钢-混凝土组合梁螺栓连接件抗剪性能的试验研究

严永红，邓 芃，侯和涛，马张永，刘 艳

(1. 甘肃建投钢结构有限公司，甘肃 兰州 730000；2. 山东科技大学 土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590;3. 山东大学 土建与水利学院，山东 济南 250061 )

抗剪连接件是钢和钢筋混凝土板协同工作的关键元件，承担着传递剪力、防止掀起的作用，工程中应用最为广泛的为栓钉。但是，大跨度结构所需栓钉数量众多、焊接工作量大，而焊接操作可能导致钢材出现损伤、形成工程隐患[1-2]。为避免这一问题，学术界和工程界对连接方式进行改进[3-5]，其中高强螺栓可现场安装、避免材料损伤和栓钉凸出对运输的影响[6]。文献[6-7]研究了螺栓构造的影响，通过试验分析抗剪连接件的静力和疲劳性能，验证了其性能与圆头栓钉相近，可满足结构延性和承载能力的要求。文献[8-9]利用推出试验和梁式试验对螺栓直径、螺栓强度、螺栓预紧力以及混凝土强度等参数进行分析，提出了螺栓预紧力对混凝土板与钢梁之间摩擦力的影响机理，分析了各因素对抗剪连接件的影响。文献[10-11]对预留孔径和螺栓长细比的影响进行了探讨，分析了全装配组合结构的可行性。文献[12]提出的套筒式螺栓构造新颖、安装方便，其性能符合桥梁工程的要求。

需要指出的是，上述研究对象多为桥梁等大跨径结构，而建筑工程中的组合梁跨度相对较小，桥梁工程中的技术无法直接在建筑工程中进行应用，如桥梁工程多使用单跨简支组合梁，而建筑工程中的组合梁与竖向承重结构形成刚性或者半刚性节点，因此还需要考虑负弯矩对承载能力的削弱作用[14-16]。因此，为推动螺栓在组合结构中的应用，有必要开展螺栓连接件抗剪性能的研究。

1 试验研究

1.1 试验设计

参照Eurocode-4规范[16]制作14个推出正向推出试验试件，其中12个试件采用螺栓抗剪连接件，2个为采用栓钉的对比试件，试件尺寸见图1，根据抗剪连接件直径的不同，试件分为两组。第一组包括7支试件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支对比试件SD16-4.6C40。第二组包括5支试件，BD20-4.6C40、BD20-8.8C30、BD20-8.8C40、BD20-8.8C35和BD20-10.9C40，及1支对比试件SD19-4.6C40。需要说明的是，市场上无直径20 mm的栓钉，因此，采用直径19 mm的栓钉进行对比。编号各字符代表意义为：BD—带有螺栓的试件；16、19、20—连接件直径；4.6、8.8和10.9—抗剪连接件强度等级；C30、C35、C40—混凝土强度等级；螺孔分为三种：标准孔无字符、比标准孔增加1 mm—B1、增加2 mm—B2；SD表示带有栓钉的试件。

图1 推出试件尺寸详图

1.2 材料性能

推出试验采用HW250×250型钢，型号为Q235B。螺栓抗剪连接件分别为4.6级、8.8级和10.9级，螺杆长度为140 mm，预埋在混凝土内的长度均为110 mm。栓钉型号为4.6级，直径为16 mm。C30混凝土、C35混凝土和C40混凝土的实测强度分别为32.5、36.7和40.7 MPa。板中钢筋、栓钉和螺栓材料属性见表1。

表1 钢筋、螺栓材料性能表

1.3 加载试验

加载设备采用山东省防灾减灾重点实验室的5 000 kN的长柱实验机。为提高测量精度，根据预测数据，试验分别采用1 000和1 500 kN两种荷载传感器；每个试件布置5支位移计以测量钢梁与混凝土板之间的相对滑移；每支抗剪连接件布置4个应变片。试验加载装置和位移计布置分别见图2和图3。

加载前在试件底部铺上2～3 cm厚的细砂以防止试件底部不平而造成局部压坏，保持两侧抗剪连接件传力相对均衡。正式加载前进行预加载以消除间隙的影响，预加载控制在预估峰值荷载的5%左右，加载速率为10 kN/min，重复3～5次。正式加载首先采用力进行控制，速度为20 kN/min；试件进入屈服状态后改为位移控制，加载速度为0.3 mm/min直至试件破坏。

