嚴(yán)永紅，鄧 芃，侯和濤，馬張永，劉 艷

(1. 甘肅建投鋼結(jié)構(gòu)有限公司，甘肅 蘭州 730000；2. 山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590;3. 山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061 )

抗剪連接件是鋼和鋼筋混凝土板協(xié)同工作的關(guān)鍵元件，承擔(dān)著傳遞剪力、防止掀起的作用，工程中應(yīng)用最為廣泛的為栓釘。但是，大跨度結(jié)構(gòu)所需栓釘數(shù)量眾多、焊接工作量大，而焊接操作可能導(dǎo)致鋼材出現(xiàn)損傷、形成工程隱患[1-2]。為避免這一問題，學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)連接方式進(jìn)行改進(jìn)[3-5]，其中高強(qiáng)螺栓可現(xiàn)場安裝、避免材料損傷和栓釘凸出對(duì)運(yùn)輸?shù)挠绊慬6]。文獻(xiàn)[6-7]研究了螺栓構(gòu)造的影響，通過試驗(yàn)分析抗剪連接件的靜力和疲勞性能，驗(yàn)證了其性能與圓頭栓釘相近，可滿足結(jié)構(gòu)延性和承載能力的要求。文獻(xiàn)[8-9]利用推出試驗(yàn)和梁式試驗(yàn)對(duì)螺栓直徑、螺栓強(qiáng)度、螺栓預(yù)緊力以及混凝土強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行分析，提出了螺栓預(yù)緊力對(duì)混凝土板與鋼梁之間摩擦力的影響機(jī)理，分析了各因素對(duì)抗剪連接件的影響。文獻(xiàn)[10-11]對(duì)預(yù)留孔徑和螺栓長細(xì)比的影響進(jìn)行了探討，分析了全裝配組合結(jié)構(gòu)的可行性。文獻(xiàn)[12]提出的套筒式螺栓構(gòu)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(duì)象多為橋梁等大跨徑結(jié)構(gòu)，而建筑工程中的組合梁跨度相對(duì)較小，橋梁工程中的技術(shù)無法直接在建筑工程中進(jìn)行應(yīng)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(jié)構(gòu)形成剛性或者半剛性節(jié)點(diǎn)，因此還需要考慮負(fù)彎矩對(duì)承載能力的削弱作用[14-16]。因此，為推動(dòng)螺栓在組合結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，有必要開展螺栓連接件抗剪性能的研究。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

參照Eurocode-4規(guī)范[16]制作14個(gè)推出正向推出試驗(yàn)試件，其中12個(gè)試件采用螺栓抗剪連接件，2個(gè)為采用栓釘?shù)膶?duì)比試件，試件尺寸見圖1，根據(jù)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(duì)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(duì)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(jìn)行對(duì)比。編號(hào)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(qiáng)度等級(jí)；C30、C35、C40—混凝土強(qiáng)度等級(jí)；螺孔分為三種：標(biāo)準(zhǔn)孔無字符、比標(biāo)準(zhǔn)孔增加1 mm—B1、增加2 mm—B2；SD表示帶有栓釘?shù)脑嚰?/p>

圖1 推出試件尺寸詳圖

1.2 材料性能

推出試驗(yàn)采用HW250×250型鋼，型號(hào)為Q235B。螺栓抗剪連接件分別為4.6級(jí)、8.8級(jí)和10.9級(jí)，螺桿長度為140 mm，預(yù)埋在混凝土內(nèi)的長度均為110 mm。栓釘型號(hào)為4.6級(jí)，直徑為16 mm。C30混凝土、C35混凝土和C40混凝土的實(shí)測強(qiáng)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(yàn)

加載設(shè)備采用山東省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的5 000 kN的長柱實(shí)驗(yàn)機(jī)。為提高測量精度，根據(jù)預(yù)測數(shù)據(jù)，試驗(yàn)分別采用1 000和1 500 kN兩種荷載傳感器；每個(gè)試件布置5支位移計(jì)以測量鋼梁與混凝土板之間的相對(duì)滑移；每支抗剪連接件布置4個(gè)應(yīng)變片。試驗(yàn)加載裝置和位移計(jì)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(xì)砂以防止試件底部不平而造成局部壓壞，保持兩側(cè)抗剪連接件傳力相對(duì)均衡。正式加載前進(jìn)行預(yù)加載以消除間隙的影響，預(yù)加載控制在預(yù)估峰值荷載的5%左右，加載速率為10 kN/min，重復(fù)3～5次。正式加載首先采用力進(jìn)行控制，速度為20 kN/min；試件進(jìn)入屈服狀態(tài)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(yàn)加載裝置

