熊輝，陽亮，曹國輝

(1. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2. 湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽 413000)

鋼材和混凝土是土木工程領(lǐng)域2種常用的建筑材料，然而單一材料在物理和力學(xué)性能上的劣勢制約著材料強度的充分發(fā)揮，如混凝土抗拉性能差，易開裂，鋼材容易銹蝕，易失穩(wěn)等。鋼?混凝土組合結(jié)構(gòu)通過抗剪連接件將鋼材和混凝土組合在一起共同受力，充分發(fā)揮鋼材的受拉和混凝土的抗壓特性，揚長避短，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和廣泛的應(yīng)用前景[1?2]。組合結(jié)構(gòu)相對于混凝土結(jié)構(gòu)具有自重輕、地震作用小、結(jié)構(gòu)延性高等優(yōu)點，相對于鋼結(jié)構(gòu)具有剛度大、穩(wěn)定性好并且能夠大大降低用鋼量。因此，鋼?混凝土組合結(jié)構(gòu)在我國逐漸得到迅速發(fā)展，需要進(jìn)行更加深入的研究。抗剪連接件作為保證鋼梁和混凝土共同受力的關(guān)鍵構(gòu)件，其力學(xué)性能將直接影響鋼?混凝土組合結(jié)構(gòu)的受力特性。栓釘連接件由于在抗剪方面具有很多優(yōu)點，是鋼?混凝土組合結(jié)構(gòu)最常用的剪力連接件形式。目前，國內(nèi)外對抗剪連接件的靜力性能的研究較多[3?5]，相關(guān)試驗基本都是對完好無損的試件進(jìn)行推出試驗，對栓釘銹蝕后剪力連接件的抗剪承載力、變形能力等退化情況研究較少，考慮長期荷載對連接件力學(xué)性能的影響更是未見相關(guān)報道[6?9]。然而組合結(jié)構(gòu)在實際運營過程中，承受著各種荷載的作用，連接件處在反復(fù)荷載的作用下可能出現(xiàn)界面開裂，腐蝕介質(zhì)入侵，栓釘銹蝕等現(xiàn)象[10?12]，弱化鋼梁和混凝土共同工作，影響組合結(jié)構(gòu)的工作性能?；诖耍疚脑诳紤]長期荷載作用下，通過外加電流對抗剪連接件栓釘進(jìn)行加速銹蝕，長期荷載與栓釘銹蝕耦合200 d后卸載，探究卸載后栓釘連接件的靜力性能。

1 試驗概況

1.1 試件制作

試驗共設(shè)計8個栓釘連接件SC1～SC8，基本情況如表 1所示。具體構(gòu)造設(shè)計見圖 1。鋼梁采用Q235B的工字鋼，截面尺寸為HW250(H)×250(B)×9(t1)×14(t2)，每邊焊接4個圓柱頭栓釘。鋼梁兩邊的混凝土翼緣板內(nèi)配置2層鋼筋網(wǎng)，鋼筋選用?10 mm的HPB300鋼筋，截面縱向配筋率為0.7%，橫向配筋率為0.81%，滿足最小配筋率要求[13]。試件制作完成時，先對試件進(jìn)行長期加載，同時通過外加電流對連接件栓釘進(jìn)行加速銹蝕，試件持載裝置如圖2所示。長期試驗持載荷載為180 kN，約為極限承載力的30%。荷載確定原則是保證長期持載過程中，連接件受力能在彈性階段內(nèi)，與實際結(jié)構(gòu)恒載應(yīng)力水平相當(dāng)。通過調(diào)節(jié)腐蝕電流控制銹蝕速率，栓釘銹蝕與長期荷載耦合 200 d，之后卸載進(jìn)行推出試驗。

表1 銹蝕栓釘連接件靜載破壞試件設(shè)計Table 1 Summary of static strength test for corroded studs

試驗前，先對試驗材料進(jìn)行力學(xué)性能試驗。實測混凝土主要力學(xué)性能指標(biāo)見表 2。試件栓釘參照規(guī)范GBT 10433—2002《電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘》要求選用材料為 ML-15AL，尺寸為 16 mm×80 mm。通過材料拉伸試驗測得的H型鋼、栓釘以及鋼筋的材料力學(xué)指標(biāo)如表3所示。

