宋隨弟，祝兵，陳克堅(jiān)，王沖沖

(1．中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031;2．西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

不同類(lèi)型剪力連接件的破壞過(guò)程及破壞機(jī)理研究

宋隨弟1，祝兵2，陳克堅(jiān)1，王沖沖2

(1．中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031;2．西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

為研究鋼-混組合橋梁結(jié)構(gòu)中不同類(lèi)型剪力連接件的破壞過(guò)程及破壞機(jī)理，設(shè)計(jì)B，D，J 3類(lèi)共9個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn)研究。分析了3類(lèi)剪力連接件的破壞發(fā)展歷程，探討了3類(lèi)剪力連接件的破壞形態(tài)以及破壞機(jī)理，并對(duì)3類(lèi)剪力連接件的荷載-滑移曲線特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明:PBL連接件(B，D類(lèi))與角鋼連接件(J類(lèi))的破壞發(fā)展過(guò)程大不相同，B類(lèi)剪力連接件的破壞形態(tài)屬于貫穿鋼筋的剪斷或屈服破壞，D類(lèi)剪力連接件的破壞形態(tài)屬于鋼板的剪切破壞;而角鋼連接件在不設(shè)置貫穿鋼筋時(shí)屬于混凝土過(guò)早的失去約束作用而被壓潰破壞，因此，角鋼連接件設(shè)置貫穿鋼筋是非常有必要的。

PBL連接件;角鋼連接件;室內(nèi)試驗(yàn);破壞形態(tài);破壞機(jī)理;荷載-滑移曲線

鋼-混組合橋梁結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮鋼和混凝土2種材料的優(yōu)點(diǎn)，此類(lèi)結(jié)構(gòu)形式越來(lái)越多的被應(yīng)用于橋梁工程中，也是橋梁發(fā)展的主要方向之一［1］。在此類(lèi)橋梁中，鋼構(gòu)件和混凝土是通過(guò)剪力連接件實(shí)現(xiàn)共同受力的，于是連接件的設(shè)計(jì)是此類(lèi)橋梁設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題之一。

剪力連接件根據(jù)形式的不同可大致分為2種:①鋼板開(kāi)孔剪力連接件，即PBL剪力鍵，具有抗剪剛度大，承載力高，延性好等優(yōu)點(diǎn)［2-4］，20世紀(jì)90年代初，首次在委內(nèi)瑞拉的Third Caroni河橋上得到應(yīng)用;②型鋼連接件，其剛度大，承載能力強(qiáng)，但延性較PBL剪力鍵差［5-7］。如何選擇2種類(lèi)型剪力連接件，是設(shè)計(jì)中需要考慮的一項(xiàng)重要問(wèn)題，因此有必要探明2種類(lèi)型剪力連接件的破壞過(guò)程及破壞機(jī)理，為剪力連接件的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

本文以蘭州市二環(huán)主干道上小砂溝大橋(57 m+ 2×100 m+57 m波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋)為工程背景，對(duì)該橋中混凝土頂、底板與波紋鋼腹板剪力連接件的受力性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，頂板與腹板采用開(kāi)孔連接件形式，如圖1(a)所示，底板與腹板采用角鋼連接件形式，如圖1(b)所示。據(jù)此2種連接件形式設(shè)計(jì)3類(lèi)共計(jì)9個(gè)試件，進(jìn)行實(shí)體試驗(yàn)，對(duì)2種類(lèi)型的剪力連接件的破壞過(guò)程和破壞機(jī)理進(jìn)行總結(jié)和分析，并提出相關(guān)建議。

圖1 小砂溝大橋上、下翼緣連接構(gòu)造(單位:mm)

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文共設(shè)計(jì)3類(lèi)9個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn)研究，其編號(hào)分別為B-20，D-25，J-0，構(gòu)造參數(shù)見(jiàn)表1，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造圖如圖2所示。B類(lèi)試件為圓孔開(kāi)孔PBL連接件，鋼板開(kāi)孔直徑為60 mm、鋼板厚度為20 mm、貫穿鋼筋直徑為20 mm;D類(lèi)試件為倒梯形孔PBL連接件，鋼板開(kāi)孔為到底性孔、鋼板厚度為24 mm、貫穿鋼筋直徑為25 mm;J類(lèi)試件為角鋼連接件，角鋼鋼板上的開(kāi)孔直徑為60 mm、鋼板厚度為20 mm、無(wú)貫穿鋼筋。所有試件均采用C55混凝土，普通鋼筋和貫通鋼筋采用HRB400級(jí)，開(kāi)孔鋼板及加勁板采用Q345qE。

