S-PC剪力鍵荷載-滑移規律實驗

唐 亮， 周志祥， 徐 建， 向 紅

(重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074)

0 引言

鋼混組合結構是在鋼結構與鋼筋混凝土結構基礎上發展起來的一種新型結構，它通過剪力鍵將鋼與混凝土兩種不同的材料連接起來，用以抵抗在各種載荷作用下，鋼和混凝土之間的滑移和分離，使兩者協同工作。隨著組合結構的應用日趨廣泛，剪力連接件的研究也愈加受到重視。本文中所提出的S-PC剪力鍵特點在于:剪力鍵與鋼箱的固接是通過后澆混凝土來實現的。這使得S-PC剪鍵有諸多優點:能夠使用預制橋面板，能夠對橋面板單獨張拉預應力，能夠防止負彎矩區的開裂等，是一種適合于裝配式鋼箱-預應力混凝土組合連續剛構橋的剛性剪力鍵。在以往學者研究中[1-4]，不論是帶頭栓釘式的柔性剪力鍵或是槽鋼式的剛性剪力鍵，都集中于剪力鍵自身及混凝土的強度，而鮮有后澆混凝土對其性能影響。為了更好地掌握和了解聯結混凝土橋面板和鋼梁的S-PC剪力鍵的工作性能，特別是后澆混凝土對其性能影響，需要試驗研究S-PC剪力鍵的變形性能，加載全過程中荷載-滑移規律，了解S-PC剪力鍵以及后澆混凝土的工作性能，獲得S-PC剪力鍵的荷載-滑移曲線和破壞形態，為SBPC組合連續剛構橋的設計提供可靠數據。本試驗對兩組5個試件進行了推出試驗，并根據實驗結果提出了S-PC剪力鍵荷載-滑移關系計算公式，最后利用有限元軟件進行了全截面應力的計算模擬。

1 試驗

本試驗設計了兩類共5個試件，第一類有3個試件，每個試件設計為正反兩面各2個剪力鍵，編號分別為N1，N2，N3。第二類每個試件設計為有2個剪力鍵，相當于第一類試件中N1，N2試件的半個模型，尺寸參數與N1，N2試件對應部分相同，編號分別為:N1A、N2A。

剪力鍵采用5號槽鋼，高度5 cm，考慮到是豎向加載的推出試驗，故簡化了S-PC剪力鍵的環形錨固鋼筋，用直徑8的直鋼筋焊接于5號槽鋼上面予以代替。其中，對N2和N2A試件的槽鋼剪力鍵倒外圓角。全部試件中間的鋼構件均為工字形構件，工字形構件上、下各有一塊鋼板封端，鋼板厚度均為6 mm。全部試件混凝土板均為預制板，預制時預留剪力鍵孔，裝配完成后再現澆筑剪力鍵孔中的混凝土。推出實驗試件的代表性型式構造見圖1，裝配完成并澆筑后見圖2。

圖1 試件N1及N1A形式及構造圖(mm)

加載試驗前預估算得到每類剪力鍵的名義設計承載力F，先按0.2F預壓2次，每次持荷5 min，以消除非彈性變形的影響。預壓完成后進入正式加載測試工況，典型加載工況如表1所示。

表1 N1推出試件加載工況

圖2 裝配試件后澆筑剪力鍵孔

剪力鍵試件的加載在重慶交通大學結構實驗中心的萬能試驗機上進行，位移測量裝置布置在剪力鍵處和兩對剪力鍵之間，共用6個百分表進行測量，對N1A和N2A試件，位移測量點布置在剪力鍵處，共2個百分表測點，如圖3所示。

圖3 試件測點布置圖

2 試驗結果分析

2.1 實測荷載-滑移曲線

圖4所示曲線為N1、N2、N3試件中部(即圖3中測點2、5)的荷載-滑移曲線平均值，中部的荷載-滑移曲線能更好地體現試件的平均滑移。可以看出，在加載初期，曲線陡直，呈線性;隨之曲線斜率緩慢變小，表現出明顯的非線性;繼續加載，曲線斜率逐漸變小，趨于較小的恒定斜率值。根據S-PC剪力鍵的曲線特征，將其工作階段劃分為彈性、彈塑性和塑性階段。

圖4 N1、N2、N3試件中部的荷載-滑移曲線

2.2 試件破壞形態

試件加載全過程中，當荷載首次達到0.33Qu時(Qu為S-PC剪力鍵抗剪強度)，剪力鍵孔邊出現一條很短的裂縫，隨著荷載增加，混凝土板表面也出現了少量短裂縫，整個過程裂縫發展緩慢且數量極少，如圖5(a)所示。由于是裝配式構件，加載過程中沒有觀察到鋼與混凝土的剝離，幾乎沒有破裂的響聲。可以認為，當荷載小于0.33Qu時試件為理想彈性工作階段。

