蘇慶田， 陳思敏， 李　雨， 梁思寒

(同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院,上海 200092)

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不同構(gòu)造界面腐蝕對焊釘連接件承載力的影響

蘇慶田， 陳思敏， 李雨， 梁思寒

(同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院,上海 200092)

摘要：為了研究不同構(gòu)造的鋼與混凝土界面在腐蝕環(huán)境下對焊釘連接件受力性能的影響,設(shè)計了6種不同構(gòu)造的鋼-混凝土結(jié)合面構(gòu)造形式，并考慮鋼與混凝土之間的滑移效應(yīng)的影響，制作了24個試驗試件，其中21個試件進(jìn)行了鹽霧腐蝕試驗，3個試件處于正常環(huán)境中.通過推出試驗，測試了各個試件中焊釘?shù)暮奢d-滑移關(guān)系，得到了焊釘?shù)目辜舫休d力.試驗結(jié)果表明,采用鋼板厚度方向上外包混凝土構(gòu)造形式的試件具有更好的抗腐蝕性能，焊釘具有更高的抗剪強度，腐蝕后單釘承載力平均值為177.6 kN，而在鋼與混凝土界面產(chǎn)生初始滑動的試件具有較差的抗腐蝕性能，焊釘抗剪強度明顯降低，腐蝕后單釘承載力平均值為153.3 kN，比沒有滑移的試件降低9.6%.

關(guān)鍵詞：焊釘； 腐蝕； 組合結(jié)構(gòu)； 鹽霧試驗； 推出試驗

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁通過連接件把鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)有效結(jié)合達(dá)到協(xié)同受力的目的[1].應(yīng)用到組合結(jié)構(gòu)橋梁中的連接件有鋼筋連接件、型鋼連接件、焊釘連接件和開孔板連接件等[2]，由于焊釘連接件在傳遞水平剪力上沒有方向性，成為組合梁中使用最為廣泛的一種連接件形式.

自20世紀(jì)50年代后期焊釘連接件開始使用以來，國內(nèi)外學(xué)者對其開展了廣泛研究.其中相當(dāng)多的一部分是通過大量推出試驗對焊釘連接件的抗剪性能進(jìn)行研究，包括不同直徑焊釘?shù)钠茐哪Ｊ絒3]、不同混凝土強度對焊釘抗剪承載力影響[4]、大直徑焊釘?shù)撵o力性能與疲勞性能等[5-6]，也有通過一些數(shù)值分析方法研究焊釘連接件的受力特性[7-8].上述研究得到了焊釘?shù)钠茐臋C理和抗剪承載力計算方法，并較好地指導(dǎo)了工程設(shè)計.

鋼結(jié)構(gòu)長期暴露在空氣中容易腐蝕，為了保證在橋梁服役期內(nèi)各部分結(jié)構(gòu)正常發(fā)揮作用，必須定期對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐處理.在鋼-混凝土組合梁中大部分的鋼結(jié)構(gòu)均可以在不同的時期進(jìn)行涂裝防腐，但是在與混凝土相接觸的鋼梁上表面由于混凝土的遮擋而無法在后期進(jìn)行防腐處理.有關(guān)結(jié)合面處鋼結(jié)構(gòu)的防腐目前工程界中有三種不同觀點：①認(rèn)為鋼與混凝土在服役期內(nèi)緊密接觸，鋼梁上表面和焊釘不需要考慮防腐問題；②認(rèn)為鋼與混凝土?xí)a(chǎn)生相對滑移(規(guī)范[9]上計算組合梁變形要求考慮該滑移)，潮濕空氣等不利介質(zhì)會侵入到鋼與混凝土的結(jié)合面處，使得鋼梁上表面和焊釘根部銹蝕，引起焊釘釘桿截面面積減小、焊釘材料強度降低，從而直接導(dǎo)致焊釘?shù)目辜舫休d力降低；③認(rèn)為鋼與混凝土在服役期內(nèi)緊密接觸，但是惡劣的環(huán)境會使得混凝土性能從交界面的邊緣開始逐漸退化，當(dāng)退化到連接件附近時焊釘?shù)目辜粜阅苡兴档?這些觀點從定性分析上均有一定的合理性，但是實際情況如何目前還沒有研究.為此本文進(jìn)行了6種不同構(gòu)造鋼-混凝土結(jié)合面的鹽霧加速腐蝕試驗和推出試驗，分析研究了不同構(gòu)造鋼-混凝土結(jié)合面經(jīng)過鹽霧試驗腐蝕后的受力性能.

