重复加载下抗剪连接件的力学性能试验

王 枭, 邓文琴, 张建东, 刘 朵, 倪伟楠

(1. 华中科技大学 土木工程与力学学院, 湖北 武汉 430074; 2. 山西路桥建设集团股份有限公司, 山西 太原 250001; 3. 南京工业大学 土木工程学院, 江苏 南京 211816; 4. 苏交科集团股份有限公司, 江苏 南京 211112)

钢-混凝土组合结构能够充分发挥钢材和混凝土两者的优势,抗剪连接件作为钢-混凝土组合结构受力关键部位,国内外学者已开展了大量试验研究工作.钢-混凝土组合结构抗剪连接件的形式可分为翼缘型、嵌入型和复合型.其中翼缘型连接件具有较好的承载力和抗剪刚度,且施工方便,受到国内外业界的重视.翼缘型连接件主要包括栓钉连接件、型钢连接件和PBL连接件等3种,目前国内外研究最多的翼缘型连接件为栓钉连接件[1-4].与传统的栓钉连接件相比,型钢连接件和PBL连接件具有抗剪强度大、承载力高和延性好等优点[5-8].但各国相关规范中对型钢连接件和PBL连接件的承载能力、抗剪刚度、抗震性、疲劳性能等还没有明确定义.因此，工程中,为确保结构的安全性,不得不采用过高的安全系数,而降低了材料的实用性.为此,为方便施工,减少焊接量,笔者提出一种新型槽钢连接件,并基于某桥的抗剪连接件,开展角钢连接件、槽钢连接件和Twin-PBL(T-PBL)连接件1 ∶1模型的静载及重复荷载推出试验,分析3种连接件在两种加载工况下的受力性能.

1 试验概况

1.1 试件设计

本试验基于某桥剪力连接件尺寸和设计要求,材料选用Q345B钢,屈服强度为400 MPa,极限强度为520 MPa,弹性模量为2.1×105MPa.采用1 ∶1足尺寸试件,共设计了3组连接件试件,即角钢连接件、槽钢连接件及T-PBL连接件,每组4个试件.试件尺寸如图1所示.

图1 试件尺寸构造图 (单位:mm)

推出试验试件参数如表1所示,其中试件的型钢规格皆为320 mm×180 mm×16 mm.同时,浇筑了规格为100 mm×100 mm×100 mm混凝土立方体试块,其强度等级为C50,与试件同时进行养护,测试其28 d龄期抗压强度为40.26 MPa.试件所用钢筋分别为混凝土中的构造钢筋Φ10及抗剪连接件贯穿钢筋Φ25,均采用HRB335钢筋,其抗拉强度分别为559 MPa和570 MPa.

表1 推出试验试件参数

1.2 加载方案

试验加载分为单调加载和重复加载两组.加载装置采用液压式四柱压力试验机,如图2所示.

图2 加载装置

加载时,通常试件屈服前采用荷载控制,试件屈服后则采用位移控制.单调加载时,以极限荷载的5%为增量,试件屈服后采用位移控制,直至破坏.重复加载时,以极限荷载的5%为增量,待加到每一级设定荷载后卸载,每级重复3次,试件屈服后采用位移控制,每级变形以屈服位移为倍数控制,直至试件破坏,如图3所示.其中，P为荷载，δ为位移.

图3 重复加载方法示意图

2 试验结果及分析

2.1 荷载-位移关系

2.1.1 单调加载

位移曲线均呈线性关系,位移增量很小,荷载增加较大,此时试件处于弹性阶段;加载至屈服荷载后,试件进入弹塑性阶段,该阶段荷载随位移的增加而非线性增加,且随位移增加,荷载增加幅值越来越小,直至连接件达到极限承载力状态;当达到极限荷载后,角钢连接件和新型槽钢连接件呈现荷载下降,此时连接件承受的剪力不断下降,但位移持续增长,直至试件完全破坏.而T-PBL连接件在第1次达到极限荷载后,随着荷载缓慢增长,试件产生一定变形后,荷载又出现一个加速上升阶段,在荷载-位移曲线上出现第2个峰值点.这是由于T-PBL连接件出现一定滑移后,孔中混凝土榫被压碎,开孔钢板与横向贯穿钢筋直接接触,导致承载力有所恢复.

由图4d荷载-位移曲线和表2可以看出:在荷载线性增加阶段,当发生相同的相对位移时,槽钢连接件承载力明显高于另外2种,T-PBL承载力最小;在荷载-位移非线性增加阶段,槽钢连接件承受的剪力也明显高于角钢和T-PBL,槽钢的最大承载力比角钢大47.5%左右,比T-PBL连接件大92.1%左右;在达到极限荷载时,角钢和槽钢连接件相对位移差不多,而T-PBL连接件位移比角钢和槽钢连接件则要高出很多,极限相对位移由大至小依次为T-PBL连接件(34.3 mm)、角钢连接件(12.2 mm)和槽钢连接件(9.2 mm).另外,由表2可知：双开孔钢板连接件的延性最好,角钢连接件的延性略优于槽钢.

