基于钢板-钢管混合连接的木-混凝土组合梁推出试验

史本凯,杨会峰,曹 航,肖 凯

(南京工业大学 土木工程学院,江苏 南京 211800)

木-混凝土组合结构由底部的木梁/木楼板和上部的混凝土板通过剪力连接件组合而成。相较于纯木楼板体系,木-混凝土组合结构具有抗弯刚度大、承载力高等优点,且可以明显减缓木结构的竖向振动、改善其隔音效果差的缺点[1-2]。在现有的工程应用中,木-混凝土组合结构已经广泛应用于木结构楼板、组合楼梯和桥梁等工程中[3]。

木-混凝土组合梁的连接形式主要包括销钉连接[4]、凹口榫-销钉连接[5-6]和植钢板连接[7]等。在实际工程中,木结构构件通常在工厂预制生产,在施工现场进行装配。当木结构建筑采用木-混凝土组合楼板时,使用现浇混凝土楼板会增加施工工序、影响施工进度,甚至可能存在漏浆问题,从而影响木结构建筑的外观。然而,上述销钉、凹口榫-销钉和植钢板等传统连接无法直接用于木梁和预制混凝土板的现场装配。因此,近年来装配式木-混凝土组合结构的连接形式成为研究重点。Lukaszewska等[8]在传统销钉、凹口榫-销钉和胶植钢板连接的基础上,提出了“灌浆”、“施胶”等“湿连接”的装配方式。Crocetti等[9]和Zhang等[10]在混凝土板内预埋木楔或者木销,采用螺钉穿过木楔的方式实现木梁与混凝土板的装配,这种连接性能与“木-木”连接类似,承载力和刚度较低。陶昊天等[11-12]在混凝土板内预埋套管,采用倾斜螺钉和灌浆封堵实现了木梁和混凝土板的装配,取得了较好的装配承载力和刚度。上述学者虽然对装配式木-混凝土组合梁的连接提出了各种探索,但是在施工工艺和连接性能等方面仍亟须完善,其长期性能也有待于进一步的研究验证。

剪力连接件的长期性能是衡量其组合性能的重要参考。在长期荷载作用下,木材会产生明显的蠕变变形,而混凝土板也会产生徐变。因此,木-混凝土组合结构的长期性能较单一材料构件的长期性能更为复杂。现有的研究表明,除了材料本身的长期变形外,连接件的长期滑移也会导致木-混凝土组合结构界面滑移持续增加、长期抗弯刚度的显著下降[13-14]。此外,是否设置模板支撑、支模时间以及预制混凝土构件等施工方法也会影响木-混凝土组合结构的长期性能[15]。但是,关于预制装配式连接件长期性能的研究还鲜有报道,亟须补充相关研究以推进预制装配式木-混凝土组合结构的应用。

笔者在课题组前期钢板-螺钉连接研究的基础上,进一步改进其构造设计,提出了钢板-钢管混合连接。通过短期推出试验研究钢板-钢管混合连接的破坏模式、承载力和滑移刚度;通过长期加载试验,分析长期荷载对其长期滑移和蠕变系数的影响;对长期加载后的推出试件进行破坏性推出试验,分析长期受荷历史对钢板-钢管混合连接承载力和滑移刚度的影响。试验结果表明,钢板-钢管混合连接具有较好的短期和长期性能,可应用于装配式木-混凝土组合结构。

1 钢板-钢管混合连接

1.1 推出试件设计

笔者采用推出试验分析木-混凝土组合梁钢板-钢管连接件的抗剪性能。木-混凝土组合梁钢板-钢管连接的构造示意图见图1。推出试件采用对称式构造,木材的宽度为135 mm、混凝土板厚度为80 mm,如图1所示。混凝土板预埋有开孔钢板,钢板通过开纹钢管和螺母与胶合木连接。钢管的实物照片见图2,钢管外径为18 mm,壁厚为4 mm。推出试件每侧设置6根钢管,试件名称为SP+6T。为了增强钢板与混凝土板之间的锚固,钢板预埋在混凝土的部分采用螺栓与两块角钢相连，实物照片如图1(b)所示。

1.2 材料

本试验采用木材为花旗松胶合木。木材的平均密度为510 kg/m3,平均含水率为15.8%。参考现行国家标准《木结构试验方法标准》(GB/T 50329—2012)[16],测得胶合木顺纹方向的弹性模量为12 274 N/mm2,抗压强度为29.6 MPa。参考规范ASTM D5764—97a[17],测得胶合木顺纹方向的销槽承压强度为19.4 MPa。参考现行国家标准《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2019)[18],测得混凝土150 mm立方体试块养护龄期28 d时的抗压强度为37.0 MPa。本试验中采用的钢板、角钢、钢管和螺栓等钢组件均为Q345钢。

图1 钢板-钢管连接的推出试件(单位:mm)