圖1 試件幾何尺寸及構(gòu)造Fig. 1 Dimensions and details of specimens

表2 實測混凝土主要力學(xué)性能指標(biāo)Table 2 Main mechanical properties of concrete

1.2 試驗加載與量測

連接件推出試驗在2 000 kN的萬能試驗機上進(jìn)行，試件加載示意圖和試驗現(xiàn)場圖見圖 3。加載前，先在加載臺混凝土翼緣板處鋪設(shè)一層細(xì)沙，細(xì)沙的作用是為了消除摩擦力及試件受力均勻。之后將連接件安放在細(xì)沙上并且注意與壓力試驗機對中，使試件、傳力鋼板和壓力試驗機底座中線在同一垂直線上。正式加載前，先進(jìn)行2～3次預(yù)加載，觀察各儀器儀表是否正常工作，并且通過各儀表讀數(shù)的變化確定試件是否對中加載。加載采用單調(diào)分級加載模式，加載速率均勻。開始時每級荷載為1/15～1/10Pu(Pu為抗剪連接件理論承載力)，當(dāng)荷載超過0.5Pu時，每級荷載變?yōu)?/20～1/15Pu，當(dāng)荷載超過 0.8Pu時，級差將更小。本次試驗初始加載荷載級差為40 kN，加載至0.5Pu時級差取為20 kN，當(dāng)加載至0.8Pu時，級差取為10 kN。為了保證每次數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，每級荷載持續(xù)時間不小于 3 min，待儀表讀數(shù)穩(wěn)定后再讀取試驗數(shù)據(jù)。每個試件的加載時間在1 h左右。

表3 H型鋼、栓釘及鋼筋材料性能Table 3 Material properties of section steel,stud and reinforced

圖2 試驗長期持載裝置圖Fig. 2 Test setup for long-term load

試驗測量主要內(nèi)容包括：

1) 栓釘位置處混凝土的應(yīng)變。試件制作過程中在2塊混凝土翼緣板栓釘位置處預(yù)埋了2個鋼弦式應(yīng)變計，試件加載過程中，每加一級荷載記錄一次混凝土應(yīng)變。

2) 鋼梁與混凝土的相對滑移量。在試件栓釘位置所在平面上安裝百分表，在前后兩側(cè)對稱布置 4個百分表測量鋼梁與混凝土的相對滑移，具體布置見圖 3。試件加載過程中，邊加載邊記錄各百分表的讀數(shù)可得到連接件的荷載?滑移曲線。

3) 荷載?栓釘應(yīng)變曲線。試驗在試件SC8的栓釘上貼有應(yīng)變片以測量栓釘?shù)膽?yīng)變發(fā)展，應(yīng)變片位于栓釘?shù)氖軌簜?cè)，對稱布置。

圖3 推出試驗加載裝置圖Fig. 3 Loading setup

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象

加載初期，試件變化很小但各百分表和應(yīng)變計讀數(shù)穩(wěn)定，滑移增長緩慢。隨著荷載繼續(xù)增大，鋼梁和混凝土間的相對滑移量也逐漸增大，各百分表示數(shù)相對穩(wěn)定，當(dāng)荷載加載至極限荷載的90%左右時，此時滑移開始出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，在持載一段時間后讀數(shù)發(fā)現(xiàn)百分表指針仍在微小擺動，繼續(xù)加載會發(fā)現(xiàn)這種不穩(wěn)定擺動持續(xù)增加，當(dāng)加載至極限荷載時，試件承載力開始出現(xiàn)降低，壓力機油門指針開始回彈，盡管荷載在下降，但滑移卻在急速增加，此時百分表指針在快速轉(zhuǎn)動，根本無法讀出穩(wěn)定的示數(shù)，滑移已經(jīng)無法準(zhǔn)確記錄。很快隨著一聲“砰”的響聲，栓釘被剪斷，試件破壞，破壞形態(tài)如圖 4所示?？赡苁窃嚰捎没炷翉姸容^高或者混凝土板中橫向配筋率較高，試件在加載破壞的過程中并未出現(xiàn)栓釘位置處的混凝土開裂及橫向裂縫的發(fā)展。試件完全破壞時，本次試驗的8個栓釘連接件全是單側(cè)栓釘剪斷，這可能是由于盡管栓釘極限抗拉承載力基本差不多但不可能完全一樣，加載過程中由于初始缺陷也很難實現(xiàn)完全對中加載。

