王祥真，周 奇，姜 媛

(1.紹興市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，浙江 紹興 312000; 2.汕頭大學 廣東省高等學校結(jié)構(gòu)與風洞重點實驗室，廣東 汕頭 515063; 3.汕頭大學 土木與環(huán)境工程系，廣東 汕頭 515063)

0 引 言

腹板嵌入式組合梁是一種新型鋼-混凝土組合梁，是在現(xiàn)有鋼-混凝土組合梁的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新型組合結(jié)構(gòu)[1-2]。傳統(tǒng)鋼-混凝土組合梁中，鋼梁通常采用H型鋼，其上翼緣位于截面中和軸附近，所受的應(yīng)力較小，沒有充分發(fā)揮作用[3]。如果去掉組合梁中鋼梁上翼緣，在腹板上開槽或開孔直接嵌入到混凝土翼板中形成剪力連接件，這樣不僅省去了鋼梁上翼緣，也無須另做剪力連接件如栓釘、槽鋼及彎筋等[4-5]。腹板嵌入式組合梁主要由倒T形鋼梁和混凝土翼板組成，不需要專門的連接件，鋼梁和混凝土翼板的組合作用由腹板上部開槽形成的剪力連接件實現(xiàn)，為獲得較好的縱向抗剪和豎向抗拔性能，連接件形狀一般采用等腰梯形，等腰梯形的槽釘在加工時可以套切腹板，不會浪費鋼材，且無須焊接。李現(xiàn)輝[6]等對于腹板嵌入式鋼-混凝土組合梁進行推出試驗，結(jié)果表明：腹板嵌入式鋼-混凝土組合梁中鋼板連接件具有承載力高、易于實現(xiàn)完全抗剪連接的優(yōu)點，而且連接件抗剪連接剛度大，可以減少組合梁由于滑移效應(yīng)引起的剛度折減[6]。

腹板嵌入式組合梁雖然有節(jié)約鋼材和栓釘、抗剪承載能力高等優(yōu)點，但倒T形鋼梁側(cè)向剛度低、穩(wěn)定性差，易發(fā)生失穩(wěn)，組合梁在施工階段需要增加額外的支撐系統(tǒng)[7]，失去了傳統(tǒng)組合梁施工便捷的優(yōu)點。

在組合梁上增加壓型鋼板，不僅可以提高混凝土翼板的抗拉能力，還可以作為永久模板和施工平臺，加快施工速度，增大倒T梁的側(cè)向剛度和鋼梁整體穩(wěn)定性[8-12]。為此，本文提出在腹板嵌入式組合梁基礎(chǔ)上增加壓型鋼板構(gòu)成腹板嵌入式壓型鋼板組合梁，并進行腹板嵌入式壓型鋼板組合梁剪力連接件推出試驗，研究齒口高度、混凝土強度以及配筋率等參數(shù)對剪力連接件抗剪承載力的影響，并與腹板嵌入式組合梁對比，分析壓型鋼板對抗剪承載力的貢獻。

1 剪力連接件推出試驗

1.1 試驗概況

剪力連接構(gòu)件是將鋼梁與混凝土翼板組合在一起共同工作的關(guān)鍵部件，起到傳遞鋼梁與混凝土翼板之間縱向剪力的作用，同時還能抵抗混凝土翼板與鋼梁之間的掀起作用[13-14]。通常采用推出試驗測試組合梁剪力連接件縱向抗剪性能，研究剪力連接件的破壞機理和抗剪承載力。本次試驗共設(shè)計制作了12個腹板嵌入式壓型鋼板組合梁推出試件。其中，試件ST-3為標準件；試件ST-1～ST-3除齒口高度不同外，混凝土強度等級、配筋率及試件主要尺寸都相同，ST-1、ST-2主要尺寸參數(shù)分別如圖1和圖2所示；ST-3和ST-6～ST-9混凝土強度等級不同；ST-3和ST-10配筋率不同，試件主要尺寸相同，如圖3所示；ST-4和ST-11主要尺寸參數(shù)如圖4所示；ST-5和ST-12主要尺寸參數(shù)見圖5；壓型鋼板尺寸參數(shù)見圖6。此外，為了更好地模擬嵌入式組合梁中腹板的受力狀態(tài)，在混凝土翼板和推出鋼梁翼板間特留出50 mm間隙。各試件主要參數(shù)見表1。