图2 钢管照片

2 短期推出试验

2.1 试验方法

钢板-钢管连接的推出试件的加载示意图如图3所示。试验荷载由量程30 t的作动器提供。混凝土板与木材之间的相对滑移由编号P1～P4的位移计测得。为防止混凝土板因轴向受压而向外侧侧滑或侧翻,试验前推出试件底部采用角钢和螺杆进行适当约束,约束时保证角钢不滑落即可。

图3 推出试件加载示意图

钢板-钢管连接的推出试验参考规范EN 26891[19]进行,采用的加载制度见图4，每个试件的推出试验在600～900 s时间范围内完成。加载前需对推出试件的承载力进行预估,通过连接件的预估承载力Fest确定加载程序各加载阶段的临界值。本研究结合木材销槽承压试验对试件SP+6T-1的承载力预估为200 kN,由于试件SP+6T-1的承载力试验值略大于250 kN,所以试件SP+6T-2和SP+6T-3的预估承载力调整为250 kN。

ts—试验停止时间(600～900 s)

通过推出试验得到的典型的荷载-滑移曲线见图5。由荷载-滑移曲线可以得到剪力连接件在不同荷载状态下的滑移刚度,分别见式(1)—(3)所示。其中,K0.4为剪力连接件在正常使用状态下的滑移刚度,K0.6和K0.8为分别为剪力连接件在极限状态和接近破坏状态时的滑移刚度。式(1)—(3)中的各物理量参考图4和5确定。

(1)

需要注意的是，根据各地区路面检测经验，冬季因冻深影响，无法对旧路弯沉进行检测。混凝土路面因混凝土为刚性材料，也不能进行弯沉检测[1]。

(2)

(3)

式中:s0.1和s0.4分别为连接件在第1个加载循环荷载为0.1Fest和0.4Fest对应的相对滑移量;s24为连接件在第2个加载循环荷载为0.4Fest对应的相对滑移量;s0.6和s0.8分别为连接件在第2个加载循环荷载为0.6Fmax和0.8Fmax对应的相对滑移量。

图5 典型的荷载-滑移曲线[19]

2.2 破坏模式

钢板-钢管连接的推出试件的破坏照片见图6。从图6(a)中可以看出,推出试件在加载后保持较好的完整性,胶合木块与混凝土板之间无分离现象,胶合木也无破坏现象产生。如图6(b)所示,钢板发生了轻微的转动变形,钢管周围的木材无劈裂破坏。从图6(c)中可以发现,加载后混凝土板表面出现明显的裂缝,接近被压碎。

2.3 极限承载力和相对滑移

钢板-钢管推出试件的荷载-滑移曲线如图7所示,各试件的极限承载力和最大滑移见表1。由于每个推出试件由两侧的剪力连接件共同提供抗剪能力,因此表1中剪力件的承载力和滑移刚度为推出试件试验结果的一半。如表1所示,剪力连接件的极限承载力Fmax达到了131.1 kN。极限承载力Fmax对应的极限滑移smax约为10.4 mm。表1中还给出了钢管-钢板连接极限承载力和极限滑移的离散系数,两者的离散系数均较小,表明该种剪力连接件可提供稳定的抗剪能力。

图6 推出试件破坏照片

图7 推出试件的荷载-滑移曲线

2.4 滑移刚度

钢板-钢管连接件在不同荷载阶段的滑移刚度见表1。钢板-钢管连接在正常使用阶段的滑移刚度K0.4约为45.9 kN/mm,在极限状态和接近破坏状态的滑移刚度分别为32.0和24.8 kN/mm,分别较初始状态下降了约30%和46%。K0.6和K0.8的离散系数较大,这主要由试件SP+6T-1的刚度值过小导致。Zhu等[20]对装配式钢板-螺钉连接件的抗剪性能进行研究,钢板-螺钉连接件的极限承载力为87.1 kN,3个阶段的滑移刚度分别为24.1、22.7和18.0 kN/mm。由此可以看出:采用钢管代替螺钉后,装配式钢板类连接的承载力提高了约50%,滑移刚度提高了近一倍。

表1 剪力连接件短期推出试验结果

3 长期加载试验

3.1 长期试验分组及试验环境

推出试件的长期试验考虑了2种荷载比的影响,加载量分别为25.5和51.0 kN,约为推出试件短期极限承载力的10%和20%。两组试件分别命名为SP+6T-10和SP+6T-20,每组试验设计3个重复试件。长期试验中的推出试件与短期试件属于同一加工批次。

长期试验在南京工业大学木结构恒温恒湿实验室进行。环境相对湿度控制在60%±5%,温度控制在(20±2) ℃。该试验环境与Eurocode 5中木结构使用环境等级1一致,代表木结构建筑常见的使用环境[21]。长期加载持续了约470 d,加载期间试件周围的环境温湿度见图8。从图8中可以看出,第30～50天以及150 d前后,由于实验室设备故障,长期试件周围的温湿度出现较大波动,其余时间段内温湿度均比较稳定。