表1 各類(lèi)試件構(gòu)造參數(shù)

圖2 剪力連接件的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造

1.2 加載和測(cè)試

在加載前先根據(jù)有限元數(shù)值分析及現(xiàn)有的參考計(jì)算公式獲得彈性承載能力值F。

每組試件正式加載之前均按0.5倍彈性極限荷載進(jìn)行2次預(yù)加載(持荷5 min)，以消除殘余黏結(jié)力的影響。每組試件(3個(gè)試件)正式加載分2次，第1次加載確定彈性承載力，第2次加載確定極限承載力。

每組模型中首個(gè)模型進(jìn)行加載時(shí)，荷載增量不宜過(guò)小，以每級(jí)荷載增量為0.2F，每次持荷5 min，測(cè)試載荷、滑移量和應(yīng)變，進(jìn)入彈塑性階段后以0.1F的增量加載至試件破壞，每次持荷5 min，后期滑移量讀數(shù)達(dá)到不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增長(zhǎng)持荷時(shí)間至15 min。由于計(jì)算值F與試驗(yàn)值存在差異，故從每組試件的第2個(gè)試件開(kāi)始，分別根據(jù)前1個(gè)試件的加載情況調(diào)整F值，重復(fù)以上加載步驟。

試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目包括試驗(yàn)荷載、加載端與混凝土頂面之間的相對(duì)滑移、連接件對(duì)應(yīng)的鋼板與混凝土之間的相對(duì)滑移。試驗(yàn)荷載由試驗(yàn)機(jī)直接讀出。加載端及鋼板與混凝土間的相對(duì)滑移采用數(shù)字千分表來(lái)測(cè)量，具體方法:在指定的鋼板位置放置千分表，在相應(yīng)位置處混凝土塊上安放表架，使千分表與表架相抵觸，當(dāng)鋼板產(chǎn)生滑動(dòng)時(shí)，千分表會(huì)隨鋼板滑動(dòng)而自由伸縮，從而測(cè)出指定位置處鋼板與混凝土的相對(duì)滑移量。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 剪力連接件的破壞過(guò)程分析

B類(lèi)和D類(lèi)試件除開(kāi)孔形式不同外，其余結(jié)構(gòu)形式相同，因此2者的破壞過(guò)程類(lèi)似。試件在加載過(guò)程中，首先在內(nèi)側(cè)鋼板與混凝土相接觸的位置開(kāi)始出現(xiàn)微裂縫，表示鋼板與混凝土之間開(kāi)始出現(xiàn)相對(duì)滑移;當(dāng)荷載繼續(xù)增加，鋼板與混凝土之間的縫隙逐漸增大，且在內(nèi)側(cè)加載端底部的豎向混凝土板開(kāi)始出現(xiàn)裂縫;隨著荷載的不斷增大，裂縫繼續(xù)向底部擴(kuò)展，經(jīng)過(guò)混凝土塊底部，逐漸擴(kuò)展到混凝土塊的外側(cè)面，并幾乎貫通整個(gè)模型，此時(shí)相對(duì)滑移量已經(jīng)較大，但未出現(xiàn)承載能力下降現(xiàn)象。在試件破壞時(shí)，開(kāi)孔鋼板被壓出，內(nèi)側(cè)混凝土出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，此時(shí)加載試件出現(xiàn)較大的脆斷聲，表明貫通鋼筋已被剪斷。加載模型除鋼板被壓出及貫通的混凝土裂縫外，其整體性處于完好狀態(tài)，試件破壞的原因?yàn)殇摻畋患魯嗷蚯?/p>

J類(lèi)剪力連接件為角鋼連接件。試件在加載過(guò)程中，首先在內(nèi)側(cè)鋼板與混凝土相接觸的位置出現(xiàn)微裂縫，表示鋼板與混凝土之間開(kāi)始出現(xiàn)相對(duì)滑移;繼續(xù)加載，由于角鋼與內(nèi)側(cè)混凝土相連接，加載過(guò)程中受到剪切力的作用而產(chǎn)生開(kāi)裂，即在混凝土正面中部雙角鋼和混凝土交界的位置處開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，且混凝土裂縫靠近加載端位置，進(jìn)而向底部外側(cè)擴(kuò)展;隨著剪切力的不斷增加，最終裂縫貫穿整個(gè)混凝土的正面，同時(shí)由于底部混凝土受到約束作用，使得混凝土由開(kāi)始的剪切破壞變?yōu)閴核槠茐?，最終混凝土正面靠近加載端位置處出現(xiàn)壓碎破壞。