1試驗過程

1.1試件設(shè)計與制作

a 試件俯視圖

b 試件立面圖

為研究不同的鋼-混凝土結(jié)合面構(gòu)造對于結(jié)合面腐蝕情況的影響，設(shè)計如下6種不同構(gòu)造的試件，分別為E20,E30,E50,E80,C2和C3，分別表示焊釘?shù)倪吘鄀為20,30,50,80 mm及采用混凝土外包鋼梁翼緣、采用橡膠密封的不同構(gòu)造鋼-混凝土結(jié)合面.不同試件的立面如圖2所示.此外，一組邊距為50 mm的試件不進(jìn)行腐蝕試驗，該組試件編號為T0.將一組邊距為50 mm的試件的剪切面在進(jìn)行鹽霧腐蝕前進(jìn)行150 kN的頂推，使鋼-混凝土結(jié)合面產(chǎn)生錯動，這組試件編號為F1.每組有3個相同的試件，共計24個試件，每組試件的具體信息見表1.

a 邊距20 mm

b 邊距30 mm

c 邊距50 mm

d 邊距80 mm

e 混凝土外包鋼梁翼緣

f 橡膠條密封

試件組號試件個數(shù)構(gòu)造特點腐蝕天數(shù)/d是否預(yù)滑移T03邊距50mm0否E203邊距20mm30否E303邊距30mm30否E503邊距50mm30否E803邊距80mm30否C23混凝土外包鋼梁翼緣30否C33橡膠條密封30否F13邊距50mm30是

鋼結(jié)構(gòu)在工廠加工完畢后，進(jìn)行混凝土的澆筑.在澆筑前先進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的除銹工作，除去表層已經(jīng)出現(xiàn)的部分銹跡，混凝土澆筑模板的綁扎完畢后進(jìn)行混凝土的澆筑工作.試件的制作流程如圖3所示.

1.2鹽霧試驗

試件養(yǎng)護達(dá)到28 d以后，置入鹽霧箱進(jìn)行鹽霧試驗.試驗按照相關(guān)規(guī)范規(guī)定進(jìn)行中性鹽霧試驗.鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，pH值在6.5～7.2之間，溫度為(35±2)℃，環(huán)境年平均相對濕度≥90%，要求鹽霧的沉降率在1～2 mL·(80 cm2·h)-1之間，試驗的腐蝕時間為30 d.該腐蝕條件相當(dāng)于鄉(xiāng)村環(huán)境下橋梁服役10年左右.

a 鋼結(jié)構(gòu)加工完畢

b 結(jié)合面除銹

c 模板制作

d 混凝土澆筑

圖3試件制作過程

Fig.3Production process of specimens

試驗在同濟大學(xué)建筑耐久性試驗室進(jìn)行，如圖4所示.

圖4　鹽霧實驗室

1.3加載測試

采用了如圖5所示的試驗方法對試件進(jìn)行推出試驗.該裝置為自平衡的反力系統(tǒng)，加載時千斤頂作用在T型鋼翼緣上，使得鋼翼緣上推力直接由焊釘以剪力的形式傳遞到混凝土中.在試件上設(shè)置了兩個位移計測試鋼與混凝土之間的滑移.

圖5　試驗加載體系

2試驗結(jié)果

2.1材性試驗

試件中的混凝土采用了橋面板中常用的C60強度混凝土，試驗當(dāng)天測得平均混凝土立方體抗壓強度為65.3 MPa.直徑22 mm焊釘?shù)钠骄姸群涂估瓘姸确謩e是343和429 MPa，伸長率為28.8%.