圖1 推出試件ST-1

圖2 推出試件ST-2

圖3 推出試件ST-3和ST-6～ST-10

試驗中鋼梁采用Q235級鋼。鋼筋采用HRB300級，鋼筋屈服強度實測平均值fy=312 MPa。混凝土翼板為現(xiàn)場澆筑，在板的上部和下部均配置鋼筋網(wǎng)，不同試件鋼筋直徑分為8 mm和10 mm，混凝土保護層厚度為15 mm，混凝土強度等級分別C30、C40、C50和C60。推出試件混凝土澆筑時豎向放置，兩側(cè)的混凝土翼板同時澆筑，試件混凝土采用自然養(yǎng)護，養(yǎng)護28 d后進行試驗?；炷量箟簭姸仁峭ㄟ^邊長為150 mm的標準立方體試塊在強度試驗機上單向壓縮得到的單軸抗壓強度，試驗測試結(jié)果見表2。每個推出試件的工字鋼采用普通工字鋼：HM 295×200×8×12，厚度為10 mm，邊緣切邊打磨平整，表面采用非酸洗工藝，鋼板開等腰梯形槽，手工焊接在工字鋼兩外側(cè)翼緣上，焊條采用E43型。在加載端機械加工鋼梁截面，并焊接端板，使表面平整并與工字鋼軸線垂直，以便在試驗時保證加載方向豎直。

表2 混凝土試塊單軸抗壓承載力測試結(jié)果

圖4 推出試件ST-4和ST-11

圖5 推出試件ST-5和ST-12

圖6 壓型鋼板尺寸

所有試驗均在MTS試驗機上完成，其最大壓力可達到1 000 kN。位移的測量采用THD-100型位移傳感器，其最大量程為10 cm。推出試驗采用單調(diào)加載，試件的極限推出力估算值為Vu，先預(yù)加載0.1Vu，再每10 kN一級，分級加載到0.3Vu，然后連續(xù)加載，每分鐘加載10 kN，每秒采樣一次，加至50 kN后采用位移控制加載達到極限荷載。

推出試驗是為了研究腹板嵌入式鋼板剪力連接件的破壞機理及抗剪承載力，在試驗過程中將重點觀察試件的開裂荷載及混凝土裂縫的發(fā)展情況。在推出試件的兩側(cè)混凝土翼板和工字鋼兩側(cè)安裝位移計，用以測量混凝土翼板和工字鋼在推出力作用下的位移。同時，試驗過程中通過數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)可以對試件的荷載與滑移曲線進行實時監(jiān)測。

1.2 主要試驗結(jié)果

1.2.1 破壞特征

在荷載加載前期階段(0～0.7Vu時)，試件基本穩(wěn)定，混凝土板中未觀察到明顯的裂縫。當加載到(0.7～0.8)Vu時，首先在混凝土翼板中部出現(xiàn)微小裂紋，肉眼不易觀察到；繼續(xù)加載，先前混凝土翼板中部出現(xiàn)的微小裂紋變得清晰可見；繼續(xù)加載，裂縫由混凝土翼板中間向上下延伸；接著混凝土板內(nèi)發(fā)出爆裂聲，表面裂縫貫穿整個混凝土翼板，同時試件承載力迅速下降，試件混凝土翼板發(fā)生劈裂，直至裂縫貫通試件。所有試件的測試結(jié)果如表3所示。

表3 推出試驗主要結(jié)果

從上述試驗中觀察到的現(xiàn)象可以預(yù)判，推出試件的破壞是由齒口周圍混凝土的局部壓碎導(dǎo)致的，混凝土局部裂縫隨著荷載的增大沿著受力方向擴展，最終形成了縱向通長的裂縫，表現(xiàn)為推出試件的混凝土翼板劈裂破壞。試驗結(jié)束后，砸開推出試件的混凝土翼板，發(fā)現(xiàn)齒口連接件并沒有發(fā)生較大的變形或是明顯的破壞，這也驗證了先前對推出試件破壞形式的預(yù)判，即推出試件的破壞形式是混凝土劈裂破壞。

1.2.2 荷載-相對滑移曲線

試驗過程中采用位移計測量了倒T鋼梁與混凝土翼板之間的相對滑移，同時MTS測試系統(tǒng)也同步記錄了試驗加載-位移曲線，通過計算得到倒T鋼梁與混凝土翼板之間的相對滑移。

圖7 推出試件的荷載-滑移關(guān)系

測量工字鋼與混凝土板之間的相對滑移，可反映鋼板開槽齒狀連接件的變形性能。由于試件ST-9齒口損壞導(dǎo)致試驗結(jié)果有誤，在結(jié)果分析中去除試件ST-9。圖7給出了試件的荷載-滑移關(guān)系曲線，從圖中可以看出，在加載初期，由于鋼板剪力連接件與混凝土之間黏結(jié)力與摩擦力的作用，相對滑移非常小。隨著荷載的增加并克服了黏結(jié)力與摩擦力，相對滑移逐漸增大，荷載超過開裂荷載后，混凝土翼板出現(xiàn)橫向裂縫，荷載-滑移曲線進入明顯的非線性階段。隨著荷載的進一步增加，混凝土與齒狀連接件接觸的部分更多地進入塑性階段，部分混凝土被壓碎，滑移逐漸加快，非線性特征越來越明顯。