2.2 剪力連接件的破壞機(jī)理分析

B類(lèi)試件的破壞形態(tài)如圖3所示。由圖3可知，B類(lèi)試件屬于貫穿鋼筋的剪斷破壞，鋼板及孔內(nèi)混凝土榫保持完好狀態(tài)，未發(fā)生明顯破壞。PBL連接件承載力是由鋼板、孔內(nèi)混凝土及貫穿鋼筋三者共同提供［8］，且其極限承載能力由剛度和強(qiáng)度較弱的一方來(lái)決定。試驗(yàn)中鋼板和孔內(nèi)混凝土榫完好，而貫穿鋼筋發(fā)生破壞，說(shuō)明此種情況下，鋼板及混凝土的強(qiáng)度和剛度大于貫通鋼筋，因此，貫通鋼筋會(huì)先于鋼板及孔內(nèi)混凝土發(fā)生破壞，從而失去承載能力。

圖3 B類(lèi)試件的破壞形態(tài)

既然PBL連接件的承載力是由鋼板、貫穿鋼筋及混凝土三者共同提供，且當(dāng)其中任一方面的強(qiáng)度和剛度較弱時(shí)，PBL連接件的承載能力則由此弱項(xiàng)決定，只有當(dāng)鋼板、貫穿鋼筋及混凝土的強(qiáng)度和剛度相當(dāng)時(shí)才能充分發(fā)揮PBL連接件的極限承載能力。今后宜通過(guò)較多的試驗(yàn)來(lái)確定三者最佳的組合方式。

D類(lèi)試件的破壞形態(tài)如圖4所示。倒梯形孔鋼板在根部出現(xiàn)剪切破壞，孔內(nèi)混凝土保持完好，貫通鋼筋無(wú)明顯變形，此種情況下，混凝土榫的整體強(qiáng)度和剛度大于開(kāi)孔鋼板，因此使得倒梯形開(kāi)孔鋼板發(fā)生剪切斷裂破壞，從而失去承載能力。

圖4 D類(lèi)試件的破壞形態(tài)

J類(lèi)試件的破壞形態(tài)如圖5所示，此類(lèi)試件的破壞是由于混凝土板的剪切開(kāi)裂及底部混凝土的壓碎破壞，導(dǎo)致連接件失去混凝土的約束作用而突然產(chǎn)生較大滑移量而喪失承載能力，此時(shí)鋼板保持完好，角鋼出現(xiàn)較小的彎曲變形，角鋼整體性較好，沒(méi)有出現(xiàn)屈服，且角鋼與鋼板間的焊縫連接較好，沒(méi)有出現(xiàn)損壞情況。

圖5 J類(lèi)試件的破壞形態(tài)

進(jìn)一步對(duì)J類(lèi)試件的破壞形態(tài)進(jìn)行分析可知，當(dāng)角鋼連接件的鋼板開(kāi)孔內(nèi)不設(shè)置貫穿鋼筋時(shí)，混凝土過(guò)早失去約束作用而導(dǎo)致承載能力的不足，使得角鋼基本沒(méi)有發(fā)揮其承載力作用，因此對(duì)于此類(lèi)角鋼連接件應(yīng)在開(kāi)孔內(nèi)設(shè)置貫穿鋼筋，將會(huì)使得貫穿鋼筋對(duì)混凝土起到一定的約束作用，從而充分發(fā)揮角鋼的承載能力。

2.3 荷載-滑移曲線特征分析

3類(lèi)剪力連接件的荷載-滑移曲線如圖6所示，圖中P為加載端所承受的荷載值，S為鋼板相對(duì)于混凝土的相對(duì)滑移量。對(duì)3類(lèi)剪力連接件荷載-滑移曲線的發(fā)展全過(guò)程進(jìn)行分析，可將其分為彈性階段、彈塑性階段及屈服階段。在彈性工作階段，荷載-滑移曲線斜率較大，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的線性關(guān)系;當(dāng)進(jìn)入彈塑性工作階段時(shí)，荷載-滑移曲線斜率開(kāi)始逐漸減小，表現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性;當(dāng)進(jìn)入屈服階段時(shí)荷載-滑移曲線漸趨水平，其斜率趨于一個(gè)較小的恒定值，此時(shí)的滑移量較大，其滑移量的增量可達(dá)數(shù)毫米，較前2個(gè)階段顯著增長(zhǎng)。