2.2推出試驗破壞形態(tài)

所有推出試件的破壞形態(tài)均為結(jié)合面處焊釘剪斷，沒有發(fā)生混凝土的破壞現(xiàn)象.焊釘在結(jié)合面處的斷裂情況如圖6所示，結(jié)合面處的焊釘?shù)臄嗔盐恢迷诤羔敽缚p的圓環(huán)內(nèi)，斷裂面光滑.

a 鋼材

b 焊釘根部

c 混凝土

2.3腐蝕情況

當(dāng)試件發(fā)生推出破壞后鋼與混凝土之間分離，可以清楚觀察到鋼與混凝土界面的腐蝕情況.各組試件的具體腐蝕情況如圖7所示(圖中選取每組中較有代表性的一個試件).從圖7中可以看出,鋼-混凝土結(jié)合面中鋼板已經(jīng)發(fā)生部分銹蝕，銹蝕位置主要集中在試件翼緣與空氣接觸范圍附近，內(nèi)側(cè)靠近焊釘部位的鋼板銹蝕較少;T0試件僅暴露在空氣中的鋼板部分發(fā)生部分銹蝕，結(jié)合面未發(fā)生銹蝕；E20，E30，E50，E80試件均發(fā)生了一定量的銹蝕，銹蝕主要集中在結(jié)合面和空氣接觸范圍附近，焊釘內(nèi)側(cè)位置發(fā)生銹蝕較少，E50試件銹蝕程度在4個試件中最低；C2,C3試件體現(xiàn)出良好的構(gòu)造特點，結(jié)合面內(nèi)僅發(fā)生少量銹蝕，C3試件可以看見明顯的橡膠條痕跡；F1試件在結(jié)合面邊緣位置發(fā)生一定銹蝕，中間區(qū)域未發(fā)生銹蝕.

a T0

b E20

c E30

d E50

e E80

f C2

g C3

h F1

2.4荷載-滑移曲線

推出試驗中T型鋼構(gòu)件受到水平荷載作用后，所有的水平力由鋼構(gòu)件與混凝土間的焊釘以剪力的形式承擔(dān)，焊釘發(fā)生剪切變形，焊釘?shù)募羟凶冃渭礊殇撆c混凝土間的相對滑移.因此，荷載-滑移關(guān)系是直接反映焊釘抗剪性能的重要指標(biāo).圖8是本次試驗試件的荷載-滑移曲線.圖中橫坐標(biāo)為每個試件上2個位移計的平均值.從圖8中可以看出，所有推出試驗的荷載-滑移曲線由4階段組成，即未滑移階段、彈性上升階段、塑性上升階段和下降階段.未滑移階段表現(xiàn)為剛開始施加荷載時，鋼-混凝土之間并未脫開，隨著荷載上升，鋼與混凝土之間不產(chǎn)生位移.本試驗中，此階段會持續(xù)在50～200 kN之間，各個試件有一定差異.彈性上升階段，荷載和滑移成線性關(guān)系，最大彈性荷載約為極限荷載的40%～50%，該階段中的焊釘剛度較大，滑移量增長較小但荷載增長較快.在塑性上升階段，荷載-滑移曲線呈現(xiàn)出明顯的轉(zhuǎn)折段，在該階段中焊釘?shù)膭偠让黠@減少，滑移量增長較快但荷載增加較少，所有試件呈現(xiàn)出良好的延性.當(dāng)試件達(dá)到最大承載力后進(jìn)入了荷載下降階段，該階段荷載下降速度較快.

各個試件的荷載-滑移曲線總體趨勢相似.由于焊釘是人工操作專用焊接器具進(jìn)行焊接，每個焊釘焊接質(zhì)量不能達(dá)到完全相同，各個試件的荷載滑移曲線也有所不同.其中有的試件最大位移未達(dá)到6 mm，有的試件最大位移可以達(dá)到10 mm.

2.5剪切承載力

a T0類試件

b E20類試件

c E30類試件

d E50類試件

e E80類試件

f C2類試件

g C3類試件

h F1類試件

試件組號焊釘抗剪承載力/kN試件1試件2試件3試件平均單釘平均T0658.1685.9690.1678.0169.5E20672.5609.1569.8617.1154.3E30620.2675.9677.0657.7164.4E50661.9646.8670.5659.7164.9E80677.8574.9629.4627.4156.8C2651.4774.4705.0710.3177.6C3655.3674.0641.7657.0164.3F1625.5629.4585.2613.4153.3

