鋼-混凝土組合梁螺栓連接件抗剪性能的試驗研究

嚴永紅，鄧 芃，侯和濤，馬張永，劉 艷

(1. 甘肅建投鋼結構有限公司，甘肅 蘭州 730000；2. 山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島 266590;3. 山東大學 土建與水利學院，山東 濟南 250061 )

抗剪連接件是鋼和鋼筋混凝土板協同工作的關鍵元件，承擔著傳遞剪力、防止掀起的作用，工程中應用最為廣泛的為栓釘。但是，大跨度結構所需栓釘數量眾多、焊接工作量大，而焊接操作可能導致鋼材出現損傷、形成工程隱患[1-2]。為避免這一問題，學術界和工程界對連接方式進行改進[3-5]，其中高強螺栓可現場安裝、避免材料損傷和栓釘凸出對運輸的影響[6]。文獻[6-7]研究了螺栓構造的影響，通過試驗分析抗剪連接件的靜力和疲勞性能，驗證了其性能與圓頭栓釘相近，可滿足結構延性和承載能力的要求。文獻[8-9]利用推出試驗和梁式試驗對螺栓直徑、螺栓強度、螺栓預緊力以及混凝土強度等參數進行分析，提出了螺栓預緊力對混凝土板與鋼梁之間摩擦力的影響機理，分析了各因素對抗剪連接件的影響。文獻[10-11]對預留孔徑和螺栓長細比的影響進行了探討，分析了全裝配組合結構的可行性。文獻[12]提出的套筒式螺栓構造新穎、安裝方便，其性能符合橋梁工程的要求。

需要指出的是，上述研究對象多為橋梁等大跨徑結構，而建筑工程中的組合梁跨度相對較小，橋梁工程中的技術無法直接在建筑工程中進行應用，如橋梁工程多使用單跨簡支組合梁，而建筑工程中的組合梁與豎向承重結構形成剛性或者半剛性節點，因此還需要考慮負彎矩對承載能力的削弱作用[14-16]。因此，為推動螺栓在組合結構中的應用，有必要開展螺栓連接件抗剪性能的研究。

1 試驗研究

1.1 試驗設計

參照Eurocode-4規范[16]制作14個推出正向推出試驗試件，其中12個試件采用螺栓抗剪連接件，2個為采用栓釘的對比試件，試件尺寸見圖1，根據抗剪連接件直徑的不同，試件分為兩組。第一組包括7支試件BD16-4.6C40、BD16-8.8C30、BD16-8.8C35、BD16-8.8C40、BD16-8.8C40(B1)、BD16-8.8C4(B2)和BD16-10.9C40，及1支對比試件SD16-4.6C40。第二組包括5支試件，BD20-4.6C40、BD20-8.8C30、BD20-8.8C40、BD20-8.8C35和BD20-10.9C40，及1支對比試件SD19-4.6C40。需要說明的是，市場上無直徑20 mm的栓釘，因此，采用直徑19 mm的栓釘進行對比。編號各字符代表意義為：BD—帶有螺栓的試件；16、19、20—連接件直徑；4.6、8.8和10.9—抗剪連接件強度等級；C30、C35、C40—混凝土強度等級；螺孔分為三種：標準孔無字符、比標準孔增加1 mm—B1、增加2 mm—B2；SD表示帶有栓釘的試件。

圖1 推出試件尺寸詳圖

1.2 材料性能

推出試驗采用HW250×250型鋼，型號為Q235B。螺栓抗剪連接件分別為4.6級、8.8級和10.9級，螺桿長度為140 mm，預埋在混凝土內的長度均為110 mm。栓釘型號為4.6級，直徑為16 mm。C30混凝土、C35混凝土和C40混凝土的實測強度分別為32.5、36.7和40.7 MPa。板中鋼筋、栓釘和螺栓材料屬性見表1。

表1 鋼筋、螺栓材料性能表

1.3 加載試驗

加載設備采用山東省防災減災重點實驗室的5 000 kN的長柱實驗機。為提高測量精度，根據預測數據，試驗分別采用1 000和1 500 kN兩種荷載傳感器；每個試件布置5支位移計以測量鋼梁與混凝土板之間的相對滑移；每支抗剪連接件布置4個應變片。試驗加載裝置和位移計布置分別見圖2和圖3。

