焊钉连接件时变抗剪性能的试验研究

李运生，侯忠明，赵志杨，张彦玲

（1.石家庄铁道大学 土木工程学院，石家庄 050043；2.清华大学 土木工程系，北京 100084）

剪力连接件的抗剪承载力可以通过推出试验来确定。Viest等人开始使用推出试验对焊钉连接件受力性能进行研究的方法始于20世纪50年代，到目前为止，对一般钢混凝土组合梁、压型钢板组合梁中焊钉连接件的抗剪承载力［1－4］、焊钉连接件在组合梁中的间距和布置［5］、在轴力和剪力共同作用下焊钉连接件的承载力［6－7］、密集型焊钉群的受力状态［8－9］、以及焊钉连接件的疲劳性能［10－11］等都已发表了相关的研究成果，在这些研究的基础上各国规范都给出了相应的焊钉承载力计算公式。但是，上述文献都是在混凝土达到标准养护强度之后，对埋置于其内的焊钉连接件进行研究，而对于无支架浇筑的多跨、长跨、连续组合梁，在施工期间，混凝土板需分阶段、按一定顺序进行浇筑，各阶段之间的间隔浇筑时间根据现场情况从几小时到几天不等，在下一阶段浇筑完成时，上一阶段混凝土的龄期虽未达到标准养护强度，但钢梁与混凝土板结合面上的剪力连接件能够提供一定程度的早期抗剪强度，这对组合梁的内力重分布和整体受力性能会产生一定影响，因此需对焊钉连接件的时变抗剪性能进行研究。关于焊钉连接件时变抗剪性能的研究成果很少。Topkaya［12］设计了自锚式推出试验装置，将推出试件按混凝土龄期分为8组，通过推出试验给出了不同混凝土龄期时连接件的抗剪强度及刚度计算公式，但该试验只包含了焊钉直径为19mm、混凝土等级为S级［13］的情况，且试验中试件水平放置，焊钉只焊于钢梁单侧，所给的公式中需要不同龄期混凝土的强度参数，因此需进行不同焊钉直径及混凝土配比下的连接件推出试验，采用不同的试验方法对Topkaya试验结果进行验证和补充，并给出更实用的计算公式。笔者在该研究的基础上，采用常规的立式推出试验装置，焊钉直径采用16mm，混凝土强度等级采用C30，将推出试件按混凝土龄期分组，通过推出试验对焊钉连接件的时变抗剪性能进行研究，给出抗剪强度及刚度随时间变化的规律。

1 推出试验设计及加载方案

1.1 试件设计

进行了焊钉连接件的推出试验。试验中按6h、12h、24h、3d、7d、14d和28d的混凝土龄期将推出试件分为7组，每组3个试件，共21个试件。如图1所示，每个试件两侧的C30混凝土板尺寸为500mm×460mm×150mm，板内钢筋为φ10mm的HPB235钢筋；钢梁采用高510mm的250×250HW Q235型钢；焊钉直径16mm，高100mm，每侧2个，共4个。

1.2 加载方案

图1 推出试件尺寸（单位：mm）

试件在试验室现场浇筑，浇筑前在HW型钢的翼缘外侧涂油，浇筑时两侧混凝土板同时浇筑，人工浇水自然养护。对于加载龄期为6、12、24h的试件，由于混凝土龄期短、强度低，移动过程中易产生早期损伤，故直接在试验加载位置下方进行浇筑和养护，加载前不再移动。加载时试件置于平整的钢板之上，为了防止加载过程中混凝土板下部向外侧滑移，在混凝土板与钢板接触处的外侧用角铁以及钢杆加以固定，并以HW型钢的腹板为对称面，在两侧翼缘焊钉位置分别固定小块角钢，将试验机加载头中心与试件中心严格对中，并在试件顶端与加载头之间垫胶片，使受力均匀，然后设置百分表对钢与混凝土之间的相对滑移进行测试。如图2所示。

图2 推出试验加载装置

加载设备使用1000kN三维多点协调电液伺服动态加载机。分级加载，每次加载3kN，当剪力－滑移曲线出现开始进入平滑段时，每次加载1kN，直到推出试件破坏。每个推出试件试验过程不超过30min，以保证对混凝土龄期的要求。