從表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),采用混凝土包裹鋼板厚度這種構(gòu)造方式的試件C2的單釘承載力最高，比沒有腐蝕的試件T0高4.8%，表明這種界面構(gòu)造具有更高的連接強度，采用橡膠條封閉的試件C3的單釘承載力比沒有腐蝕時間T0的低3.1%；試件E20,E30,E50和E80界面發(fā)生腐蝕后,承載力比試件T0的略低，相差2.7%～9.1%不等，但是降低程度并沒有與焊釘距離鋼翼緣邊緣的距離呈現(xiàn)直接關(guān)系，表明當(dāng)焊釘距離鋼翼緣邊緣在20 mm以上時，界面腐蝕不會對焊釘抗剪承載力產(chǎn)生顯著的影響；試件F1由于鋼與混凝土之間先發(fā)生滑移再進(jìn)行腐蝕，各組試驗試件中其承載力最低，比試件T0的平均值要小9.6%，表明組合梁中鋼與混凝土之間產(chǎn)生滑移后，界面容易受到不利介質(zhì)的腐蝕影響，降低連接件的抗剪承載力.

3試件腐蝕前后抗剪承載能力計算

表3中給出了不同計算方法與試驗結(jié)果的對比情況.從表3中可以看出,我國規(guī)范預(yù)估的焊釘極限承載力最低，美國的最高，各個規(guī)范計算的承載力均小于試驗測試值.中國規(guī)范計算得到的富余度較歐美規(guī)范高.

表3　試件試驗結(jié)果和計算結(jié)果

注：Pu,T為單釘抗剪承載力試驗值；Pu(1)，Pu(2)，Pu(3)，Pu(4)分別按文獻(xiàn)[11]，[12],[13],[9]中方法得到的單釘抗剪承載力計算值.

4結(jié)論

通過對焊釘連接件的鹽霧加速腐蝕試驗和8組推出試驗得到如下結(jié)論：

(1) 鋼-混凝土結(jié)合面在腐蝕后的抗剪承載力會有一定程度小幅下降，不同界面構(gòu)造的結(jié)合面抗剪承載力下降有所不同.其中采用混凝土包裹鋼梁上翼緣厚度的構(gòu)造形式時，結(jié)合面抗剪承載力比其他構(gòu)造形式的大，耐腐蝕性能較好；在本文所述的測試條件下，焊釘距離鋼翼緣的距離在20 mm以上時，界面腐蝕對焊釘連接件抗剪承載力的影響不明顯；當(dāng)鋼與混凝土界面產(chǎn)生滑移后，在同等腐蝕條件下，結(jié)合面抗剪承載力較未發(fā)生滑移的結(jié)合面低.

(2) 將現(xiàn)有不同規(guī)范中焊釘抗剪承載力計算結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明,焊釘在鄉(xiāng)村環(huán)境中鹽腐蝕后仍符合規(guī)范要求.由于本文僅進(jìn)行了鹽腐蝕的試驗測試，對于其他腐蝕環(huán)境的連接件承載力應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步研究.

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Influence of Corrosion with Different Connecting Configuration on Shear Bearing Capacity of Stud

SU Qingtian, CHEN Simin, LI Yu, LIANG Sihan

(College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract：In order to study the influence on static behavior of stud connector with different configuration layouts between the steel-concrete interface under corrosion environment, six types of layout were designed considering the relative slip between the steel and concrete. 24 specimens including 21 specimens under corrosion environment and 3 under normal environment were fabricated and used in the push-out test. The relationship between load and slip was tested during the push-out test, and the shear bearing capacity were measured. The results show that the structure with steel wrapping the concrete has a better corrosion resistance. The specimens with such layout has a higher shear resistance, and the average capacity of single stud is 177.6 kN. When the interface is slipped before the corrosion, the shear resistance is reduced compared to other specimen without pre-slip, and the average capacity of single stud after corrosion is 153.3 kN which is 9.6 percent less than the specimens without pre-slip.

Key words：stud; corrosion; composite structure; salt spray test; push-out test

收稿日期：2015-06-26

基金項目：國家“九七三”重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2013CB036303)

中圖分類號：TU375

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

第一作者： 蘇慶田(1974—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向為鋼橋及組合結(jié)構(gòu)橋梁.E-mail: sqt@#edu.cn