图8 长期试验期间推出试件周围的环境温湿度

3.2 加载装置及测量方法

钢板-钢管混合连接的推出试件的长期加载示意图见图9。每种荷载比设计3个重复试件,3个试件采用串联的方式进行加载。为了减少堆载量,长期荷载采用杠杆装置进行加载,力臂比例为10∶1。长期加载装置由曹航设计[22],类似的加载装置在现有的文献[23]中被证明具有较高的可靠性和稳定性。

图9 长期加载示意图 (单位：mm)

长期加载过程中,采用百分表测量推出试件界面处的相对滑移,测量实图见图10。百分表的测量精度为0.01 mm。百分表的架设位置与图3中位移计的位置一致,均位于木材和混凝土板接触面的中心位置处。加载第1天每小时记录一次数据,此后每天记录一次数据。

图10 百分表的架设位置

3.3 长期试验结果分析

推出试件长期加载的滑移-加载时间曲线见图11,不同时间节点的滑移增量和蠕变系数见表2,其中蠕变系数是指长期滑移相对于初始滑移的相对变形,由式(4)计算确定。长期试验的初始变形由图7中短期推出试验的荷载-滑移曲线确定。

(4)

式中:Δs为不包含初始变形的长期相对滑移;s0为推出试件的初始相对滑移。

从图11中可以看出,10%和20%荷载比情况下,推出试件的长期滑移呈现出类似的增长趋势。从表2中可以看出,加载至470 d时,SP+6T-20组试件的长期滑移约是SP+6T-10组试件的长期滑移的1.2倍,两者的蠕变系数分别为3.4和5.7。结合图8中的环境温湿度曲线,对图11中长期滑移-时间曲线的波动解释如下:1)30～50 d,由于湿度和温度增加,木材的湿膨胀和热膨胀对钢管的约束增强,导致一段时间内推出试件的蠕变明显放缓;2)50 d以后温湿度趋于正常,但是较30～50 d范围内有明显下降,导致推出试件的蠕变增加较快;3)第150天前后,由于温度和湿度出现短暂的急剧下降,这种情况下木材的收缩会导致钢管和木材之间产生较大的间隙,而且木材的收缩也释放了钢管上的螺母预紧力,因此在第150天左右推出试件的界面滑移增加明显;4)150 d以后,随着温湿度趋于稳定,推出试件的长期滑移无明显波动,呈缓慢增长趋势。

图11 推出试件长期加载的滑移-加载时间曲线

表2 长期滑移Δs和蠕变系数

4 连接件长期加载后的推出试验

4.1 试验方法

第3节中的两组推出试件在加载470 d后,将推出试件从长期加载装置中取下,对其进行破坏性推出试验。加载装置、加载程序及测量方法与2.1节中钢板-钢管混合连接件的短期推出试验相同。

4.2 破坏模式

对于有长期受荷历史的钢板-钢管连接的推出试件,其破坏性推出试验照片见图12。从图12中可以看出:推出试件受长期加载后,对其进行破坏性推出试验,连接件仍然保持比较好的整体性,连接处的变形以钢板的转动变形为主,这与图6中无受荷历史的推出试件的破坏模式基本一致。但是,对比图6(c)中短期试件的混凝土板开裂明显,由于长期试件中混凝土板的养护龄期更长,图12(c)中混凝土板的开裂较轻。

4.3 极限承载力和滑移刚度

钢板-钢管混合连接的推出试件受长期荷载作用后推出试验的荷载-滑移曲线见图13,试验结果见表3所示。表3中连接件的承载力和滑移刚度均为推出试件单侧钢板-钢管连接所提供的抗剪性能。

对比表2和3的试验结果可以得出:1)钢板-钢管连接的推出试件受长期加载后,其极限承载力没有下降,反而由于混凝土板养护龄期的增加,其承载力提升了约7%;2)长期加载历史以及荷载比对钢板-钢管连接的抗滑移刚度也无明显影响;3)SP+6T-20组个别试件滑移刚度较大,导致该组试件滑移刚度的离散系数较大,这主要由试件的材料个体差异导致的。

综上所述,钢板-钢管连接在经历长达470 d的长期荷载作用后,其承载力和滑移刚度均无明显下降,表明基于钢板-钢管混合连接的预制装配式木-混凝土组合结构连接体系具备较好的长期性能,具有较好的工程应用前景。

5 结论

1)钢板-钢管混合连接呈现出较高的承载力和滑移刚度,其极限承载力达到131.1 kN, 正常使用阶段的滑移刚度为45.9 kN/mm。

2)推出试件破坏后,钢板-钢管混合连接表现出较好的整体性,连接处的变形以钢板的轻微转动为主,连接处木材和混凝土均无明显破坏。

3)长期加载470 d后,10%荷载比试件的长期滑移和蠕变系数分别为0.897 mm和5.7;20%荷载比试件的长期滑移和蠕变系数分别为1.082 mm和3.4。

4)钢板-钢管混合连接在长期荷载作用470 d后,其极限承载力和各阶段滑移刚度均无明显下降,呈现出较好的长期性能,具有较好的应用前景。