當荷載增至0.4Qu時，剪力鍵預留孔內側角隅出現細微裂縫;荷載在0.5Qu內循環反復加載時，裂縫寬度增加不明顯，試件也可近似認為在彈性工作階段。

當荷載在(0.5 ～0.7)Qu時，特別是從 0.7Qu增加至1.0Qu時，裂縫寬度、條數和滑移量均顯著增加，在剪力鍵周圍及下方的混凝土表面出現水平裂縫、斜裂縫和豎向裂縫，試件進入破壞階段，如圖5(b)所示。隨著荷載的進一步加大，剪力鍵下方的裂縫迅速發展，并伴有輕微的響聲，最后剪力鍵因混凝土受壓破壞而喪失承載力，如圖5(c)所示。

圖5 試件破壞全過程圖示

2.3 S-PC剪力鍵荷載-滑移關系

影響S-PC剪力鍵荷載-滑移關系的主要因素有剪力鍵的抗剪強度、剪力鍵外荷載Q、剪力鍵的外型特征、剪力鍵的間距等。綜合所得試驗數據，對試驗結果進行回歸分析，此處分析所用滑移值為上、下剪力鍵處的平均滑移值，將各滑移曲線進行擬合，建立S-PC剪力鍵荷載-滑移曲線關系式:

式中:S為S-PC剪力鍵與混凝土交界面處滑移值，mm;Qu為S-PC抗剪強度;Q為試件荷載，kN。以N3試件為例實測均值與計算值對比曲線如圖6所示。

3 有限元模型建立

通過有限元軟件ABAQUS進行計算，進一步深入研究S-PC剪力鍵的工作性能和特點，建立有限元模型如圖7所示。模型分別由預制混凝土板、鋼筋、工字形鋼構件及剪力鍵構成?；炷帘緲嬯P系采用《混凝土結構設計規范》的單軸受拉和單軸受壓應力-應變關系，工字形鋼構件、剪力鍵和鋼筋的本構關系采用鋼材的彈性-塑性強化模型[5-8]。

圖6 N3計算值與實測值對比

混凝土板、工字形構件及剪力鍵采用實體單元模擬，鋼筋采用桁架單元模擬。剪力鍵與混凝土板的連接方式采用嵌入，剪力鍵與混凝土交界面采用接觸分析[9-12]。加載方式及邊界條件與試驗條件相同，在工字形鋼構件頂端加載，兩塊混凝土板下端支承。

從圖8所示的混凝土板中取C截面，距離剪力鍵承壓面40 mm，沿截面的應力分布位置由xoy坐標系確定，x軸代表混凝土板寬度方向，y軸代表板厚度方向，應力圖中的位置采用該xoy坐標系確定。

截取荷載分別為 205 kN(0.33Qu)和 435 kN(0.7Qu)時，混凝土板沿截面C的最大主應力和最小主應力分布如圖9所示。

從圖中可以看出，最小主應力，即壓應力主要分布在剪力鍵下面的核心受壓區，離開剪力鍵一定區域后，壓應力迅速擴散變小。最大主應力即拉應力的最大值出現的區域，與試驗中混凝土板出現的八字形斜裂縫的位置相對應。

圖7 試件的有限元模型

圖8 應力取值位置

圖9 C截面的主應力

沿剪力鍵承壓面中心線(圖10所示x方向)和剪力鍵棱邊(圖10所示y方向)位置截取剪力鍵的Mises應力分布，如圖11所示。

圖10 應力取值位置

從圖11可以看出，S-PC剪力鍵是一種剛性剪力鍵[13-14]，承壓面中心和棱邊的應力分布差別不大，而根部應力大，離根部越遠應力快速變小，剪力鍵的抗剪力分布主要集中在剪力鍵根部位置。隨著荷載的加大，剪力鍵上的應力也增大，曲線整體向右移動。注意到，剪力鍵棱邊的上端出現應力曲線的反彎[15]，這是因為荷載較小時，整個剪力鍵像懸臂梁一樣受力，根部最大，末端最小，沒有反彎現象發生;當荷載較大時，剪力鍵相對于焊接剪力鍵的鋼構件發生了一定的轉動，由于剪力鍵里面的混凝土在剪力鍵端部約束變弱，剪力鍵末端受力增加，形成了彎剪共同作用，使得應力曲線出現了反彎現象。

4 結語

本文所做S-PC剪力鍵的推出試驗表明，當荷載小于0.33Qu時，試件近似為理想彈性工作階段，卸載后殘余滑移近似歸零;荷載在0.5Qu內循環加載時，試件為近似彈性工作階段，裂縫寬度和殘余滑移量增加均不明顯;當荷載達0.5～0.7Qu時，試件進入彈塑性工作階段;當荷載從0.7Qu增加至Qu時，試件進入破壞階段，裂縫寬度、條數和滑移量均明顯增加直至破壞。

圖11 承壓面Mises應力

根據試驗數據進行回歸分析得到S-PC剪力鍵的荷載-滑移關系，其計算值與實測值吻合良好。對SPC剪力鍵試件通過實體有限元建模，利用ABAQUS通用有限元軟件的分析結果與試驗測試結果符合較好。依據有限元分析結果，揭示了S-PC剪力鍵的傳力機制和不同部位及方向的應力分布規律，為這種后澆混凝土的S-PC剪力鍵的研究和應用打下了基礎。

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