圖4 推出試件破壞形態(tài)Fig. 4 Failure modes of specimens

2.2 混凝土、栓釘應(yīng)變發(fā)展

推出試驗中，混凝土的荷載?應(yīng)變曲線如圖 5所示。從圖5(a)中的荷載?應(yīng)變曲線可以看出，與試件SC7相比，試件SC1早期應(yīng)變發(fā)展較快，試件SC8早期荷載發(fā)展較快，之后三者的變化規(guī)律基本一致。試件SC1由于加載有長期荷載，其交界面的黏結(jié)摩擦力早已消除，因此早期應(yīng)變發(fā)展較快，相反，試件SC8由于存在銹蝕，增大了交界面的阻力，影響混凝土應(yīng)變的發(fā)展。從圖5混凝土總的應(yīng)變發(fā)展量來看，混凝土總應(yīng)變量為300 με左右，根據(jù)計算栓釘受壓處混凝土應(yīng)變已經(jīng)達(dá)到了2 300 με，由此可見，栓釘位置處的受力存在明顯的應(yīng)力區(qū)，栓釘正受壓處混凝土應(yīng)變遠(yuǎn)大于周邊混凝土應(yīng)變的發(fā)展。

試驗還在試件 SC8中的栓釘上貼有應(yīng)變片以測量栓釘?shù)膽?yīng)變發(fā)展，應(yīng)變片位于栓釘?shù)氖軌簜?cè)，栓釘應(yīng)變隨荷載的發(fā)展曲線如圖6所示。從圖6的荷載?應(yīng)變發(fā)展曲線來看，栓釘?shù)膽?yīng)變并不是隨著荷載增大一直增大的，剛開始栓釘是受壓的，隨著荷載的增加，栓釘慢慢出現(xiàn)受拉應(yīng)變，直到破壞。由此可見，連接件中栓釘?shù)氖芰κ窍仁軌涸偈芾@主要是剛開始栓釘與混凝土板是一個整體，隨著荷載的增加，栓釘與混凝土板一起受壓，加載至破壞荷載時，由于栓釘大頭端的緣故，栓釘中存在拉拔力，栓釘開始受拉。

圖5 推出試驗混凝土荷載-應(yīng)變曲線Fig. 5 Load-strain curves of the tested concrete

圖6 推出試驗連接件栓釘應(yīng)變發(fā)展曲線Fig. 6 Experimental development of stud strain curves

2.3 抗剪承載力

目前，我國規(guī)范中對于栓釘抗剪承載力設(shè)計計算都是針對無銹蝕栓釘，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，當(dāng)h/d時，有

式中：As為栓釘橫截面面積；Ec為混凝土彈性模量；fc為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值；fu為栓釘極限抗拉強度。

根據(jù)式(1)可知，栓釘連接件的抗剪承載力主要與混凝土強度、彈模與栓釘抗拉強度等有關(guān)。當(dāng)混凝土強度較低時，試件以栓釘處混凝土局部受壓破壞為破壞形式，隨著混凝土強度的提升，連接件基本都是栓釘剪斷破壞。已有研究表明[14?16]，當(dāng)無銹蝕栓釘連接件發(fā)生栓釘釘桿剪斷破壞時，其極限承載力可采用下式計算：

式中：Nvu為栓釘極限抗剪承載力；f和fu分別為栓釘材料屈服強度和極限強度；Ec為混凝土彈性模量；Es為栓釘材料彈性模量；fcu為混凝土立方體抗壓強度。

表4為2種計算公式的計算值與試驗實測值的對比情況。從表4的計算結(jié)果可以看出，采用規(guī)范的計算結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于試驗實測值，計算結(jié)果偏于安全。式(2)的計算值與實測結(jié)果吻合較好，試驗值略高于計算值，建議采用式(2)作為栓釘連接件釘桿剪斷破壞時的承載力計算公式，計算結(jié)果精度更高，與實際符合較好。

表4 栓釘連接件抗剪承載力試驗值與計算值對比Table 4 Comparison of test and calculated value for shear strength capacity

加載試驗破壞后，將銹蝕試件栓釘鉆芯取出，酸洗去銹后測量銹后直徑，取各栓釘銹蝕率的平均值作為試件實際銹蝕率，各試件破環(huán)承載力及實際銹蝕測量結(jié)果見表 5。表中栓釘銹蝕率為質(zhì)量銹蝕率，即栓釘銹蝕前后質(zhì)量損失率，通常通過測量銹蝕栓釘質(zhì)量損失得到實際銹蝕率。考慮到栓釘剪斷破壞對栓釘質(zhì)量的影響，本文采用測量栓釘直徑的方法計算實際銹蝕率，測量栓釘靠近頭部、釘桿中部及底部3個位置的直徑，每個位置測2個方向，互相垂直，以保證計算的精確性。

