钢-混凝土组合结构界面受力行为初探

杨晓巍，李小琴，赖靖宁，胡　豪，朱双燕

(西南交通大学土木工程学院, 四川成都 610000)



钢-混凝土组合结构界面受力行为初探

杨晓巍，李小琴，赖靖宁，胡豪，朱双燕

(西南交通大学土木工程学院, 四川成都 610000)

钢-混凝土组合结构构件具有承载力高、塑性韧性好、防腐、耐火及防火性能好等诸多优点得到广泛应用。文章对钢-混凝土组合结构采用栓钉剪力连接件和开孔钢板PBL剪力连接件展开试验研究，对混凝土滑移量和应变进行监测分析。试验结果表明：采用栓钉剪力连接件的钢-混凝土组合结构极限承载力明显低于开孔钢板PBL剪力连接件下的钢-混凝土组合结构，前者破坏形态呈脆性破坏，后者延性效果优于前者，且界面受力行为体现在混凝土板裂缝形态上，充分发挥了界面粘结应力强度以及混凝土的抗压性能。

钢-混凝土组合结构；栓钉；剪力连接件；开孔钢板

钢-混组合结构历史可以追溯到17世纪。随着建筑结构黄金年代的到来，从20世纪至今得到了跨越式的发展。在国外，钢-混凝土组合结构的大量应用始于二次世界大战后，主要用于恢复战争破坏的房屋和道路桥梁。而在我国，钢-混凝土组合结构的研究和应用起步较晚，从20世纪50年代才开始开展组合梁的研究和应用，通常将钢管混凝土、型钢混凝土结构与钢筋混凝土结构构件组合起来，从而形成以钢-混凝土组合构件为主要承重构件的新型结构体系。近年来,钢-混凝土组合结构在桥梁加固改造中得到了越来越广泛的应用[1]。

钢-混组合结构是在钢结构与钢筋混凝土结构的基础上发展起来的一种新型结构，具有承载力高、塑性韧性好等优点[2]。目前国内外学者对界面性能和剪力连接件进行了大量的研究。对于粘结-滑移宏观效应的研究，清华大学的聂建国等人[3]采用折减刚度系数法来进行模拟，取得了较好的效果。西南交通大学的占玉林[4]采用折减刚度法对PBL剪力连接件的粘结-滑移现象进行了研究，将PBL剪力键等效为栓钉，与实验结果吻合较好。PBL剪力连接件的破坏模式主要有孔内混凝土榫的剪切破坏、焊缝的剪切破坏以及开孔间钢板薄弱处的剪切破坏。随着国民经济不断发展，对钢-混凝土组合结构的安全、耐久性提出了更高的要求，因此还需要进一步的研究。

钢-混组合结构的破坏主要源于两部分：一是材料方面的强度破坏；二是异种材料连接界面的破坏。研究钢-混凝土组合结构界面受力性能可以指导剪力连接件的性能提升与品种开发，将钢-混组合结构的研究与发展推向一个新阶段。在今后很长一个时期内，钢-混组合结构对建设活动而言，仍然具有重要地位，研究其界面受力行为，对钢-混组合结构的进一步发展具有重大意义。

1　试验概况

1.1试件设计及材料性能

混凝土板采用普通混凝土，尺寸为650 mm×150 mm×600 mm，设计强度为C60。粗骨料最大粒径20 mm，箍筋采用φ12@150，纵筋为4φ12，位于箍筋内侧四角；钢梁采用H型钢，尺寸为HW250×250×9×14，材料为Q235钢材。

钢筋抗拉屈服强度为fy=269 MPa，混凝土力学性能如表1所示。剪力连接件采用栓钉和开孔钢板(PBL)，栓钉φ12长度120 mm，分布为1行2列，开孔钢板PBL尺寸为400 mm×120 mm×12 mm，开孔直径50 mm，贯穿钢筋直径12 mm。栓钉和开孔钢板PBL焊接在钢梁上(图1)，栓钉-混凝土组合试件和开孔钢板PBL-混凝土组合试件在本次研究中各浇铸3个试件。

