装配式钢-混组合梁的抗剪连接性能研究*

王 宁 闫敬良 刘晓刚 岳清瑞, 郑明召

(1.北京工业大学城市建设学部， 北京 100124； 2.北京科技大学土木与资源工程学院， 北京 100083；3.中冶建筑研究总院有限公司， 北京 100088)

钢-混凝土组合梁通过剪力连接件使钢梁和混凝土板协同受力，可以充分发挥钢材受拉性能和混凝土受压性能，具有较好的承载力、刚度和延性[1]。抗剪连接对组合梁的受力性能有重要影响，前期的相关研究表明，混凝土强度、栓钉强度和直径、楼板横向配筋率等都是影响组合梁抗剪连接承载力的重要因素[2-4]。我国建筑工业化和装配式建筑的发展对装配式钢梁-预制混凝土板组合梁提出了新需求，但装配化连接构造会导致梁-板剪力连接的受力机理发生改变，因此需要对连接构造进行针对性创新，并确保建立可靠的连接。

装配式钢-混组合梁的连接构造与预制楼板的连接形式密切相关，常见的楼板连接形式主要有干式连接和湿式连接两类。干式连接直接采用机械连接方式[5]，多用螺栓作为连接件，可提高装配化效率，但是连接刚度和承载能力偏小，成本和美观度一般；湿式连接一般在板端预留外伸钢筋，并将预留钢筋锚入后浇混凝土中。其中，应用湿式连接的装配式叠合板钢-混凝土组合梁是目前应用最广泛的形式之一，采用界面拉毛处理或者设置界面抗剪钢筋，可以保证后浇层和预制层之间的协同受力性能，并实现与现浇组合梁相近的力学性能[6-8]；此外，相关学者也提出了T形肋、Z形界面连接件等构造提升预制和后浇混凝土之间的黏结强度[9-11]，但总体而言，预制-叠合板组合梁在应用于楼板较薄的建筑结构中时效率不高、成本偏高。部分学者也开展了应用湿式连接的全预制预应力空心板-装配式组合梁相关研究，提出了相应的连接构造以提高组合梁的抗剪性能[12-13]；虽然这种新型全装配组合梁可以实现免叠合层施工、提高建造效率，但实际应用中也存在一定局限，例如，空心预制板上开槽放置抗剪钢筋会削弱预制板的整体性，带来运输或安装过程中易损坏、空心板中后浇筑混凝土施工困难、预制空心板厚度较大影响建筑净空、预制板之间横向连接困难等一系列问题。

超高性能混凝土(UHPC)具有高强度、高延性、高断裂韧性等特点，可以有效提高与普通混凝土的界面黏结强度[14-17]。由于UHPC优秀的力学性能，其在装配式混凝土结构中已经被广泛用作湿式拼缝连接材料[18-21]。然而，现有成果中鲜有针对建筑结构楼盖需求、应用UHPC的装配式全预制楼板钢-混组合梁剪力连接构造的相关研究。

因此，本文基于UHPC开展装配式全预制楼板钢-混组合梁剪力连接构造研究，提出局部装配叠合式、UHPC矩形后浇带式、UHPC齿槽形后浇带式、带后置抗剪钢筋的UHPC齿槽形后浇带式四类抗剪连接构造，并通过静力推出试验研究不同抗剪连接构造的破坏特性和受力机理，为新型装配式全预制楼板钢-混组合梁的设计和应用提供理论依据。