圖6 3類(lèi)連接件荷載-滑移曲線

由于剪力連接件力學(xué)性能的影響因素較多，且混凝土材料的離散性較強(qiáng)，因此同組試件所獲得的荷載-滑移曲線不盡相同，具有離散性;通過(guò)對(duì)比B，D，J 3類(lèi)不同剪力連接件的荷載-滑移曲線，仍然可以得到以下結(jié)論:

B，D，J 3類(lèi)剪力連接件的荷載-滑移曲線發(fā)展全過(guò)程基本相似。B，D 2類(lèi)剪力連接件的滑移量均較大，具有明顯的塑性發(fā)展過(guò)程，表現(xiàn)出較好的延性，由圖6(a)，6(b)可以看出，此2類(lèi)剪力連接件的荷載-滑移曲線相類(lèi)似，說(shuō)明其力學(xué)性能相近。J類(lèi)剪力連接件的荷載-滑移曲線如圖6(c)所示，與B，D類(lèi)剪力連接件的荷載滑移曲線相比，彈性段較長(zhǎng)，塑性段的發(fā)展過(guò)程較短，其延性較B，D類(lèi)差。

3 結(jié)論

1)PBL剪力連接件與角鋼剪力連接件的破壞發(fā)展過(guò)程大不相同，指出了以往對(duì)剪力連接件破壞過(guò)程認(rèn)識(shí)上的不足。

2)PBL連接件的主要破壞形式有:貫穿鋼筋剪斷破壞、孔內(nèi)混凝土的壓碎破壞及鋼板剪切破壞3種。B類(lèi)連接件的破壞形態(tài)屬于貫穿鋼筋的剪斷或屈服破壞，D類(lèi)連接件的破壞形態(tài)屬于鋼板的剪切破壞。

3)角鋼剪力連接件在不設(shè)置貫穿鋼筋時(shí)混凝土過(guò)早失去約束作用而被壓潰破壞，因此，角鋼剪力連接件設(shè)置貫穿鋼筋很有必要。

4)PBL連接件的滑移量較大，具有明顯的塑性發(fā)展過(guò)程，表現(xiàn)出較好的延性;剪力連接件荷載滑移曲線的彈性段較長(zhǎng)，塑性段的發(fā)展過(guò)程較短，其延性性能比PBL連接件較差。

［1］聶建國(guó)．鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu):試驗(yàn)、理論與應(yīng)用［M］．北京:科學(xué)出版社，2005．

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［3］陳建兵，萬(wàn)水，尤元寶．開(kāi)孔波折板連接件破壞機(jī)理及承載力試驗(yàn)研究［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2013，43(12):74-80．

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Study on Failure Process and Failure Mechanism for Different Types of Shear Connector

SONG Suidi1，ZHU Bing2，CHEN Kejian1，WANG Chongchong2
(1．China Railway Eryuan Group Co．，Ltd．，Chengdu Sichuan 610031，China; 2．School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

In this paper，failure process and failure mechanisms of different types of shear connector applied in steelconcrete composite structures were studied．T here are three sets of specimens:B，D and J．Each set has three specimens．T ype B and D are perfobond strip connector while T ype J is angle steel connector．T he entire failure processes were analyzed，failure modes and failure mechanisms were discussed，and the load-slip curve features of the three types of connector were studied．T he results show that the failure developments are different．T he failure mode of T ype B is shear cutting or yield of steel rebars，that of T ype D is shear failure of steel plate，and that of T ype J is concrete crush due to premature loss of constraint if no rebar is set through．T hus，it is necessary to set through steel rebars for angle steel connector．

Perfobond strip connector;Angle steel connector;Laboratory test;Failure mode;Failure mechanism; Load-slip curve

U448．21+6

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．11

1003-1995(2016)12-0037-04

(責(zé)任審編孟慶伶)

2016-05-10;

2016-09-09

宋隨弟(1970—)，男，教授級(jí)高工，博士。