表1　混凝土力学性能

图1　剪力连接件与钢梁连接

图2　剪力连接件与板整体浇筑

图3　滑移和应变测点布置

1.2试验加载及测试方案

栓钉试件和PBL 试件焊接在H型钢梁上，同板的钢筋笼绑扎在一起，整体浇筑混凝土(图2)。试件制作完成后，经过潮湿养护后进行试验。为监测界面滑移量，在混凝土板上粘贴角钢作为8 个百分表测点的定位支点(图3)，6号、7号、8号与3号、4号、5号百分表对称布置；为监测界面应变分布，在钢梁翼缘和混凝土板内侧粘贴3 个应变花，布置在钢梁翼缘上(图3)。混凝土板内侧的粘贴位置在同高度钢-混凝土接触面附近。

在正式加载前，按屈服荷载的5 %加卸载两次，检查仪器仪表工作是否正常。在屈服荷载前以10 %fy作为荷载增量，构件屈服后以5 %(fu-fy)进行加载，当荷载-滑移曲线接近水平段时，采用位移加载。每级加载完成后稳定5 min，读取应变值及滑移量。

2　试验结果及分析

根据试验方案，对两种不同剪力连接件下的钢-混凝土组合结构进行加载试验，采集各级荷载下的应变值以及滑移量。栓钉组合结构与PBL组合结构在各级荷载下的滑移量如图4、图5所示。从图4、图5可以看出，栓钉组合结构与PBL组合结构荷载-滑移曲线呈现如下规律：栓钉组合结构极限承载力为289 kN，而PBL组合结构极限承载力达到1 177 kN，后者明显大于前者；在200 kN、1 000 kN以内，栓钉组合结构、PBL组合结构荷载与滑移值呈线性增长关系，此阶段结构处于弹性阶段；对于栓钉组合结构，从200 kN加载到289 kN过程中，进入塑性强化阶段，此阶段滑移值为4.58 mm，而PBL组合结构从1 000 kN加载到1 177 kN也进入塑性强化阶段，滑移值达到8 mm。后者滑移量明显大于前者，但前者此阶段滑移量在破坏前所占的比值大于后者。达到极限承载力后，二者破坏形式明显不同，前者由于栓钉在剪力下断裂导致构件立即失效，发生脆性破坏，而PBL组合结构达到承载力后进入塑形破坏阶段，承载力缓慢下降，滑移量逐渐增大，在破坏前滑移量达到30.29 mm，承载力下降到783 kN,破坏前征兆明显。

图4　栓钉组合结构荷载-滑移曲线

图5　PBL组合结构荷载-滑移曲线

另一栓钉组合结构因加载时存在偏心，但与轴心荷载下的荷载-滑移曲线趋势基本一致(图6)，进一步说明栓钉组合结构与PBL组合结构的不同。

图6　栓钉组合结构(偏心加载)荷载-滑移曲线

从荷载-滑移曲线可以看出，两种剪力连接件钢-混凝土组合结构破坏形式明显不同。试验结束后发现，其破坏形态如图7、图8 所示。在图7中，栓钉在与钢梁结合处发生剪切破坏，由于该处剪力最大，超过栓钉最大承载力时导致剪断，栓钉与混凝土板之间的界面粘结力没能充分发挥作用。在图8中，开孔钢板与钢梁整体连接牢固，其最大抗剪承载力大于混凝土抗压承载力，在焊接处未发生如栓钉那样的剪切破坏。PBL组合结构，在破坏过程中，首先在中部产生竖向裂缝，主要因为PBL板对混凝土的劈裂作用导致混凝土开裂。竖向裂缝产生后，PBL板产生较大的滑移，因PBL与混凝土板界面上存在较强的粘结力，使得竖向裂缝中间段混凝土受拉，箍筋处保护层较薄且混凝土抗拉强度低，最终导致在箍筋处产生两条水平裂缝。随着荷载的增加，在局部压力作用下导致PBL下端的混凝土板产生竖向和斜向贯通裂缝，最终导致组合结构发生破坏，这也充分发挥了混凝土的抗压性能。

