柔性焊釘連接件抗剪性能試驗及應用研究

摘要：針對鐵路鋼橋正交異性板整體道砟槽組合橋面中，普通焊釘連接件與道砟板相互作用而檢算難以滿足規范要求，提出了一種在普通焊釘周圍包裹橡膠的柔性焊釘連接件，并對其進行了推出試驗。試驗結果表明，這種柔性焊釘具有抗剪剛度較同規格普通焊釘小，而抗剪承載力與同規格普通焊釘接近的力學特性。通過利用其抗剪剛度的可控性與抗剪承載力的可靠儲備，以改善焊釘連接件及混凝土道砟板的受力狀態。

Abstract： For the orthotropic deck combined with integrated ballast trough of the steel railway bridge， the interaction between the general welding studs and integrated ballast board is difficult to meet special requirements， so the new flexible welding stud connector which rubber is wrapped around common nails is developed. The test is conducted and the results show that the shear stiffness of this flexible welding studs is smaller than the same normal ones， while the shear capacity of the ones is close to the same normal ones. So the forcing condition between the welding stud connectors and the concrete ballast board is improved by controlling the shear stiffness， utilizing the reliable reserve of the shear capacity and optimizing the welding studs arrangement.

關鍵詞：組合橋面;柔性焊釘連接件;推出試驗;抗剪性能;外包橡膠套

Key words： combined deck;flexible-welding stud connector;push-out test;shear behavior;out rubber cover

中圖分類號：U441? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）22-0112-03

0? 引言

剪力連接件是鋼-混凝土組合梁的關鍵部件，我國目前應用最廣泛的是焊釘連接件，它不僅用來傳遞鋼梁與混凝土板間的縱向剪力，而且抵抗鋼梁與混凝土板之間的相對滑移和防止掀起，以保證鋼梁與混凝土板整體受力。近幾年來國內外已建或在建的鐵路鋼桁梁橋中，橋面形式大多采用正交異性板道砟槽整體橋面系，其混凝土道砟槽板通過普通焊釘與鋼橋面板組合在一起。

在正交異性板道砟槽整體橋面系中，焊釘連接件僅僅起到固定道砟槽板的作用，設計時并未考慮道砟槽板參與結構的受力。但在鐵路荷載、收縮、徐變及溫度等作用下，由于普通焊釘抗剪剛度、抗剪承載力與混凝土道碴槽板受力的相互制約，焊釘連接件不僅會承受較大的剪力，同時給受拉區混凝土道砟槽板帶來較大拉應力[3][4]。這種情況下就要求使用剛度較小而且又可以起到固定作用的連接件，即柔性焊釘剪力連接件的開發就顯得非常必要[5]。本文通過對普通焊釘進行簡單的改造，開發了一種在普通焊釘周圍包裹一層橡膠的新型柔性焊釘連接件，并對其進行了推出試驗。柔性焊釘連接件構造形式如圖1所示。

1? 柔性焊釘抗剪連接件試驗

1.1 試驗概況

采用推出試驗的方法對新型柔性焊釘連接件受力性能進行了試驗研究，根據外包橡膠長度及厚度，加載方式的不同，共分6組18個模型試件，模型試驗分組如表1所示。焊釘規格為ML15？覫19×100，混凝土采用C40，普通鋼筋采用HRB335，縱向主筋為Ф16，橫向箍筋為Ф12，外包橡膠套采用NR45°的低硬度、耐久性好的天然橡膠制成，如圖2所示。

1.2 模型試件加載及測試方案

推出試驗加載如圖3所示，采用兩側對稱加載的方式，保證均勻給每根柔性焊釘連接件施加剪力，其中滯回加載分10級每級遞增35kN進行加載，加完第10級后直線加載直至破壞。通過力傳感器與位移計，測得荷載-滑移曲線，獲得柔性焊釘連接件的抗剪承載力與對應滑移量，并對試件破壞后的狀態進行觀察，研究焊釘及混凝土的破壞現象。

2? 試驗結果及分析

2.1 試驗破壞現象

通過對6組共18個推出試件的試驗分析，從破壞形式上，所有試件的破壞均為焊釘根部剪斷;從破壞形態上，試件在加載過程中混凝土均未出現裂縫，焊釘根部僅有少量混凝土剝落[6]，柔性焊釘試件相對滑移量明顯大于普通焊釘試件，如圖4和圖5 所示。

2.2 抗剪承載能力

通過布設在試件上的4個高精度位移計測得鋼翼板與混凝土板的相對滑移，通過力傳感器測得實時荷載，取各組試件所有百分表實測數據的平均值擬合的直線加載時焊釘連接件荷載～滑移曲線如圖6所示（圖中H為橡膠包裹高度，t為包裹厚度）。循環加載以及鋼表面涂裝對柔性焊釘的力學性能幾乎無影響，本論文未整理相關計算結果。

根據試驗記錄數據，獲得的各組試件單釘極限承載力、滑移量及抗剪剛度如表2所示，表中焊釘抗剪剛度為荷載-滑移曲線中極限承載力1/3倍荷載對應點至原點割線的斜率[5]。

由以上試驗結果可知，荷載-滑移曲線在前期加載階段普通焊釘明顯陡于柔性焊釘，表明外包橡膠套的新型柔性焊釘連接件具有較小的抗剪剛度;隨著荷載的增加，荷載-滑移曲線呈非線性關系，試件在達到極限承載力后，新型柔性焊釘表現出了明顯的延性特征;而后隨著荷載讀數的降低，所有焊釘均為根部被剪斷，其破壞現象均相似，實測得新型柔性焊釘的抗剪極限承載力與普通焊釘基本一致，表明外包橡膠套對普通焊釘的極限承載力影響較小。

3? 結論

本文結合工程背景，提出了一種橡膠-焊釘組合的新型柔性連接件，并依據6組共18個試件的推出試驗，分析了該連接件的破壞現象、極限抗剪承載力及對其性能的影響因素，得出以下結論：①新型柔性焊釘連接件，通過對普通焊釘的簡單改造即可大幅降低其抗剪剛度，而極限承載力與同規格普通焊釘接近，且施工工序簡便。②新型柔性焊釘連接件根部不予混凝土直接接觸，靠桿部彎曲性能承擔剪力，明顯改善了連接件的延性性能，具有較好抗疲勞性。③基于本次試驗結果對柔性焊釘進行了應用嘗試，今后對其抗剪、抗拉、抗疲勞性能等受力機理有待更全面、深入的研究，積累更多的試驗數據，以便更加合理地應用到組合結構中。

參考文獻：

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作者簡介：任浩天（1998-），男，四川成都人，石家莊鐵道大學土木工程專業在讀。