预制-装配式组合梁剪力群钉推出试验研究

蔡莉莉，方 金，范 亮*

(1.西南交通建设集团股份有限公司，昆明 650599；2.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

钢混凝土组合结构通过合理设置钢材与混凝土的组合截面形式，充分发挥钢材抗拉和混凝土抗压的优良性能，取得了很好的社会效益[1]。为提高施工质量、缩短工期，实现标准化施工，预制装配式施工成为土木工程的一个发展趋势。在桥梁工程中开始了装配式钢-混凝土组合梁的应用，其中最常用的是采用预制-现浇集束式钉群剪力键取代了传统的连续布置的单个栓钉，栓钉以钉群的方式成簇地焊接于钢梁顶面，在预制混凝土板上预留剪力键孔(槽)，装配时现浇预留孔(槽)内混凝土。装配式集束钉群剪力键由于构造和施工与传统的现浇剪力键有明显差异，因此，需要对该类剪力键的力学行为进行深入研究，以确保装配式组合梁的受力性能。

目前，中外对现浇组合梁中的栓钉剪力键研究已相当充分，开展了较多的单钉以及群钉的试验研究[2-6]，包括各类推出试验及梁式试验，对于单钉及群钉的情况下，剪力键的承载力、刚度以及其对组合梁力学行为的影响进行了丰富研究。然而，对于装配式组合梁中的预制-现浇集束钉群剪力键的力学行为则研究的相对不足。李成君等[7]提出了水平布置的装配式剪力钉，并进行推出试验，发现与常规剪力钉相比，装配式剪力钉可以提高剪力钉的抗剪刚度。刘沐宇等[8]通过推出试验，分析了短剪力钉的各种参数对集束式长短剪力钉抗剪承载力和刚度的影响，发现短剪力钉的直径和抗拉强度对集束式长短剪力钉具有明显影响，而短剪力钉的长度产生的影响可忽略不计。项贻强等[9-10]开展了3片装配组合梁与1片现浇组合梁的对比试验，并进行了5组不同参数的装配式群钉推出试件的数值分析，认为在完全抗剪设计时，栓钉布置形式对组合梁的刚度和承载力影响较小。刘沐宇等[11-12]为港珠澳大桥中的组合连续梁开展了1片2 m×8.5 m装配式连续组合梁的试验研究，并进行了大桥和装配集束钉群的数值分析，得出其具有足够的承载力。范亮等[13]通过装配式组合梁和现浇组合梁对比试验，研究其力学性能，发现装配式组合梁栓钉Mises应力较现浇组合梁提高约20%。青宇等[14]通过推出试验并结合数值模拟，研究了栓钉各类参数对装配式剪力键力学性能的影响，发现随着栓钉层数和间距的增加栓钉抗剪承载力和刚度均减小。上述学者对于装配式组合梁和集束钉群的刚度及承载力进行了一定程度的深入研究，满足实际工程的设计应用，而对于装配式集束钉群剪力键的受力原理如破坏模式等进一步的深入研究仍尚未见讨论。

在上述研究的基础上，开展装配式集束钉群剪力键推出破坏试验，结合数值模拟，重点讨论集束钉群的破坏模式及其与现浇栓钉剪力键的受力差异。

1 试验概况

为研究装配式组合梁群钉剪力键的抗剪性能，进行推出试验研究，试件的设计参照欧洲Eurocode4—2004规范[15]中公布的标准推出试件。本组试验设计了一组3个推出试件，3×3布置了ML13×7栓钉群，H250 mm×250 mm钢梁，先后浇混凝土28 d强度和弹性模量分别为58.9 MPa、4.9×104MPa和66.1 MPa、5.1×104MPa。其构造尺寸如图1所示。

图1 试件构造图

试件制作时，根据装配式集束钉群的施工特点，首先在型钢上焊接栓钉群，同时预制先浇混凝土板，最后浇筑后浇浇孔混凝土(图2)。

图2 试件制作过程

采用机电百分表测量试件整体变形。采用自行开发的一种应变式结构断面错动测试装置[16]测量钢与混凝土界面滑移，其测量精度约为0.002 mm。位移及滑移变形测点布置如图3所示。试验加载采用伺服式千吨压力机如图4所示。