图7　栓钉剪切破坏

图8　混凝土板贯通裂缝破坏

根据应变测量方案，可以获得栓钉组合结构混凝土板的主应变及其方位角，如图9、图10所示。从图9得知，除开始阶段下部混凝土主应变ε2为压应变，混凝土上中下3个测点混凝土两个方向主应变均为拉应变，因栓钉对混凝土产生拉拔力；混凝土板中部即栓钉与混凝土界面结合处混凝土主应变ε1最大，由于栓钉与混凝土的界面粘结力主要集中在中部，向上下测点逐渐衰减。图10为主应变的方位角，上部和下部方位角随荷载增加而逐渐减小，而中部方位角由正向逐渐向负向发展且绝对值逐渐增大，这反映出上中下3个测点混凝土受力状态的变化，中部测点混凝土受剪；上下测点混凝土受拉愈来愈明显。根据有关文献，栓钉数量、尺寸、材料性能以及布置方式等因素可能会影响到组合结构的承载力。在本次试验中，由于试件的局限性，对这些影响因素还待进一步分析。

图9　栓钉试件混凝土主应变

图10　栓钉试件混凝土测点主应变方位角

3　结论及展望

本文对钢-混凝土组合结构使用栓钉和开孔钢板PBL两种剪力连接件进行了试验研究，根据试验结果，可以得到如下结论。

(1)栓钉剪力连接件和开孔钢板PBL剪力连接件对钢-混凝土组合结构极限承载力影响程度不同，一般情况前者小于后者。若栓钉数量增多，承载力相应提高。

(2)采用栓钉剪力连接件和开孔钢板PBL剪力连接件的钢-混凝土组合结构破坏模式不同，前者多表现为栓钉剪切破坏，属于脆性破坏，破坏前没有明显征兆，后者为混凝土板贯通裂缝破坏，属于延性破坏，破坏征兆明显，即有较大的滑移量和逐渐增长的裂缝宽度，在实际工程设计中优选后者。

(3)试验中的栓钉剪力连接件组合结构还未充分发挥材料的性能，栓钉就发生剪切破坏，这与栓钉数量、布置方式等因素有关。

(4)开孔钢板PBL剪力连接件的界面受力性能明显优于栓钉剪力连接件，这主要体现在混凝土板裂缝形态上，前者在混凝土板上产生明显的裂缝，后者混凝土未能开裂。

钢-混组合结构是被世界各国广泛采用的结构之一，它充分发挥了钢材和混凝土的材料性能，兼具有减小构件截面、提高防火和抗震性能等特性，且施工技术容易达到要求，经济效益良好，目前已得到了很好的发展及推广应用。界面剪力传递直接影响了组合结构的力学性能，一直是组合结构力学行为研究的热点和难点。剪力连接件形式多样，制作工艺简单，施工技术方便，质量容易保证，得到了广泛应用，取得到了良好的效果。

鉴于钢-混组合结构在建筑业内的广泛需求及重要意义，我国已提出了大批钢-混组合结构新形式，如钢管混凝土桁架组合梁、钢腹板-混凝土组合拱、钢管混凝土劲性骨架柱和拱等。在未来的很长一段时期内，钢混组合结构仍将作为最重要的结构型式之一而继续应用和发展。我们应不断总结实践经验，完善规范，同时加强应用推广，并根据工程实际及国际新发展趋势，加强组合结构的创新性研究，更好地促进我国组合结构学科发展和基础设施建设的技术进步。

[1]聂建国，陶慕轩, 樊键生，等.钢-混凝土组合结构在桥梁加固改造中的应用研究[J].防灾减灾工程学报，2010，30(增刊):335-344.

[2]白晓红，白国良.新型钢-混凝土组合结构的应用与展望[J].工业建筑，2006，36(增刊):521-527.

[3]聂建国.钢-混凝土组合结构桥梁[M].北京:人民交通出版社，2011.

[4]占玉林，赵人达，向天宇，等.考虑刚度折减的钢-混凝土组合桥面板挠度分析[J].四川建筑科学研究，2012，38(6):14-17.

[5]苏小波，李小珍，肖林，等. PBL剪力键力学性能的研究现状及展望[C]//第21届全国结构工程学术会议论文集第Ⅱ册.2012.

[6]聂建国，王宇航，樊健生，等. 钢-混凝土组合梁加宽混凝土旧桥技术中组合横梁界面受力性能研究[J]. 土木工程学报，2012，45(3):99-109.

杨晓巍(1994～)，男，研究生，研究方向为土木工程。

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[定稿日期]2016-05-30