图2 试验加载装置

图3 试验过程

1.4 破坏模式

试验中能观察到混凝土板顶出现微裂缝然后逐渐扩展、板底出现横向裂缝、纵向以及沿45°扩展的裂缝等现象，见图4(a)～4(d)。由图4(c)～4(d)及图5(a)～5(f)可知，所有试件都表现为螺栓剪切破坏，但螺栓周边的混凝土破坏情况差别较大，无法根据混凝土强度等级、螺栓型号和直径进行简单归类。出现这种离散性的原因比较复杂，可能是材料的离散性所致，尤其是混凝土的浇筑和振捣都无法保持材料的均匀和一致性，再就是试件加工误差以及加载偏心作用，见图6。表2对本次试验各试件破坏现象进行了总结。

图4 试件混凝土板裂缝图

根据试件破坏模式以及结构概念可知，试件的抗剪能力主要由抗剪连接件提供，即抗剪连接件的材料属性和截面特征最为关键，混凝土破坏特征的差异不会显著影响试件的抗剪能力。但是螺栓周边混凝土的破坏情况对试件滑移有显著影响，这是因为试件的滑移量本身就比较小，混凝土破坏的差异对微小的滑移量有显著的影响。总体而言，强度较低、直径较小的栓杆对混凝土的挤压通常无法导致周边混凝土的破坏。因此，4.6级螺栓周边的混凝土无明显损坏现象，见图5(a)、(b)；当螺栓强度和直径较大时，其影响作用相对较大，周边混凝土有可能出现破坏，此时对滑移的影响相对较大。

图5 螺栓剪切破坏图

图6 加载偏心的影响

1.5 试验分析

图7为各试件的的荷载-滑移曲线图(P-s)，表2为试验结果，表中Pmax、smax为曲线峰值荷载及对应位移。总体而言，包括4.6级在内的螺栓和栓钉抗剪连接件的P-s曲线都有明显的直线段、逐渐上升的塑性段以及连接件被剪断导致曲线突然出现转折。4.6级螺栓抗剪性能较差，与栓钉性能相差甚远，无法满足工程应用的要求，而高强螺栓的抗剪能力和滑移变形量和栓钉相近。在混凝土强度等级相同的情况下，8.8级高强螺栓比4.6级栓钉表现出更好承载能力和刚度，而10.9级高强螺栓显然比8.8级具有更好的承载能力和刚度。扩孔导致试件的承载能力和刚度比标准孔试件有所降低，扩孔尺寸越大的试件，其承载能力降低越显著，刚度也有显著的削弱。

需要指出的是，对于采用标准孔的试件，没有出现预期的滑移现象，即荷载-滑移曲线未出现平台段。对于扩孔试件BD16-8.8C40(B2)，由图7(b)可知：当滑移量不超过0.25 mm时，曲线呈明显的线弹性特征，此时为栓杆变形所致；比较滑移量小于0.25 mm、大于2.20 mm以及0.25～2.20 mm区间的三段荷载-滑移曲线，可以发现0.25～2.20 mm之间曲线的斜率与其他两段截然不同，该阶段的曲线能体现滑移的特征。需要指出的是，扩孔试件BD16-8.8C40(B1)则未发现具备这种特征。出现这种现象的原因，应该是在拧紧螺栓时，栓杆可能与孔壁接触，导致几乎不发生滑移，或者滑移较小时，试验测试手段无法将栓杆变形与滑移进行区分，只有当栓杆与孔壁存在较大的间隙时，曲线才能体现滑移的特征，如扩孔试件BD16-8.8C40(B2)。

图7 荷载-滑移曲线图

2 抗剪连接件承载力分析

2.1 混凝土强度的影响

选择试件BD16-8.8C30、C35、C40以及BD20-8.8-C30、C35和C40以分析混凝土强度的影响。由图8可知：对于直径16 mm的高强螺栓连接试件，混凝土的强度等级提高5 MPa，试件的Pmax分别提高8.89和17.62 kN；对于螺栓直径为20 mm的试件，混凝土强度等级每提高5 MPa，试件的Pmax分别提高26.25和6.82 kN。总体而言，抗剪连接件的承载力随混凝土强度提高而增加。