表5 試件抗剪承載力及實際銹蝕率Table 5 Shear strength capacity and actual corrosion rate

根據(jù)表5可以看出，試件栓釘銹蝕后其極限承載力出現(xiàn)了不同程度的降低，其降低范圍在6%～14%之間，當(dāng)栓釘銹蝕率很低時，試件極限承載力降低很小，隨著銹蝕率的增大，承載力也逐漸降低。從表5可知，當(dāng)銹蝕率很低時，銹蝕率的相對影響力最大，單位銹蝕率使結(jié)構(gòu)承載力降低的更多，因此，栓釘銹蝕對試件承載力影響較大，實際結(jié)構(gòu)中要特別注意銹蝕對結(jié)構(gòu)的影響。

從栓釘銹蝕現(xiàn)象來看，栓釘受拉面的銹蝕程度明顯高于栓釘受壓面的銹蝕，這主要是因為受拉處的栓釘與周圍混凝土出現(xiàn)脫離，加大了兩者之間的縫隙，更加有利于腐蝕溶液與栓釘表面的接觸，加速栓釘?shù)匿P蝕，相反受壓面栓釘與周邊混凝土接觸更加緊密了，降低了腐蝕溶液的侵入腐蝕性，栓釘銹蝕變慢。因此，腐蝕與長期荷載存在耦合現(xiàn)象，對于鋼?混凝土連接件來說，栓釘受拉側(cè)加速銹蝕，受壓側(cè)抑制銹蝕。

2.4 荷載?滑移曲線

推出試驗所測得的試件的荷載?滑移曲線如圖7所示。從圖7(a)中可以看出，對比試件SC1和SC8可以看出，長期荷載對試件初始滑移的發(fā)展影響較大，試件SC1初始滑移增長速率明顯大于試件SC8，隨著荷載的增加，兩者的滑移增長速率逐漸達(dá)到一致，最終破壞時，兩者的滑移量差不多，這主要是因為長期荷載使栓釘和混凝土板間存在縫隙，隨著荷載增加，栓釘和混凝土逐漸共同受力；對比試件SC7和SC8可知，栓釘銹蝕使試件的滑移增長速率明顯增大，試件剛度降低，試件極限承載力降低，極限滑移量相對未銹蝕試件也降低很多。從圖7(b)也可以看出，隨著銹蝕率的增加，試件極限承載力降低，極限滑移量也逐漸下降，試件整體剛度減小。

圖7 推出試驗連接件荷載-滑移曲線Fig. 7 Load-slip curves of push-out specimens

從圖 7整體來看，推出試件的荷載?滑移曲線初期基本呈線性關(guān)系發(fā)展，隨著加載荷載的增大，滑移增長明顯增大，最后趨于一條平緩曲線。從滑移量來看，荷載加載至極限荷載的90%時，其滑移量增長不到極限滑移量的50%，最后10%的荷載產(chǎn)生超過50%的滑移量，由此可見，隨著荷載的增加，不僅試件的剛度在減小，其剛度退化速率也在不斷加大，試件處于一個加速退化的加載狀態(tài)。

3 銹后栓釘連接件抗剪承載力及滑移計算模型

3.1 栓釘銹蝕抗剪承載力計算模型

根據(jù)推出試驗結(jié)果可以看出，隨著銹蝕率的增加，構(gòu)件的抗剪承載力逐漸退化，其退化特征基本呈線性退化，推出試驗結(jié)果及其抗剪承載力擬合曲線如圖8所示。根據(jù)擬合曲線可以得到栓釘銹蝕連接件抗剪承載力退化規(guī)律為：

式中：Nvu為栓釘銹蝕連接件抗剪承載力；Nv0為未銹蝕連接件抗剪承載力，可取各連接件抗剪承載力均值；η為栓釘實際銹蝕率，%。

圖8 栓釘銹蝕連接件抗剪承載力退化規(guī)律及其擬合曲線Fig. 8 Degradation law of shear strength capacity and its fitting curve of corrosion connectors

3.2 栓釘銹蝕連接件荷載-滑移性能關(guān)系

栓釘連接件荷載?滑移曲線一直是衡量其變形能力的一個有效方法，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)全過程分析時，連接件的荷載?滑移本構(gòu)關(guān)系更是不可缺少的。目前，被廣泛用于描述連接件荷載-滑移本構(gòu)關(guān)系的計算公式是由Ollgaard等[17]提出來的，該公式能較好地反映栓釘連接件的荷載?滑移性能，其基本計算形式如下：

式中：Nv為加載下栓釘連接件剪力作用；Nvu為栓釘連接件的極限承載力；Δ為相對滑移量，mm。

根據(jù)荷載?滑移曲線的變化特征，考慮到銹蝕栓釘連接件的極限承載力隨銹蝕率變化，為了能夠?qū)λ型瞥鲈囼灁?shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)合Ollgaard等[17]提出的荷載?滑移計算公式，定義銹蝕栓釘連接件荷載?滑移計算公式如下：