加載前在試件底部鋪上2～3 cm厚的細砂以防止試件底部不平而造成局部壓壞，保持兩側抗剪連接件傳力相對均衡。正式加載前進行預加載以消除間隙的影響，預加載控制在預估峰值荷載的5%左右，加載速率為10 kN/min，重復3～5次。正式加載首先采用力進行控制，速度為20 kN/min；試件進入屈服狀態后改為位移控制，加載速度為0.3 mm/min直至試件破壞。

圖2 試驗加載裝置

圖3 試驗過程

1.4 破壞模式

試驗中能觀察到混凝土板頂出現微裂縫然后逐漸擴展、板底出現橫向裂縫、縱向以及沿45°擴展的裂縫等現象，見圖4(a)～4(d)。由圖4(c)～4(d)及圖5(a)～5(f)可知，所有試件都表現為螺栓剪切破壞，但螺栓周邊的混凝土破壞情況差別較大，無法根據混凝土強度等級、螺栓型號和直徑進行簡單歸類。出現這種離散性的原因比較復雜，可能是材料的離散性所致，尤其是混凝土的澆筑和振搗都無法保持材料的均勻和一致性，再就是試件加工誤差以及加載偏心作用，見圖6。表2對本次試驗各試件破壞現象進行了總結。

圖4 試件混凝土板裂縫圖

根據試件破壞模式以及結構概念可知，試件的抗剪能力主要由抗剪連接件提供，即抗剪連接件的材料屬性和截面特征最為關鍵，混凝土破壞特征的差異不會顯著影響試件的抗剪能力。但是螺栓周邊混凝土的破壞情況對試件滑移有顯著影響，這是因為試件的滑移量本身就比較小，混凝土破壞的差異對微小的滑移量有顯著的影響?？傮w而言，強度較低、直徑較小的栓桿對混凝土的擠壓通常無法導致周邊混凝土的破壞。因此，4.6級螺栓周邊的混凝土無明顯損壞現象，見圖5(a)、(b)；當螺栓強度和直徑較大時，其影響作用相對較大，周邊混凝土有可能出現破壞，此時對滑移的影響相對較大。

圖5 螺栓剪切破壞圖

圖6 加載偏心的影響

1.5 試驗分析

圖7為各試件的的荷載-滑移曲線圖(P-s)，表2為試驗結果，表中Pmax、smax為曲線峰值荷載及對應位移?？傮w而言，包括4.6級在內的螺栓和栓釘抗剪連接件的P-s曲線都有明顯的直線段、逐漸上升的塑性段以及連接件被剪斷導致曲線突然出現轉折。4.6級螺栓抗剪性能較差，與栓釘性能相差甚遠，無法滿足工程應用的要求，而高強螺栓的抗剪能力和滑移變形量和栓釘相近。在混凝土強度等級相同的情況下，8.8級高強螺栓比4.6級栓釘表現出更好承載能力和剛度，而10.9級高強螺栓顯然比8.8級具有更好的承載能力和剛度。擴孔導致試件的承載能力和剛度比標準孔試件有所降低，擴孔尺寸越大的試件，其承載能力降低越顯著，剛度也有顯著的削弱。

需要指出的是，對于采用標準孔的試件，沒有出現預期的滑移現象，即荷載-滑移曲線未出現平臺段。對于擴孔試件BD16-8.8C40(B2)，由圖7(b)可知：當滑移量不超過0.25 mm時，曲線呈明顯的線彈性特征，此時為栓桿變形所致；比較滑移量小于0.25 mm、大于2.20 mm以及0.25～2.20 mm區間的三段荷載-滑移曲線，可以發現0.25～2.20 mm之間曲線的斜率與其他兩段截然不同，該階段的曲線能體現滑移的特征。需要指出的是，擴孔試件BD16-8.8C40(B1)則未發現具備這種特征。出現這種現象的原因，應該是在擰緊螺栓時，栓桿可能與孔壁接觸，導致幾乎不發生滑移，或者滑移較小時，試驗測試手段無法將栓桿變形與滑移進行區分，只有當栓桿與孔壁存在較大的間隙時，曲線才能體現滑移的特征，如擴孔試件BD16-8.8C40(B2)。

圖7 荷載-滑移曲線圖

2 抗剪連接件承載力分析

2.1 混凝土強度的影響

選擇試件BD16-8.8C30、C35、C40以及BD20-8.8-C30、C35和C40以分析混凝土強度的影響。由圖8可知：對于直徑16 mm的高強螺栓連接試件，混凝土的強度等級提高5 MPa，試件的Pmax分別提高8.89和17.62 kN；對于螺栓直徑為20 mm的試件，混凝土強度等級每提高5 MPa，試件的Pmax分別提高26.25和6.82 kN?？傮w而言，抗剪連接件的承載力隨混凝土強度提高而增加。