圖3 試驗(yàn)過程

1.4 破壞模式

試驗(yàn)中能觀察到混凝土板頂出現(xiàn)微裂縫然后逐漸擴(kuò)展、板底出現(xiàn)橫向裂縫、縱向以及沿45°擴(kuò)展的裂縫等現(xiàn)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(xiàn)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(jù)混凝土強(qiáng)度等級(jí)、螺栓型號(hào)和直徑進(jìn)行簡單歸類。出現(xiàn)這種離散性的原因比較復(fù)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(duì)本次試驗(yàn)各試件破壞現(xiàn)象進(jìn)行了總結(jié)。

圖4 試件混凝土板裂縫圖

根據(jù)試件破壞模式以及結(jié)構(gòu)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(guān)鍵，混凝土破壞特征的差異不會(huì)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(duì)試件滑移有顯著影響，這是因?yàn)樵嚰幕屏勘旧砭捅容^小，混凝土破壞的差異對(duì)微小的滑移量有顯著的影響?？傮w而言，強(qiáng)度較低、直徑較小的栓桿對(duì)混凝土的擠壓通常無法導(dǎo)致周邊混凝土的破壞。因此，4.6級(jí)螺栓周邊的混凝土無明顯損壞現(xiàn)象，見圖5(a)、(b)；當(dāng)螺栓強(qiáng)度和直徑較大時(shí)，其影響作用相對(duì)較大，周邊混凝土有可能出現(xiàn)破壞，此時(shí)對(duì)滑移的影響相對(duì)較大。

圖5 螺栓剪切破壞圖

圖6 加載偏心的影響

1.5 試驗(yàn)分析

圖7為各試件的的荷載-滑移曲線圖(P-s)，表2為試驗(yàn)結(jié)果，表中Pmax、smax為曲線峰值荷載及對(duì)應(yīng)位移。總體而言，包括4.6級(jí)在內(nèi)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(dǎo)致曲線突然出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。4.6級(jí)螺栓抗剪性能較差，與栓釘性能相差甚遠(yuǎn)，無法滿足工程應(yīng)用的要求，而高強(qiáng)螺栓的抗剪能力和滑移變形量和栓釘相近。在混凝土強(qiáng)度等級(jí)相同的情況下，8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓比4.6級(jí)栓釘表現(xiàn)出更好承載能力和剛度，而10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓顯然比8.8級(jí)具有更好的承載能力和剛度。擴(kuò)孔導(dǎo)致試件的承載能力和剛度比標(biāo)準(zhǔn)孔試件有所降低，擴(kuò)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(duì)于采用標(biāo)準(zhǔn)孔的試件，沒有出現(xiàn)預(yù)期的滑移現(xiàn)象，即荷載-滑移曲線未出現(xiàn)平臺(tái)段。對(duì)于擴(kuò)孔試件BD16-8.8C40(B2)，由圖7(b)可知：當(dāng)滑移量不超過0.25 mm時(shí)，曲線呈明顯的線彈性特征，此時(shí)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(qū)間的三段荷載-滑移曲線，可以發(fā)現(xiàn)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(xiàn)滑移的特征。需要指出的是，擴(kuò)孔試件BD16-8.8C40(B1)則未發(fā)現(xiàn)具備這種特征。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，應(yīng)該是在擰緊螺栓時(shí)，栓桿可能與孔壁接觸，導(dǎo)致幾乎不發(fā)生滑移，或者滑移較小時(shí)，試驗(yàn)測試手段無法將栓桿變形與滑移進(jìn)行區(qū)分，只有當(dāng)栓桿與孔壁存在較大的間隙時(shí)，曲線才能體現(xiàn)滑移的特征，如擴(kuò)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(qiáng)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(qiáng)度的影響。由圖8可知：對(duì)于直徑16 mm的高強(qiáng)螺栓連接試件，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)提高5 MPa，試件的Pmax分別提高8.89和17.62 kN；對(duì)于螺栓直徑為20 mm的試件，混凝土強(qiáng)度等級(jí)每提高5 MPa，試件的Pmax分別提高26.25和6.82 kN。總體而言，抗剪連接件的承載力隨混凝土強(qiáng)度提高而增加。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2 螺栓強(qiáng)度的影響