图4 单调加载荷载-位移曲线

连接件类型试件编号Py/kNP-y/kNδ-y/mmPmax/kNP-max/kNδ-max/mmPu/kNP-u/kNδ-u/mmμJG-13 0003 0501.53 8103 7235.03 2393 16412.28.1角钢JG-23 1003 0501.53 5603 7235.03 0263 16412.28.1JG-33 0503 0501.53 8003 7235.03 2303 16412.28.1CG-14 4504 7501.54 9705 4903.74 2254 6679.26.1槽钢CG-24 8004 7501.55 4205 4903.74 6074 6679.26.1CG-35 0004 7501.56 0805 4903.75 1684 6679.26.1TP-11 8001 7330.63 0002 85813.22 5502 43034.357.2T-PBLTP-21 6001 7330.62 9402 85813.22 4992 43034.357.2TP-31 8001 7330.62 6352 85813.22 2402 43034.357.2

2.1.2 重复加载

重复加载作用下的试验结果见表3.试件滞回曲线如图5所示.滞回曲线是构件在重复荷载作用下得到的荷载-位移关系曲线,滞回曲线能够反映出构件的刚度退化、耗能能力及延性等力学性能,是构件抗震性能的综合体现.从试件的滞回曲线图可以看出: 3种连接件的滞回曲线都比较饱满,表现出良好的耗能能力;在试件屈服前,随着荷载的持续增加,荷载和位移基本呈线性关系,加载与卸载曲线基本重合,滞回环包围的面积很小,试件处于弹性工作状态；随着荷载的持续增加,在试件屈服后,滞回环包围的面积也不断增大,试件刚度不断退化,残余变形不断变大,试件进入弹塑性工作状态；随着循环次数的增加,试件相对位移不断增大,循环的最大荷载也在不断降低,说明试件内部不断出现新损伤,耗能不断增加,直至试件破坏.

表3 重复加载试验结果

2.1.3 骨架曲线

骨架曲线是指滞回曲线中每级加载的第1次循环的峰值点所连接的外包络曲线.各试件单调加载平均荷载-位移曲线及重复加载的骨架曲线如图6所示.

由图6、表2和表3可知:各试件在重复荷载作用下,骨架曲线与其单调加载的荷载-位移曲线基本一致;角钢连接件单调加载最大荷载为3 723 kN,对应相对位移为5.00 mm,重复加载最大荷载为3 100 kN,对应相对位移为6.32 mm;槽钢连接件单调加载最大荷载为5 490 kN,对应相对位移为3.70 mm,重复加载的最大荷载为5 460 kN,对应相对位移为4.21 mm.由此可知：与单调加载试验的试件相比,角钢连接件重复加载时最大荷载是单调加载的0.83倍,而槽钢和双开孔钢板连接件在重复加载与单调加载时的最大荷载均相差不大.

2.2 初始刚度

表4 各连接件初始刚度值

由表4可知: 单调加载作用下,槽钢试件初始刚度比角钢高50%,开孔钢板比槽钢低10%,比角钢试件高35%;重复荷载作用下试件的初始刚度相差不大.

2.3 刚度退化

单调加载及重复加载作用下,试件典型的位移-刚度退化曲线如图7所示.由图7可知:单调加载作用与重复加载作用下,试件刚度退化趋势一致;随着位移增大,刚度不断减小,各连接件抗剪刚度的退化主要发生在相对位移较小的阶段;当相对位移达到最大位移的1/3左右以后,刚度退化速率减小,位移-刚度退化曲线趋于平缓.

图7 位移-刚度退化曲线

2.4 耗能能力

构件的耗能能力反应在滞回曲线上,主要是依据滞回环的饱满程度来判定.笔者采用等效黏滞阻尼系数来衡量试件的耗能能力,同一荷载级别下,随着循环次数的增加,试件的耗能能力逐渐降低,且随着荷载等级的增加,试件的耗能能力也逐渐增加.角钢、新型槽钢和T-PBL连接件达到破坏时,滞回环的等效黏滞阻尼系数分别为0.22,0.26和0.29.

3 结 论

1) 新型槽钢连接件的抗剪承载力明显高于角钢和T-PBL;T-PBL连接件的延性最好,角钢的延性略优于槽钢;重复荷载作用下,角钢连接件最大承载力为单调荷载下的0.83,新型槽钢与双开孔钢板连接件在不同加载方式下的最大承载力相差不大.

2) 槽钢连接件初始刚度比角钢高50%,而开孔钢板比槽钢低10%,比角钢高35%;与单调荷载作用相比,各试件重复荷载作用下试件的初始刚度相差不大.

3) 随循环次数增加,试件刚度在不断退化.槽钢连接件刚度下降最慢,角钢和开孔钢板的刚度退化速度较快.

4) 开孔钢板连接件的耗能最多,角钢和槽钢耗能相当.因此,槽钢剪力连接件即提高了强度,又具备了一定的耗能能力,能够作为良好的剪力连接件,应用于组合结构桥梁中,故槽钢剪力连接件较适用于高地震区.