表2 試驗結果

2.2 螺栓強度的影響

組合梁中的剪力主要由抗剪連接件承擔，材料的屈服強度和抗拉強度對Pmax的影響非常顯著。選擇試件BD16-4.6C40、8.8C40、10.9C40和BD20-4.6C40、8.8C40和10.9C40以分析螺栓強度的影響，見圖9。由圖9可知：對于直徑16 mm的螺栓抗剪連接件，8.8級螺栓試件的Pmax為4.6級螺栓試件的209.57%，10.9級螺栓試件的Pmax為8.8級試件的122.13%；對于直徑20 mm的螺栓抗剪連接件，8.8級螺栓試件的Pmax為4.6級螺栓試件的167.18%，10.9級螺栓試件的Pmax為8.8級試件的113.96%。由圖9的關系曲線可知，Pmax與螺栓強度基本成線性關系。

2.3 抗剪連接件直徑的影響

為考慮抗剪連接件直徑的影響，選擇試件BD*-4.6C40、BD*-8.8C30、BD*-8.8C35、BD*-8.8C40、BD*-10.9C40和SD*-4.6C40，此處“*”在螺栓抗剪連接件中表示直徑16和20 mm，在栓釘抗剪連接件中表示直徑16和19 mm。顯然，抗剪連接件中的截面積是影響抗剪性能的重要因素之一。對于直徑16 mm的4.6級栓釘、4.6級和8.8級螺栓，三種材料的抗拉強度分別為434.12、442.39和832.44 MPa，栓釘和4.6級螺栓相近，8.8級螺栓的抗拉強度達到栓釘的1.92倍；三者的Pmax分別為95.96、57.79和121.11 kN，4.6級螺栓的抗剪能力僅為栓釘的60.22%，而8.8級螺栓的抗剪能力僅比栓釘提高26.21%，見圖10。出現這種差別的原因是，栓釘與鋼梁翼緣焊接處因焊縫導致截面顯著增大，從而增大了栓釘的抗剪能力，這種改變在靜力試驗中表現為抗剪能力的提高，而焊接損傷通常在疲勞試驗或者擬靜力試驗中能夠得到驗證。

2.4 擴孔的影響

擴孔，即適當增大栓孔尺寸，這是裝配式結構安裝過程中經常采取的措施。試驗設計了三種方案，即栓孔比栓桿直徑增大2 mm的標準孔、增大3 mm和4 mm的兩種擴孔，即試件BD16-8.8C40、BD16-8.8C40(B1)和BD16-8.8C40(B2)，圖11分析了孔徑對Pmax的影響。由圖7(a)可知：3支試件在彈性階段(50 kN以下)P-s曲線基本重合；試件BD16-8.8C40(B1)和BD16-8.8C40(B2)比BD16-8.8C40更早進入塑性階段。另外，試件進入塑性階段后，3條曲線的發展趨勢差異顯著，采用標準孔試件的曲線斜率較彈性段有所降低，這種趨勢延伸一段后曲線呈平緩狀態，直至剪切破壞；BD16-8.8C40(B1)試件的曲線斜率較彈性段有明顯的削弱，但曲線后半段的斜率較BD16-8.8C40略大；試件BD16-8.8C40(B2)斜率變化更為明顯，曲線下凹然后上凸直至剪切破壞，其剛度變化也更為復雜。由圖11可知：BD16-8.8C40(B1)的Pmax比標準孔試件降低7.44%，BD16-8.8C40(B2)比BD16-8.8C40(B1)降低8.93%。顯然，開孔尺寸增大削弱了抗剪連接件的承載能力。

根據高強螺栓工作原理可知，螺栓在發生相對滑移前，外部荷載由摩擦力平衡，該階段在P-s曲線中表現為直線段，試驗所測得滑移量一般不超過0.5 mm；出現滑移后依靠栓桿的承壓作用承擔外部荷載。由于安裝誤差等原因，BD16-8.8C40(B1)未發現有滑移現象，而BD16-8.8C40(B2)則表現出輕微的滑移特征，即塑性剛開始階段的曲線斜率非常小。從理論上講，擴孔影響的是試件的滑移距離以及滑移階段的承載能力，但試驗發現該參數對Pmax也有影響，這應該是滑動導致螺母的固定作用受到削弱并導致栓桿與鋼梁翼緣的夾角出現變化所致。

