設計抗剪強度Q28d平均值為依據，采用最小二乘法對試驗數據和文獻［12］中Topkaya的試驗數據的無量綱參數進行擬合，得到的擬合曲線如圖10所示，該擬合曲線的相關系數R2＝0.92。焊釘連接件設計抗剪強度的時變計算公式見式（2）。

圖10 焊釘連接件設計抗剪強度擬合曲線

2.3.3 焊釘連接件的剪切剛度 根據筆者對焊釘連接件抗剪剛度的定義方法，以28d齡期的推出試驗結果為依據，采用最小二乘法對試驗數據和文獻［12］中Topkaya的試驗數據進行擬合，得到的擬合曲線如圖11所示，該擬合曲線的相關系數R2＝0.91。焊釘連接件抗剪剛度的時變計算公式見式（3）。

3 結論

1）隨著混凝土齡期的增加，推出試件所能承受的最大剪力增大，最大滑移值下降；齡期小于3d時推出試件主要為混凝土板劈裂破壞。

2）定義0.8mm為焊釘連接件的容許滑移值，其在剪力 滑移曲線上對應的荷載為設計抗剪強度Qd，Qd／0.8為焊釘連接件的剪切剛度。

4）根據筆者提出的連接件抗剪強度及剛度時變公式，可直接通過規范中給定的28d齡期的成熟混凝土與焊釘的剪力連接件抗剪強度計算公式，或28d齡期的焊釘連接件試驗結果，對混凝土任意齡期時焊釘連接件的抗剪強度和剛度進行計算。

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