式中：Δ為相對滑移量，以mm表示；a，b和c分別為表征銹蝕栓釘荷載?滑移曲線的特征參數(shù)。

通過對推出試驗結(jié)果歸一化后進(jìn)行參數(shù)擬合分析，擬合結(jié)果及試驗測點如圖9所示。數(shù)據(jù)擬合出參數(shù)a，b和c的數(shù)值分別為0.929 49，2.470 31及 1.076 18。則銹蝕栓釘荷載?滑移曲線可用下式表示：

圖9 銹蝕栓釘連接件荷載-滑移擬合結(jié)果Fig. 9 Load-slip fitting curve of corroded stud connectors

從圖9的擬合結(jié)果可以看出，擬合曲線較試驗實測結(jié)果，滑移發(fā)展較快，荷載發(fā)展偏慢，擬合曲線的發(fā)展趨勢與連接件荷載?滑移的實測結(jié)果吻合良好，因此可以采用式(6)計算栓釘銹蝕連接件的荷載?滑移關(guān)系?？紤]銹蝕栓釘抗剪承載力的退化規(guī)律，將式(3)代入式(6)，可進(jìn)一步得到銹蝕栓釘連接件荷載?滑移曲線計算公式如下：

式中：Nv為加載下栓釘連接件剪力作用；Nv0為未銹蝕栓釘連接件抗剪承載力；η為栓釘實際銹蝕率，%；Δ為相對滑移量，以mm表示。

為了驗證式(7)計算結(jié)果的精確性，將式(7)的計算結(jié)果與推出試驗各連接件的實測值對比，結(jié)果如圖10所示。

從圖 10可以看出，利用式(7)可以很好的計算連接件的荷載?滑移曲線，從整體來看，計算結(jié)果的滑移終值與試驗結(jié)果吻合良好，與大多數(shù)試件的荷載?滑移發(fā)展趨勢也吻合很好，對試件SC1和SC7主要是前期滑移發(fā)展存在偏差，但后期基本達(dá)到相同的變化趨勢，差異很小。對于試件SC4～SC6，其荷載?滑移發(fā)展趨勢與實測結(jié)果吻合良好，在最終承載力預(yù)測存在些許偏差，但偏差不大，可以接受，而且計算最終滑移量與實測結(jié)果吻合很好?？紤]到試件試驗變量的不同，從試件SC1～SC8的荷載?滑移曲線發(fā)展過程可以看出，利用式(7)可以很好地計算不同腐蝕程度連接件滑移終值及荷載?滑移發(fā)展曲線，對結(jié)構(gòu)剛度變化預(yù)測誤差很小，可以很好地表現(xiàn)栓釘銹蝕對結(jié)構(gòu)剛度退化的過程。盡管個別連接件擬合曲線存在的荷載發(fā)展較快，滑移發(fā)展較慢現(xiàn)象，但最終發(fā)展趨勢與實測結(jié)果一致，預(yù)測值略低于實測值，這對結(jié)構(gòu)來說是偏安全的?？偟膩碚f，可以采用式(7)對銹蝕栓釘連接件進(jìn)行荷載?滑移計算。

4 結(jié)論

1) 鋼?混凝土連接件推出試驗中，栓釘位置處混凝土應(yīng)變遠(yuǎn)大于周邊混凝土應(yīng)變的發(fā)展，并且受力栓釘存在先受壓后受拉最后被剪斷的受力發(fā)展過程。推出試驗過程中，試件剛度在減小，并且處在一個加速退化的狀態(tài)。

2) 腐蝕與荷載存在耦合現(xiàn)象，對于栓釘受拉側(cè)，腐蝕與荷載耦合加速栓釘銹蝕，對于栓釘受壓側(cè)，腐蝕與荷載耦合抑制栓釘銹蝕。

3) 長期荷載加速初始滑移的發(fā)展，但對試件最終滑移量及承載力影響不大。栓釘銹蝕使試件剛度降低，滑移增長速率變大，試件極限承載力降低，最終滑移量也顯著減小。

4) 目前，規(guī)范對銹蝕栓釘連接件極限承載力與荷載?滑移曲線的計算預(yù)測不足，對無銹蝕試件偏于保守，這不利于組合結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。建議采用式(3)計算銹蝕栓釘連接件抗剪承載力，采用式(7)計算銹蝕栓釘連接件荷載?滑移曲線。

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