2 试验结果及分析

2.1 破坏现象及剪力滑移曲线

试验中的每个推出试件都以最终的破坏作为一次试验的结束。与常规的推出试验相同，最终的破坏模式也是主要分为2种，即混凝土板的劈裂破坏和焊钉的剪切破坏。推出试件的破坏形式见图3所示，其中一组试件的主要试验结果见表1，表中Qu为单个焊钉所能承受的最大剪力，su为对应的最大滑移值，相应的剪力滑移曲线如图4所示。

图3 推出试件破坏形式

由表1和图4可以看出：

1）随着混凝土龄期的增加，推出试件所能承受的最大剪力增大，最大滑移值则呈下降趋势；

表1 推出试验主要结果

图4 推出试件的剪力滑移曲线

2）由于混凝土龄期较小时强度较低，故在龄期小于3d时推出试件均表现为混凝土板劈裂破坏，而在3d以后，试验主要表现为焊钉剪切破坏，在一般的焊钉连接件中，若混凝土强度等级较低，3d以后也可能表现为混凝土破坏；

2.2 焊钉连接件抗剪性能的时变规律

在组合梁的设计和计算中，连接件的极限抗剪强度和极限滑移值、设计抗剪强度和设计容许滑移值、抗剪刚度是连接件抗剪性能的重要指标，分别加以讨论。

2.2.1 焊钉连接件的极限抗剪强度和极限滑移值

图5 焊钉连接件极限抗剪强度随混凝土龄期的变化

图6 极限滑移值随混凝土龄期的变化

由图5可以看出，混凝土龄期为6h时，焊钉连接件的极限强度达到28d龄期的15%，12h时达到35%，24h达到57%，3d达到75%，7d达到83%，14d达到87%，直到混凝土龄期达到28d时达到最大值。这说明随着时间的推移，焊钉连接件的抗剪强度是持续增加的，并呈现出早期增长快，后期增长慢的现象。因此在混凝土浇筑的早期，焊钉连接件提供的早期组合作用不能忽略，但也不能直接取用28d龄期后成熟混凝土的极限抗剪强度，而应按时间增长规律进行计算。

由图6可以看出，焊钉连接件的极限滑移值随混凝土龄期的变化规律不是很明显，但基本呈现出早期较大，后期较小的趋势。这是由于早期混凝土强度较低，使得破坏时滑移较大，而龄期超过3d后，连接件主要表现为焊钉的剪切破坏，其极限滑移值变化不大。

2.2.2 焊钉连接件的设计抗剪强度 实际运营中的组合梁结构，即使达到极限状态，其结合面滑移也达不到剪力连接件的极限滑移值，因此在设计中需确定一个合理的设计抗剪强度。文献［12］首先将焊钉直径的1／25定义为设计容许滑移值sd，然后将焊钉剪力滑移曲线中对应于设计容许滑移值的剪切力作为设计抗剪强度Qd；文献［13］则直接将设计抗剪强度Qd取为极限抗剪强度Qu的80%。针对笔者的试验数据，按这2种方法得到的焊钉连接件设计抗剪强度Qd随混凝土龄期的变化见图7所示。

由图7可以看出，焊钉连接件设计抗剪强度随混凝土龄期的变化规律和极限抗剪强度相同。但按照不同的定义方法所得到的结果差别较大。按照文献［12］中Topkaya定义的焊钉设计抗剪强度值Qd要比文献［13］中Wang定义的结果小得多。按照文之外，还受混凝土强度等其它因素影响，故为简便起见，定义0.8mm为设计容许滑移值，将其在推出试件的剪力滑移曲线上对应的剪切力定义为设计抗剪强度Qd。