組合梁中的剪力主要由抗剪連接件承擔(dān)，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度對(duì)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(qiáng)度的影響，見圖9。由圖9可知：對(duì)于直徑16 mm的螺栓抗剪連接件，8.8級(jí)螺栓試件的Pmax為4.6級(jí)螺栓試件的209.57%，10.9級(jí)螺栓試件的Pmax為8.8級(jí)試件的122.13%；對(duì)于直徑20 mm的螺栓抗剪連接件，8.8級(jí)螺栓試件的Pmax為4.6級(jí)螺栓試件的167.18%，10.9級(jí)螺栓試件的Pmax為8.8級(jí)試件的113.96%。由圖9的關(guān)系曲線可知，Pmax與螺栓強(qiáng)度基本成線性關(guān)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(duì)于直徑16 mm的4.6級(jí)栓釘、4.6級(jí)和8.8級(jí)螺栓，三種材料的抗拉強(qiáng)度分別為434.12、442.39和832.44 MPa，栓釘和4.6級(jí)螺栓相近，8.8級(jí)螺栓的抗拉強(qiáng)度達(dá)到栓釘?shù)?.92倍；三者的Pmax分別為95.96、57.79和121.11 kN，4.6級(jí)螺栓的抗剪能力僅為栓釘?shù)?0.22%，而8.8級(jí)螺栓的抗剪能力僅比栓釘提高26.21%，見圖10。出現(xiàn)這種差別的原因是，栓釘與鋼梁翼緣焊接處因焊縫導(dǎo)致截面顯著增大，從而增大了栓釘?shù)目辜裟芰?，這種改變?cè)陟o力試驗(yàn)中表現(xiàn)為抗剪能力的提高，而焊接損傷通常在疲勞試驗(yàn)或者擬靜力試驗(yàn)中能夠得到驗(yàn)證。

2.4 擴(kuò)孔的影響

擴(kuò)孔，即適當(dāng)增大栓孔尺寸，這是裝配式結(jié)構(gòu)安裝過程中經(jīng)常采取的措施。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了三種方案，即栓孔比栓桿直徑增大2 mm的標(biāo)準(zhǔn)孔、增大3 mm和4 mm的兩種擴(kuò)孔，即試件BD16-8.8C40、BD16-8.8C40(B1)和BD16-8.8C40(B2)，圖11分析了孔徑對(duì)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(jìn)入塑性階段。另外，試件進(jìn)入塑性階段后，3條曲線的發(fā)展趨勢差異顯著，采用標(biāo)準(zhǔn)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(tài)，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(fù)雜。由圖11可知：BD16-8.8C40(B1)的Pmax比標(biāo)準(zhǔn)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(jù)高強(qiáng)螺栓工作原理可知，螺栓在發(fā)生相對(duì)滑移前，外部荷載由摩擦力平衡，該階段在P-s曲線中表現(xiàn)為直線段，試驗(yàn)所測得滑移量一般不超過0.5 mm；出現(xiàn)滑移后依靠栓桿的承壓作用承擔(dān)外部荷載。由于安裝誤差等原因，BD16-8.8C40(B1)未發(fā)現(xiàn)有滑移現(xiàn)象，而BD16-8.8C40(B2)則表現(xiàn)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(kuò)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(yàn)發(fā)現(xiàn)該參數(shù)對(duì)Pmax也有影響，這應(yīng)該是滑動(dòng)導(dǎo)致螺母的固定作用受到削弱并導(dǎo)致栓桿與鋼梁翼緣的夾角出現(xiàn)變化所致。

圖8 混凝土強(qiáng)度對(duì)抗剪承載力的影響

圖9 螺栓強(qiáng)度對(duì)抗剪承載力的影響

圖10 連接件直徑對(duì)抗剪承載力的影響

圖11 擴(kuò)孔對(duì)抗剪承載力的影響

3 抗剪連接件延性分析

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dá)到Pmax之前，依靠結(jié)構(gòu)的非線性性能以耗散外荷載產(chǎn)生的能量，防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脆性破壞?？辜暨B接件的延性系數(shù)μ：