图3 滑移测点布置

图4 加载示意图

试件RS-2-1、RS-2-2、RS-2-3的荷载-位移曲线如图5所示，大致分为两个阶段。当荷载小于0.65Pu(Pu为极限峰值荷载，下同)时，曲线接近线性，为弹性工作阶段；之后变形快速增大，直到达到极限承载力，此阶段为破坏阶段。

图5 荷载-变形曲线

由应变式结构断面错动测试装置测得的荷载-滑移曲线，如图6所示，显示试件沿高度方向的局部滑移趋势。界面的滑移曲线有明显的分层，试件下部的滑移值较大，差值最大的地方在滑移为0.4 mm的部位，之后差异逐渐减小，呈现重合的趋势。在弹性阶段滑移的大小随高度的增加而减小，超过弹性阶段直到破坏各曲线基本重合，表明集束钉群可以有效地控制界面滑移，保证钢与混凝土间的协调变形。

图6 典型破坏加载荷载-滑移曲线

2 破坏形态

预制-装配式剪力群钉试件加载到超过65%Pu后，呈现试件的各种变形破坏特征，依次表现为:先后浇混凝土界面出现裂缝并沿界面贯通；预留孔下侧角隅处出现斜裂缝并向外缘扩展；在混凝土下边缘出现局部受压竖向裂缝并向预留孔下边缘扩展；底面出现竖向裂缝向上发展；后浇混凝土中，栓钉下侧受压区混凝土被劈裂，形成半椭圆状的楔形槽。典型破坏特征如图7所示。

图7 典型试件整体破坏详解图

相较文献[17]提出的现浇剪力群钉钉群推出试件的破坏形态，主要有混凝土板劈裂破坏和栓钉剪断破坏两种:荷载通过钢板传递给栓钉，栓钉根部受到剪切荷载，界面滑移变形为栓钉周围混凝土的变形与栓钉自身根部剪切变形的叠加。如果混凝土的抗压强度足够大或栓钉数量较少，栓钉的抗剪强度不足，栓钉会在变形量较小时达到极限而突然发生脆性剪断。如果栓钉数量较多，栓钉在混凝土被劈裂前未失效，承载力将由混凝土控制。通俗来说，栓钉和周边的包裹混凝土共同制约着构件的承载力。

而预制-装配式剪力群钉由于先后浇混凝土界面的存在，其力学行为与现浇混凝土表现出一定的差异性(图8)。后浇混凝土的强度一般高于先浇混凝土，使得混凝土的初裂缝出现在界面和预制混凝土的角隅处，栓钉的剪切变形不仅来自其周边后浇混凝土的局部压碎，亦有部分由于先浇混凝土开裂后的变形，增加了栓钉的剪切变形量，与现浇组合梁钉群相比，栓钉受力更为不利。本次试验中，单根栓钉剪断时，栓钉受压侧混凝土出现了局部破碎，非受压侧有明显的脱空；上下两排栓钉的变形略大于中间排栓钉的变形；栓钉有明显弯曲(图9)，最终表现为所有的试件均为栓钉剪断或焊缝破坏(图10)。

NA、VA、MA分别为栓钉根部的轴力、剪力、弯矩；NB、MB分别为栓钉顶部的轴力、弯矩；α、β分别为装配式钉群和现浇钉群的剪切变形量。

图9 栓钉剪断破坏详解图

图10 RS-2-1试件栓钉破坏图

3 数值分析

3.1 模型的建立

模型本构选择见表1。先后浇界面之间的黏结作用采用内聚力模型模拟，参数设置见表2。界面之间摩擦力的影响，通过罚函数设置平行于接触面方面的摩擦，竖向摩擦力系数为0.4，垂直于接触面方向上设置为硬接触属性。栓钉和后浇混凝土平行于接触面方向上设置摩擦，接触面法向设置硬接触，摩擦系数设置为0.8。内聚力模型参数设置，见表2。

