波形鋼腹板—混組合結構栓釘連接件抗剪性能初步試驗分析

黃奕森，鄭恒斌，謝慶奮，李 榮，陳穗茵

(華南農業大學水利與土木工程學院，廣東 廣州 510642)

1 引 言

世界上第一座波形鋼腹板組合箱梁橋Cognac橋于1986年建于法國。隨后，因與傳統的預應力混凝土結構相比，鋼混組合結構具有自重輕、材料充分發揮、施工與組裝方便、整體美觀等突出優點，使得這種鋼混組合結構引入世界許多國家。截至2014年，中國已經建成的和正在建造的波形鋼腹板組合箱梁橋已超20座。

波形腹板工字鋼-混組合梁橋是通過剪力連接件將鋼梁與混凝土橋面板有效連接成整體并共同受力的一種橋梁結構型式。通過剪力連接件的連接作用，混凝土橋面板對鋼梁受壓翼緣起約束作用，從而增強鋼梁的穩定性，有利于材料強度充分發揮。結構高度的降低，使結構外形更加纖巧，提升橋梁的景觀效果，有利于增加橋下凈空或降低橋面標高。

已有試驗結果表明，理想的剪力連接件的設計，應當為組合梁結構提供足夠的、完整的組合作用，而其關鍵在于剪力連接件的連接作用。目前常用剪力連接件可分為4類：栓釘連接件、型鋼連接件、PBL連接件、鋼筋連接件。栓釘連接件由于受力性能好，無需考慮剪力方向，設計簡單，施工方便，是目前各國采用最多的連接件形式。

雖然栓釘連接件應用較多、具有諸多優點，但同時也存在波形鋼腹板與頂底板混凝土連接處內力較大、受力復雜、栓釘高度受限等問題尚未深入研究。基于此本文擬從栓釘承載力的角度開展初步試驗研究，因橋梁大多以RPC材料為主，故擬在栓釘參數相同的條件下進行RPC與普通強度混凝土的對照實驗，以期掌握RPC和普通混凝土組合梁栓釘剪力鍵整體抗剪規律，得出栓釘抗剪承載力的范圍。

2 試驗方案

2.1 試件制作及測點布置

本試驗兩試件參數除混凝土材料不同外其他參數均相同，其中1號試件為RPC、2號試件為C50，栓釘直徑10 mm長度50 mm，橫縱間隔150 mm依照4×4布置，混凝土厚度50 mm，鋼板厚度50 mm。鋼底板采用Q345A鋼材；栓釘采用ML15AL圓柱頭焊釘。RPC材料由廣東冠生土木工程有限公司提供并澆筑，與現場施工一致；RPC由于其特殊性，需采用蒸汽養護。C50材料則按照通用配方在實驗室進行配比、攪拌、澆筑。試件及測點布置圖見圖1所示。在圖1中左右兩側混凝土分別記為L、R，栓釘排數由上至下記為1～4；每排栓釘的1～3號應變片分別取平均值并記為1、2、3，如L1-1表示左側第一排的所有1號片的平均值。

圖1 試件示意圖及測點布置圖(單位：mm)

2.2 加載過程

實驗加載在WHY-5000型微機控制全自動壓力試驗機的試驗臺上進行，整個加載過程采用電腦控制。本實驗為破壞性實驗，最終加載至試件破壞時結束。以位移方式加載，由于試件內部存在間隙，初期加載速率為0.01 mm/s，達到壓實效果，在加載至約200 KN時設為0.005 mm/s直至加載過程結束。

3 試驗結果及分析

3.1 荷載-位移規律

在加載過程中測量了混凝土整體滑移量，并依此繪制了兩組試件的荷載-混凝土整體滑移曲線，見圖2所示。

圖2 兩組試件的荷載-混凝土整體滑移曲線

分析圖2可知，Ⅰ、Ⅱ號試件的極限抗剪承載力分別約為500 KN和750 KN，每個試件兩側共有32個栓釘，每個栓釘極限抗剪承載力分別約為15.6 KN和23.4 KN。在整個加載過程中Ⅰ號試件的整體滑移量均小于Ⅱ號試件。發現不合理的規律：(1)在其他條件相同的情況下，強度較高的混凝土試件其極限抗剪承載力反而較小，Ⅰ號試件的極限抗剪承載力僅為Ⅱ號試件的67%左右；(2)Ⅰ號試件的極限抗剪承載力未達到規范值，Ⅱ號試件達到規范值，但安全儲備過小。本文認為出現以上問題的主要原因是栓釘焊接效果不好所致。由此表明，栓釘焊接質量在鋼-混連接件中起到關鍵性作用。栓釘焊接質量必須得到保障，否則無法對剪力連接件的抗剪承載力進行定量分析。

3.2 荷載-應變規律

對應變數據進行處理，剔除不合理以及損壞的應變片數據后，進行應變數據分析，獲取同一個試件兩側對應的栓釘應變數據規律以及同一側不同排的栓釘應變數據規律。

圖3 (兩組試件各排栓釘1號片荷載-應變曲線)

分析圖3可知，兩個試件左右兩側第一排和第四排栓釘的1號片數據都較為吻合，在相同的荷載下，第一排的1號片應變都比第四排的應變大。因為在栓釘剪斷之前，靠近加載面的第一排栓釘比第四排承受更大的剪力。隨著荷載繼續增加，在接近極限荷載時，第一排各栓釘1號片應變快速增長，直至應變片破壞，此時第一排栓釘即將剪斷，隨后剪力將繼續作用到第二、三、四排栓釘上，直至其出現上述應變猛增然后栓釘剪壞的現象。

圖4 (兩組試件各排栓釘2號片荷載-應變曲線)

分析圖4可知，在加載過程中，兩試件的各排2號片所在位置受力變形依然較大，圖中橫坐標軸數值也較大，在最終栓釘剪斷時，應變數值已超過應變片限值，應變片破壞。此外，當荷載接近極限荷載時，也同樣出現上述應變突增的情況，這說明栓釘在破壞時一般是比較突然的，而且栓釘靠近根部的中下部(離根部約2 cm)都有比較大的變形。

栓釘3號片的應變最大值普遍沒有超過1 000個微應變，即整個加載過程中3號片所處位置一直處于彈性階段，其最大微應變還沒達到栓釘的屈服應變。再因兩組試件各排栓釘3號片荷載—應變曲線十分凌亂，在荷載上升段有一定吻合，在荷載下降段離散性非常大，故圖片展示意義不大。而本實驗3號片在最遠離根部處，整個過程受力最小，這可以解釋上述荷載—應變曲線的變化。

4 結 論

通過對比兩個試件的加載破壞情況及結果分析情況，可初步掌握RPC與普通高強混凝土組合梁栓釘連接件的整體抗剪性能規律，并得出以下結論：

(1)栓釘焊接質量在鋼-混栓釘連接件中起到關鍵性作用，且栓釘焊接質量會直接影響栓釘破壞時的承載力大小。必須保證焊接質量，否則無法對剪力連釘焊接質接件的抗剪承載力進行定量分析。

(2)整體上，在加載過程中越靠近加載面的栓釘的受力，位移，應變等數據的數值越大。

(3)栓釘個體上，根部受力變形最大；距離根部2 cm處受力變形次之，不可忽略；頭部變形相對較小。