(1)

式中sy為抗剪連接件屈服荷載Py對(duì)應(yīng)的滑移。

試件的延性系數(shù)見表2，由于4.6級(jí)螺栓的承載能力過小，未進(jìn)行分析。由表2可知：對(duì)于直徑16 mm的螺栓連接件，8.8級(jí)和10.9級(jí)表現(xiàn)出的延性都遠(yuǎn)超栓釘，其中BD16-10.9C40延性系數(shù)最小，也達(dá)到栓釘?shù)?49.83%；對(duì)于直徑20 mm的螺栓連接件，延性系數(shù)表現(xiàn)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(shù)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(shù)約為栓釘?shù)?45.97%和127.37%。因此，對(duì)于螺栓連接件，擴(kuò)孔導(dǎo)致延性系數(shù)有所減低，工程中是否采用擴(kuò)孔工藝值得商榷。

延性系數(shù)離散的原因眾多，如加工時(shí)無法保持摩擦面性質(zhì)完全一致，擰緊螺栓時(shí)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(dǎo)致公式(1)中數(shù)據(jù)的離散。但總體而言，8.8級(jí)、直徑16 mm螺栓的平均延性系數(shù)為33.51，約為栓釘?shù)?32.23%；8.8級(jí)、直徑20 mm螺栓的平均延性系數(shù)為31.71，與栓釘相差也非常微??；10.9級(jí)螺栓因數(shù)量較少，未進(jìn)行分析。

4 高強(qiáng)螺栓抗剪承載能力計(jì)算公式

目前國內(nèi)外規(guī)范并未提供組合梁中螺栓抗剪連接件的計(jì)算公式，為便于評(píng)價(jià)連接件的抗剪承載能力，本文根據(jù)試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度之間的關(guān)系，見公式(2)。

Pmax=0.91Aefu。

(2)

式中：fu為螺栓的抗拉強(qiáng)度；由螺栓連接件的構(gòu)造可知，螺栓剪斷處為螺紋區(qū)域，故取凈截面面積Ae。

公式(2)計(jì)算的螺栓抗剪承載力與試驗(yàn)值相比，變化范圍在0.75～1.16之間，平均值為0.96，采用文獻(xiàn)[7]、[17]和[18]計(jì)算的理論值與試驗(yàn)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(jì)算公式具有良好的精度。由于4.6級(jí)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(jí)螺栓的影響。因此，公式(2)計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比值在0.89～1.16之間，平均值為0.98，可以較好的預(yù)測高強(qiáng)螺栓抗剪連接件的承載力。

5 結(jié)論

1) 螺栓抗剪連接件的試驗(yàn)研究表明：高強(qiáng)螺栓抗剪連接件的破壞模式表現(xiàn)為螺栓與鋼梁翼緣處的剪切破壞，高強(qiáng)螺栓與鋼梁翼緣連接處的混凝土出現(xiàn)不同程度的破壞。高強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)孔螺栓試件的P-s曲線未發(fā)現(xiàn)有滑移現(xiàn)象，比標(biāo)準(zhǔn)孔增大1 mm試件的曲線與標(biāo)準(zhǔn)孔試件類似。比標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)入上凸的趨勢?？傮w而言，擴(kuò)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(qiáng)螺栓的抗剪承載能力和延性可滿足工程的需求。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)試件的延性呈一定的離散性，但8.8級(jí)16 mm高強(qiáng)螺栓連接件的延性普遍優(yōu)于4.6級(jí)16 mm的栓釘，而20 mm的螺栓連接件的數(shù)據(jù)相對(duì)離散，但其延性系數(shù)的平均值與4.6級(jí)19 mm的栓釘極為接近。

4) 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合的計(jì)算公式體現(xiàn)了螺栓強(qiáng)度和截面積對(duì)抗剪承載力的貢獻(xiàn)，其精度也比較理想。但鑒于試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)較少，后期需補(bǔ)充試驗(yàn)、采用數(shù)值分析工具并建立理論分析模型，研究混凝土對(duì)抗剪性能和延性的貢獻(xiàn)。