波形钢腹板—混组合结构栓钉连接件抗剪性能初步试验分析

黄奕森，郑恒斌，谢庆奋，李 荣，陈穗茵

(华南农业大学水利与土木工程学院，广东 广州 510642)

1 引 言

世界上第一座波形钢腹板组合箱梁桥Cognac桥于1986年建于法国。随后，因与传统的预应力混凝土结构相比，钢混组合结构具有自重轻、材料充分发挥、施工与组装方便、整体美观等突出优点，使得这种钢混组合结构引入世界许多国家。截至2014年，中国已经建成的和正在建造的波形钢腹板组合箱梁桥已超20座。

波形腹板工字钢-混组合梁桥是通过剪力连接件将钢梁与混凝土桥面板有效连接成整体并共同受力的一种桥梁结构型式。通过剪力连接件的连接作用，混凝土桥面板对钢梁受压翼缘起约束作用，从而增强钢梁的稳定性，有利于材料强度充分发挥。结构高度的降低，使结构外形更加纤巧，提升桥梁的景观效果，有利于增加桥下净空或降低桥面标高。

已有试验结果表明，理想的剪力连接件的设计，应当为组合梁结构提供足够的、完整的组合作用，而其关键在于剪力连接件的连接作用。目前常用剪力连接件可分为4类：栓钉连接件、型钢连接件、PBL连接件、钢筋连接件。栓钉连接件由于受力性能好，无需考虑剪力方向，设计简单，施工方便，是目前各国采用最多的连接件形式。

虽然栓钉连接件应用较多、具有诸多优点，但同时也存在波形钢腹板与顶底板混凝土连接处内力较大、受力复杂、栓钉高度受限等问题尚未深入研究。基于此本文拟从栓钉承载力的角度开展初步试验研究，因桥梁大多以RPC材料为主，故拟在栓钉参数相同的条件下进行RPC与普通强度混凝土的对照实验，以期掌握RPC和普通混凝土组合梁栓钉剪力键整体抗剪规律，得出栓钉抗剪承载力的范围。

2 试验方案

2.1 试件制作及测点布置

本试验两试件参数除混凝土材料不同外其他参数均相同，其中1号试件为RPC、2号试件为C50，栓钉直径10 mm长度50 mm，横纵间隔150 mm依照4×4布置，混凝土厚度50 mm，钢板厚度50 mm。钢底板采用Q345A钢材；栓钉采用ML15AL圆柱头焊钉。RPC材料由广东冠生土木工程有限公司提供并浇筑，与现场施工一致；RPC由于其特殊性，需采用蒸汽养护。C50材料则按照通用配方在实验室进行配比、搅拌、浇筑。试件及测点布置图见图1所示。在图1中左右两侧混凝土分别记为L、R，栓钉排数由上至下记为1～4；每排栓钉的1～3号应变片分别取平均值并记为1、2、3，如L1-1表示左侧第一排的所有1号片的平均值。

图1 试件示意图及测点布置图(单位：mm)

2.2 加载过程

实验加载在WHY-5000型微机控制全自动压力试验机的试验台上进行，整个加载过程采用电脑控制。本实验为破坏性实验，最终加载至试件破坏时结束。以位移方式加载，由于试件内部存在间隙，初期加载速率为0.01 mm/s，达到压实效果，在加载至约200 KN时设为0.005 mm/s直至加载过程结束。

3 试验结果及分析

3.1 荷载-位移规律

在加载过程中测量了混凝土整体滑移量，并依此绘制了两组试件的荷载-混凝土整体滑移曲线，见图2所示。

图2 两组试件的荷载-混凝土整体滑移曲线

分析图2可知，Ⅰ、Ⅱ号试件的极限抗剪承载力分别约为500 KN和750 KN，每个试件两侧共有32个栓钉，每个栓钉极限抗剪承载力分别约为15.6 KN和23.4 KN。在整个加载过程中Ⅰ号试件的整体滑移量均小于Ⅱ号试件。发现不合理的规律：(1)在其他条件相同的情况下，强度较高的混凝土试件其极限抗剪承载力反而较小，Ⅰ号试件的极限抗剪承载力仅为Ⅱ号试件的67%左右；(2)Ⅰ号试件的极限抗剪承载力未达到规范值，Ⅱ号试件达到规范值，但安全储备过小。本文认为出现以上问题的主要原因是栓钉焊接效果不好所致。由此表明，栓钉焊接质量在钢-混连接件中起到关键性作用。栓钉焊接质量必须得到保障，否则无法对剪力连接件的抗剪承载力进行定量分析。

3.2 荷载-应变规律

对应变数据进行处理，剔除不合理以及损坏的应变片数据后，进行应变数据分析，获取同一个试件两侧对应的栓钉应变数据规律以及同一侧不同排的栓钉应变数据规律。

图3 (两组试件各排栓钉1号片荷载-应变曲线)

分析图3可知，两个试件左右两侧第一排和第四排栓钉的1号片数据都较为吻合，在相同的荷载下，第一排的1号片应变都比第四排的应变大。因为在栓钉剪断之前，靠近加载面的第一排栓钉比第四排承受更大的剪力。随着荷载继续增加，在接近极限荷载时，第一排各栓钉1号片应变快速增长，直至应变片破坏，此时第一排栓钉即将剪断，随后剪力将继续作用到第二、三、四排栓钉上，直至其出现上述应变猛增然后栓钉剪坏的现象。

图4 (两组试件各排栓钉2号片荷载-应变曲线)

分析图4可知，在加载过程中，两试件的各排2号片所在位置受力变形依然较大，图中横坐标轴数值也较大，在最终栓钉剪断时，应变数值已超过应变片限值，应变片破坏。此外，当荷载接近极限荷载时，也同样出现上述应变突增的情况，这说明栓钉在破坏时一般是比较突然的，而且栓钉靠近根部的中下部(离根部约2 cm)都有比较大的变形。

栓钉3号片的应变最大值普遍没有超过1 000个微应变，即整个加载过程中3号片所处位置一直处于弹性阶段，其最大微应变还没达到栓钉的屈服应变。再因两组试件各排栓钉3号片荷载—应变曲线十分凌乱，在荷载上升段有一定吻合，在荷载下降段离散性非常大，故图片展示意义不大。而本实验3号片在最远离根部处，整个过程受力最小，这可以解释上述荷载—应变曲线的变化。

4 结 论

通过对比两个试件的加载破坏情况及结果分析情况，可初步掌握RPC与普通高强混凝土组合梁栓钉连接件的整体抗剪性能规律，并得出以下结论：

(1)栓钉焊接质量在钢-混栓钉连接件中起到关键性作用，且栓钉焊接质量会直接影响栓钉破坏时的承载力大小。必须保证焊接质量，否则无法对剪力连钉焊接质接件的抗剪承载力进行定量分析。

(2)整体上，在加载过程中越靠近加载面的栓钉的受力，位移，应变等数据的数值越大。

(3)栓钉个体上，根部受力变形最大；距离根部2 cm处受力变形次之，不可忽略；头部变形相对较小。