圖8 混凝土強度對抗剪承載力的影響

圖9 螺栓強度對抗剪承載力的影響

圖10 連接件直徑對抗剪承載力的影響

圖11 擴孔對抗剪承載力的影響

3 抗剪連接件延性分析

結構設計要保證抗剪連接件具有足夠的承載能力，兼具良好的延性。所謂延性，是指在達到Pmax之前，依靠結構的非線性性能以耗散外荷載產生的能量，防止結構出現脆性破壞?？辜暨B接件的延性系數μ：

(1)

式中sy為抗剪連接件屈服荷載Py對應的滑移。

試件的延性系數見表2，由于4.6級螺栓的承載能力過小，未進行分析。由表2可知：對于直徑16 mm的螺栓連接件，8.8級和10.9級表現出的延性都遠超栓釘，其中BD16-10.9C40延性系數最小，也達到栓釘的149.83%；對于直徑20 mm的螺栓連接件，延性系數表現出顯著的離散性，如試件BD20-8.8C35、BD20-8.8C40和試件BD20-10.9C40的延性系數約為栓釘試件的84.55%、81.12%和97.98%，另外2支試件的延性系數約為栓釘的145.97%和127.37%。因此，對于螺栓連接件，擴孔導致延性系數有所減低，工程中是否采用擴孔工藝值得商榷。

延性系數離散的原因眾多，如加工時無法保持摩擦面性質完全一致，擰緊螺栓時扭矩的精度控制以及加載偏心等原因，并且P-s曲線彈性段非常短，確定屈服滑移的誤差必然導致公式(1)中數據的離散。但總體而言，8.8級、直徑16 mm螺栓的平均延性系數為33.51，約為栓釘的232.23%；8.8級、直徑20 mm螺栓的平均延性系數為31.71，與栓釘相差也非常微??；10.9級螺栓因數量較少，未進行分析。

4 高強螺栓抗剪承載能力計算公式

目前國內外規范并未提供組合梁中螺栓抗剪連接件的計算公式，為便于評價連接件的抗剪承載能力，本文根據試驗結果并采用SPSS軟件分析螺栓抗剪承載力與螺栓凈截面、螺栓強度之間的關系，見公式(2)。

Pmax=0.91Aefu。

(2)

式中：fu為螺栓的抗拉強度；由螺栓連接件的構造可知，螺栓剪斷處為螺紋區域，故取凈截面面積Ae。

公式(2)計算的螺栓抗剪承載力與試驗值相比，變化范圍在0.75～1.16之間，平均值為0.96，采用文獻[7]、[17]和[18]計算的理論值與試驗值相比，比值變化分別在0.70～0.85、0.54～1.37以及0.46～0.70之間，因此提出的計算公式具有良好的精度。由于4.6級螺栓的抗剪能力較低，工程一般不作為永久性連接件使用，可不考慮4.6級螺栓的影響。因此，公式(2)計算的結果與試驗結果的比值在0.89～1.16之間，平均值為0.98，可以較好的預測高強螺栓抗剪連接件的承載力。

5 結論

1) 螺栓抗剪連接件的試驗研究表明：高強螺栓抗剪連接件的破壞模式表現為螺栓與鋼梁翼緣處的剪切破壞，高強螺栓與鋼梁翼緣連接處的混凝土出現不同程度的破壞。高強螺栓抗剪連接件的P-s曲線與栓釘試件的曲線相似。

2) 采用標準孔螺栓試件的P-s曲線未發現有滑移現象，比標準孔增大1 mm試件的曲線與標準孔試件類似。比標準孔增大2 mm試件的P-s曲線有不明顯的滑移特征；另外，曲線在塑性初始階段呈下凹上升的特征，然后轉入上凸的趨勢?？傮w而言，擴孔削弱了抗剪連接件的承載能力、增大了試件的滑移量。

3) 高強螺栓的抗剪承載能力和延性可滿足工程的需求。試驗發現試件的延性呈一定的離散性，但8.8級16 mm高強螺栓連接件的延性普遍優于4.6級16 mm的栓釘，而20 mm的螺栓連接件的數據相對離散，但其延性系數的平均值與4.6級19 mm的栓釘極為接近。

4) 根據試驗結果擬合的計算公式體現了螺栓強度和截面積對抗剪承載力的貢獻，其精度也比較理想。但鑒于試驗數據相對較少，后期需補充試驗、采用數值分析工具并建立理論分析模型，研究混凝土對抗剪性能和延性的貢獻。