表2 试验结果

2.2 螺栓强度的影响

组合梁中的剪力主要由抗剪连接件承担，材料的屈服强度和抗拉强度对Pmax的影响非常显著。选择试件BD16-4.6C40、8.8C40、10.9C40和BD20-4.6C40、8.8C40和10.9C40以分析螺栓强度的影响，见图9。由图9可知：对于直径16 mm的螺栓抗剪连接件，8.8级螺栓试件的Pmax为4.6级螺栓试件的209.57%，10.9级螺栓试件的Pmax为8.8级试件的122.13%；对于直径20 mm的螺栓抗剪连接件，8.8级螺栓试件的Pmax为4.6级螺栓试件的167.18%，10.9级螺栓试件的Pmax为8.8级试件的113.96%。由图9的关系曲线可知，Pmax与螺栓强度基本成线性关系。

2.3 抗剪连接件直径的影响

为考虑抗剪连接件直径的影响，选择试件BD*-4.6C40、BD*-8.8C30、BD*-8.8C35、BD*-8.8C40、BD*-10.9C40和SD*-4.6C40，此处“*”在螺栓抗剪连接件中表示直径16和20 mm，在栓钉抗剪连接件中表示直径16和19 mm。显然，抗剪连接件中的截面积是影响抗剪性能的重要因素之一。对于直径16 mm的4.6级栓钉、4.6级和8.8级螺栓，三种材料的抗拉强度分别为434.12、442.39和832.44 MPa，栓钉和4.6级螺栓相近，8.8级螺栓的抗拉强度达到栓钉的1.92倍；三者的Pmax分别为95.96、57.79和121.11 kN，4.6级螺栓的抗剪能力仅为栓钉的60.22%，而8.8级螺栓的抗剪能力仅比栓钉提高26.21%，见图10。出现这种差别的原因是，栓钉与钢梁翼缘焊接处因焊缝导致截面显著增大，从而增大了栓钉的抗剪能力，这种改变在静力试验中表现为抗剪能力的提高，而焊接损伤通常在疲劳试验或者拟静力试验中能够得到验证。

2.4 扩孔的影响

扩孔，即适当增大栓孔尺寸，这是装配式结构安装过程中经常采取的措施。试验设计了三种方案，即栓孔比栓杆直径增大2 mm的标准孔、增大3 mm和4 mm的两种扩孔，即试件BD16-8.8C40、BD16-8.8C40(B1)和BD16-8.8C40(B2)，图11分析了孔径对Pmax的影响。由图7(a)可知：3支试件在弹性阶段(50 kN以下)P-s曲线基本重合；试件BD16-8.8C40(B1)和BD16-8.8C40(B2)比BD16-8.8C40更早进入塑性阶段。另外，试件进入塑性阶段后，3条曲线的发展趋势差异显著，采用标准孔试件的曲线斜率较弹性段有所降低，这种趋势延伸一段后曲线呈平缓状态，直至剪切破坏；BD16-8.8C40(B1)试件的曲线斜率较弹性段有明显的削弱，但曲线后半段的斜率较BD16-8.8C40略大；试件BD16-8.8C40(B2)斜率变化更为明显，曲线下凹然后上凸直至剪切破坏，其刚度变化也更为复杂。由图11可知：BD16-8.8C40(B1)的Pmax比标准孔试件降低7.44%，BD16-8.8C40(B2)比BD16-8.8C40(B1)降低8.93%。显然，开孔尺寸增大削弱了抗剪连接件的承载能力。

根据高强螺栓工作原理可知，螺栓在发生相对滑移前，外部荷载由摩擦力平衡，该阶段在P-s曲线中表现为直线段，试验所测得滑移量一般不超过0.5 mm；出现滑移后依靠栓杆的承压作用承担外部荷载。由于安装误差等原因，BD16-8.8C40(B1)未发现有滑移现象，而BD16-8.8C40(B2)则表现出轻微的滑移特征，即塑性刚开始阶段的曲线斜率非常小。从理论上讲，扩孔影响的是试件的滑移距离以及滑移阶段的承载能力，但试验发现该参数对Pmax也有影响，这应该是滑动导致螺母的固定作用受到削弱并导致栓杆与钢梁翼缘的夹角出现变化所致。