图7 焊钉连接件设计抗剪强度随混凝土龄期的变化

2.2.3 焊钉连接件的剪切刚度 在组合梁的设计和计算中，焊钉抗剪刚度都是重要的指标，但其取值方法目前尚无统一的定义。文献［12］中Topkaya定义焊钉的抗剪刚度ks为设计抗剪强度处的割线刚度Qd／sd；文献［13］中 Wang将焊钉抗剪刚度ks保守地估计为0.8mm滑移值位置对应的割线刚度；文献［14］中刘玉擎则将滑移曲线上通过最大抗剪承载力1／3大小处的割线倾斜度设为抗剪刚度ks。图8对上述3种不同定义下焊钉抗剪刚度值随混凝土龄期的变化进行了比较。献［12］的定义方法，连接件的设计容许滑移值sd为焊钉直径的1／25，试验焊钉直径为16mm，故sd＝0.64mm。对于工程中常用的19、22和25mm直径焊钉，sd分别为0.76、0.88和1.00mm，将这些sd值所对应的剪切力也绘于图7中。可以看出，当sd取值在0.64～1.0mm时，所对应的设计抗剪强度差别不大，由于连接件抗剪强度除受焊钉直径影响

图8 焊钉连接件抗剪刚度随混凝土龄期的变化

由图8可以看出，虽然均以割线刚度来定义焊钉连接件的剪切刚度，但由于对应的荷载不同，3个文献中所给出的结果有较大差异，割线顶点荷载最小的文献［14］给出的抗剪刚度最大，荷载最大的文献［13］抗剪刚度最小，但三者所表现的抗剪刚度随龄期的变化规律相同，均明显表现出初期增长快，后期增长慢的趋势，在混凝土龄期达到3d前，剪切刚度即可达到28d龄期时的60%～70%以上，说明焊钉在混凝土浇筑早期已在组合梁结合面上提供了较大的抗剪刚度。为了与本文在2.2.2节中定义的设计容许滑移值统一，取用文献［13］中 Wang定义的0.8mm滑移值位置对应的割线刚度作为焊钉连接件的抗剪刚度。

2.3 焊钉连接件抗剪强度及刚度的时变计算公式

2.3.1 焊钉连接件的极限抗剪强度 以28d龄期的3个焊钉连接件极限抗剪强度的平均值为标准，得到试验数据和文献［12］中Topkaya试验数据的极限抗剪强度无量纲数据，并采用最小二乘法对试验数据进行拟合，得到的拟合曲线如图9所示，该拟合曲线的相关系数R2＝0.92。焊钉连接件极限抗剪强度的时变计算公式见式（1）。

图9 焊钉连接件极限抗剪强度拟合曲线

2.3.2 焊钉连接件的设计抗剪强度 根据笔者对焊钉连接件设计抗剪强度的定义方法，以28d龄期的设计抗剪强度Q28d平均值为依据，采用最小二乘法对试验数据和文献［12］中Topkaya的试验数据的无量纲参数进行拟合，得到的拟合曲线如图10所示，该拟合曲线的相关系数R2＝0.92。焊钉连接件设计抗剪强度的时变计算公式见式（2）。

图10 焊钉连接件设计抗剪强度拟合曲线

2.3.3 焊钉连接件的剪切刚度 根据笔者对焊钉连接件抗剪刚度的定义方法，以28d龄期的推出试验结果为依据，采用最小二乘法对试验数据和文献［12］中Topkaya的试验数据进行拟合，得到的拟合曲线如图11所示，该拟合曲线的相关系数R2＝0.91。焊钉连接件抗剪刚度的时变计算公式见式（3）。

3 结论

1）随着混凝土龄期的增加，推出试件所能承受的最大剪力增大，最大滑移值下降；龄期小于3d时推出试件主要为混凝土板劈裂破坏。

2）定义0.8mm为焊钉连接件的容许滑移值，其在剪力 滑移曲线上对应的荷载为设计抗剪强度Qd，Qd／0.8为焊钉连接件的剪切刚度。

4）根据笔者提出的连接件抗剪强度及刚度时变公式，可直接通过规范中给定的28d龄期的成熟混凝土与焊钉的剪力连接件抗剪强度计算公式，或28d龄期的焊钉连接件试验结果，对混凝土任意龄期时焊钉连接件的抗剪强度和刚度进行计算。

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