(1)對比試件ST-3和ST-6的試驗結(jié)果可分析壓型鋼板對組合梁抗剪性能的影響。對比分析發(fā)現(xiàn)：無壓型鋼板組合梁比有壓型鋼板組合梁的開裂荷載、開裂滑移、極限荷載和極限滑移都大，說明無壓型鋼板組合梁的抗剪承載力較好。同時觀察到，在ST-6曲線的塑性階段前期，曲線斜率明顯大于ST-3的試驗結(jié)果，由此可以判定，無壓型鋼板組合梁的塑性性能要好于有壓型鋼板組合梁。

(2)對比試件ST-1、ST-2、ST-3的試驗結(jié)果可分析齒口高度對組合梁抗剪性能的影響。對比分析可知：在相同條件下，隨著試件齒口高度的增加，極限荷載和極限滑移均逐漸減小，說明試件的抗剪承載力逐漸下降。

(3)對比試件ST-3、ST-7和ST-8的試驗結(jié)果可分析混凝土強度等級對組合梁抗剪性能的影響。對比分析可得：隨著混凝土強度等級的提高，試件的極限荷載和極限滑移均逐漸增大，說明試件的抗剪承載力隨著混凝土強度等級的提高而有所提高，這也與推出試件試驗破壞是混凝土局部壓碎導(dǎo)致破壞的結(jié)論相符。

(4)對比試件ST-4和ST-11、ST-5和ST-12以及ST-3和ST-10可分析不同配筋率對組合梁抗剪性能的影響。由試件ST-4和ST-11的試驗結(jié)果可得：在混凝土翼板寬度為150 mm時，隨著配筋率的增大，組合梁開裂荷載、開裂滑移、極限荷載和極限滑移都增大。由試件ST-5和ST-12試驗結(jié)果以及試件ST-3和ST-10試驗結(jié)果可得：在混凝土翼板寬度為100 mm時，隨著配筋率的增大，組合梁開裂荷載、開裂滑移增大，極限荷載也增大，但極限滑移相對減小。這說明：隨著配筋率的增大，組合梁的抗剪性能提高；增大混凝土翼板寬度，也能有效提高組合梁的抗剪性能。

1.4 受剪承載力公式

(1)

式中:Ec為混凝土的彈性模量；fc為混凝土的抗拉強度設(shè)計值；As為圓柱頭焊釘(栓釘)釘桿截面面積；f為圓柱頭焊釘(栓釘)抗拉強度設(shè)計值；γ為栓釘材料抗拉強度最小值與屈服強度之比。

當栓釘材料性能等級為4.6級時，取f=215 N·mm-2，γ=1.67。

參考栓釘承載力公式，對腹板嵌入式壓型鋼板組合梁剪力連接件的承載力進行分析，對比試驗結(jié)果可以得出：推出試件的主要破壞形式為混凝土板的縱向劈裂破壞，其極限承載力和混凝土強度等級、彈性模量等有著密切關(guān)系。統(tǒng)計分析推出試驗中的10個推出試件的結(jié)果，可得到剪力連接件的承載力公式。

(2)

式中:Ec為混凝土的彈性模量；A為受剪面積。

2 結(jié) 語

剪力連接件是鋼-混凝土組合梁中的關(guān)鍵元件，它的性能直接影響到鋼-混凝土組合梁的承載力和各項性能。本文考慮不同齒口高度、不同混凝土強度等級、不同配筋率以及有無壓型鋼板等影響因素，設(shè)計制作12組腹板嵌入式壓型鋼板組合梁，并對其進行剪力連接件推出試驗，得到以下結(jié)論。

(1)通過觀察鋼板剪力連接件的破壞形式，并結(jié)合試驗中的現(xiàn)象可以得出，推出試件的破壞為齒口周圍混凝土的局部壓碎，局部裂縫進而在受力方向擴展貫通，形成縱向通長裂縫，造成試件中混凝土板的劈裂破壞。

(2)由試驗數(shù)據(jù)分析可得，適當增強混凝土強度等級，增大配筋率等參數(shù)，可在一定程度上增強組合梁的抗剪性能。齒口高度對組合梁的抗剪性能也有一定的影響，但并非越高越好。

(3)由對比試驗結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，壓型鋼板對組合梁的抗剪性能提高沒有作用，相反還降低了組合梁的抗剪塑性性能。但考慮到壓型鋼板可以作為施工平臺和永久模板，且能增加倒T梁的側(cè)向剛度和整體穩(wěn)定性，腹板嵌入式壓型鋼板組合梁也具有一定的工程應(yīng)用價值。