图8 混凝土强度对抗剪承载力的影响

图9 螺栓强度对抗剪承载力的影响

图10 连接件直径对抗剪承载力的影响

图11 扩孔对抗剪承载力的影响

3 抗剪连接件延性分析

结构设计要保证抗剪连接件具有足够的承载能力，兼具良好的延性。所谓延性，是指在达到Pmax之前，依靠结构的非线性性能以耗散外荷载产生的能量，防止结构出现脆性破坏。抗剪连接件的延性系数μ：

(1)

式中sy为抗剪连接件屈服荷载Py对应的滑移。

试件的延性系数见表2，由于4.6级螺栓的承载能力过小，未进行分析。由表2可知：对于直径16 mm的螺栓连接件，8.8级和10.9级表现出的延性都远超栓钉，其中BD16-10.9C40延性系数最小，也达到栓钉的149.83%；对于直径20 mm的螺栓连接件，延性系数表现出显著的离散性，如试件BD20-8.8C35、BD20-8.8C40和试件BD20-10.9C40的延性系数约为栓钉试件的84.55%、81.12%和97.98%，另外2支试件的延性系数约为栓钉的145.97%和127.37%。因此，对于螺栓连接件，扩孔导致延性系数有所减低，工程中是否采用扩孔工艺值得商榷。

延性系数离散的原因众多，如加工时无法保持摩擦面性质完全一致，拧紧螺栓时扭矩的精度控制以及加载偏心等原因，并且P-s曲线弹性段非常短，确定屈服滑移的误差必然导致公式(1)中数据的离散。但总体而言，8.8级、直径16 mm螺栓的平均延性系数为33.51，约为栓钉的232.23%；8.8级、直径20 mm螺栓的平均延性系数为31.71，与栓钉相差也非常微小；10.9级螺栓因数量较少，未进行分析。

4 高强螺栓抗剪承载能力计算公式

目前国内外规范并未提供组合梁中螺栓抗剪连接件的计算公式，为便于评价连接件的抗剪承载能力，本文根据试验结果并采用SPSS软件分析螺栓抗剪承载力与螺栓净截面、螺栓强度之间的关系，见公式(2)。

Pmax=0.91Aefu。

(2)

式中：fu为螺栓的抗拉强度；由螺栓连接件的构造可知，螺栓剪断处为螺纹区域，故取净截面面积Ae。

公式(2)计算的螺栓抗剪承载力与试验值相比，变化范围在0.75～1.16之间，平均值为0.96，采用文献[7]、[17]和[18]计算的理论值与试验值相比，比值变化分别在0.70～0.85、0.54～1.37以及0.46～0.70之间，因此提出的计算公式具有良好的精度。由于4.6级螺栓的抗剪能力较低，工程一般不作为永久性连接件使用，可不考虑4.6级螺栓的影响。因此，公式(2)计算的结果与试验结果的比值在0.89～1.16之间，平均值为0.98，可以较好的预测高强螺栓抗剪连接件的承载力。

5 结论

1) 螺栓抗剪连接件的试验研究表明：高强螺栓抗剪连接件的破坏模式表现为螺栓与钢梁翼缘处的剪切破坏，高强螺栓与钢梁翼缘连接处的混凝土出现不同程度的破坏。高强螺栓抗剪连接件的P-s曲线与栓钉试件的曲线相似。

2) 采用标准孔螺栓试件的P-s曲线未发现有滑移现象，比标准孔增大1 mm试件的曲线与标准孔试件类似。比标准孔增大2 mm试件的P-s曲线有不明显的滑移特征；另外，曲线在塑性初始阶段呈下凹上升的特征，然后转入上凸的趋势。总体而言，扩孔削弱了抗剪连接件的承载能力、增大了试件的滑移量。

3) 高强螺栓的抗剪承载能力和延性可满足工程的需求。试验发现试件的延性呈一定的离散性，但8.8级16 mm高强螺栓连接件的延性普遍优于4.6级16 mm的栓钉，而20 mm的螺栓连接件的数据相对离散，但其延性系数的平均值与4.6级19 mm的栓钉极为接近。

4) 根据试验结果拟合的计算公式体现了螺栓强度和截面积对抗剪承载力的贡献，其精度也比较理想。但鉴于试验数据相对较少，后期需补充试验、采用数值分析工具并建立理论分析模型，研究混凝土对抗剪性能和延性的贡献。