表1 模型本构

表2 内聚力模型参数

利用Abaqus建立预制-装配式剪力群钉推出试验的有限元模型(图11)，由H型钢、预制混凝土、后浇混凝土以及钢筋骨架组成。

图11 装配式群钉模型

3.2 模型验证

数值模拟与试验实测的荷载滑移曲线(图12)趋势一致，吻合良好。混凝土板的变形以及角隅处裂纹的发展(图13)也基本吻合。由此可知，数值模拟的结果能够反映试件加载过程。

图12 试验数据与有限元计算比较

图13 混凝土损伤云图与试件裂缝对比

3.3 破坏阶段的数值分析

图14示出预制-装配式剪力群钉在推出力的作用下各构件的钢应力(红色为屈服单元)及混凝土损伤分布(红色为几乎完全损伤单元)。在荷载作用下预制混凝土角隅处出现斜裂缝；后浇混凝土在栓钉周边明显局部损伤；栓钉自下而上逐渐进入塑性并屈服。

图14 装配式剪力群钉损伤分布

图15为临近破坏时预制-装配式剪力群钉根部Mises应力云图。栓钉的受力以弯剪为主，下方应力最大。在预制混凝土角隅裂缝延伸发展期，栓钉根部受力随之快速增加，栓钉受力与预制混凝土的开裂变形有明显影响，验证了前述预制-装配式剪力群钉中栓钉的受力特征。

图15 栓钉应力分布

图16(a)为单个栓钉破坏前的根部应力，其受力表现为弯剪破坏，图16(b)为栓钉剪断后的实际剪断面。二者在破坏前的剪断面形状、分布与实际剪断面极为接近。试件在竖直推力的作用下，由于其根部周边混凝土的破坏以及界面缝隙的加宽，栓钉并不是处于纯剪状态，而是表现出明显的弯剪。

图16 栓钉根部受力云图及栓钉剪断面

4 建议单钉承载力设计值

由前述可知，由于预制混凝土开裂的原因，预制-装配式剪力群钉的受力性能略弱于现浇栓钉，同时集束布置的装配式剪力群钉加大了群钉折减效应的影响，因此，预制-装配式剪力群钉的承载力计算值如采用现浇施工中栓钉的计算公式将会有一定的不利影响。

表3为实测抗剪承载力数据，其中屈服荷载为弹性阶段与破坏阶段的分界点。根据《钢-混凝土组合桥梁设计规范》(GB 50917—2013)，试件中单个栓钉的计算抗剪承载力为44.5 kN，从表3可以看出，该值在极限承载力与屈服承载力之间，以此作为设计控制值，栓钉将超过弹性阶段进入破坏阶段。由图5可知，进入破坏阶段的栓钉将产生比较显著的塑性变形，而在设计荷载作用下，结构主要受力构件不应进入塑性阶段，否则会大大降低结构的疲劳性能。

因此，建议对于预制-装配式剪力群钉的承载力计算时，在规范的计算值情况下考虑0.85的装配化折减系数。表3中的建议设计值可以看出，在考虑该系数后，设计荷载范围内剪力钉受力及变形基本处于弹性工作阶段。

表3 试件承载力实测值及建议值

5 结论

(1)预制-装配式剪力群钉推出试验表明，受载全过程可以分为两个阶段:荷载在0～0.65Pu时，荷载滑移变形较小，为线弹性工作阶段；当荷载超过0.65Pu时，刚度下降迅速，为破坏阶段。

(2)预制-装配式剪力群钉破坏模式为:首先出现先后浇混凝土界面裂缝，其次角隅处裂缝出现并延伸，最后从加载端栓钉逐渐剪断。

(3)预制-装配式剪力群钉中栓钉根部的剪切变形不仅来源于周边局部混凝土的碎裂，还包括预制混凝土开裂变形，使得装配钉群中栓钉受力性能略弱于现浇钉群。

(4)建议采用当前规范进行预制-装配式剪力群钉的设计强度计算时，考虑0.85的装配化折减系数，以确保设计荷载范围内剪力钉受力及变形基本处于弹性工作阶段。