1 试验概况

1.1 试件及参数设计

为了研究栓钉、后浇混凝土、底部外伸钢筋、抗剪槽、后置抗剪钢筋等构造对装配式全预制楼板钢-混组合梁受力性能的影响，设计了现浇钢-混组合梁(SC-1)和不同连接构造的装配式全预制楼板钢-混组合梁(PSC-1～9)共10个试件。试件的基本参数如图1和表1所示，混凝土翼缘板厚度为由于UHPC的抗拉强度相对普通混凝土可提高5～10倍，按GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中的钢筋搭接要求，可以显著减小搭接长度，因此试件PSC-6～PSC-9中预制板的顶部横向钢筋均伸出板端120 mm，两侧预制板端伸出钢筋的有效搭接长度为100 mm。其中，PSC-7相对PSC-6板底钢筋也伸出预制板端，PSC-8相对PSC-6在预制板内开设了70 mm长、40 mm宽、深度贯穿预制板的抗剪槽，PSC-9相对PSC-8进一步在抗剪槽内布置了长度为260 mm的抗剪加强钢筋。

a—推出试件立面； b—试件三维示意； c—试件SC-1； d—试件PSC-1～PSC-5； e—试件PSC-6； f—试件PSC-7； g—试件PSC-8； h—试件PSC-9。图1 试件尺寸及构造 mmFig.1 Dimensions and configurations of specimens

表1 试件参数Table 1 Parameters of specimens

预制混凝土翼板为C30混凝土，后浇拼缝材料分别为C30混凝土、超高性能混凝土(UHPC)和高强灌浆料(CGM)，钢梁采用Q355B热轧H型钢，钢筋强度等级为HRB400，抗剪连接件采用4.6级圆柱形栓钉、强度等级为ML15，材性试验结果见表2和表3。

表2 混凝土材性试验结果Table 2 Test results of concrete properties

表3 钢材、钢筋和栓钉材性试验结果Table 3 Property test results of steel, rebars and studs

1.2 加载方案与测点布置

加载装置如图2所示。由楼板受力特性可知，在梁所处位置，混凝土楼板会存在负弯矩，板的负弯矩与梁-板界面剪力的耦合作用，可能会影响界面连接的抗剪承载能力。已有研究大都没有考虑楼板所受负弯矩的影响，因此，本试验在两侧板之间相应位置通过两个螺杆施加预紧力来模拟重力荷载在梁板连接处的负弯矩，更加真实反映梁-板节点受力性能。螺杆的预紧力设置按照考虑楼板准永久荷载弯矩效应的方式计算，由公式(1)确定：

图2 试验加载装置Fig.2 Test loading device

(1)

其中q=b(G+0.5Q)

式中：按照一般建筑类楼板荷载和跨度情况，L为板跨，取3 m；l为试验构件螺杆轴线与钢梁轴线间距离，取1.11 m；q为线荷载；G为恒荷载，取5 kN/m2；Q为活荷载，取2 kN/m2。

参考Eurocode-4规范[22]中推出试件相关规定，加载制度采用力-位移混合控制模式，首先进行10个循环的预加载，预加载范围为50～150 kN,以消除不均匀变形及钢梁和混凝土板之间摩擦力对试验结果的影响。随后进行单调逐级加载，每级荷载大小为极限荷载的10%；达到极限荷载后采用位移控制，以1 mm/min速率继续加载直到试件破坏或者荷载下降到峰值的80%时结束试验。

为测量混凝土板与钢梁界面间的滑移效应，分别在第一、二排和第二、三排栓钉中间位置布置位移计；同时在钢梁中部布置1个竖向位移计，作为主位移来控制加载过程。所有试件的混凝土应变片均布置于两侧混凝土翼板顶部，与第一、二排栓钉位置相对应，应变片粘贴方向与抗剪钢筋方向保持一致，每侧4个应变片。钢筋应变片布置规则为：每侧分别挑选3个顶部横向钢筋测试应变，其中PSC-1～5应变片在顶部钢筋中间，PSC-6～9应变片在预制板内顶部钢筋端部，PSC-7同时在预制板内下部钢筋端部布置应变片；全部后置抗剪钢筋均布置应变片，SC-1后置抗剪钢筋应变片贴在对应位置的下部钢筋上。具体测点布置见图3。

a—前视图； b—后视图； c—PSC-1～5钢筋测点； d—PSC-9钢筋测点； e—PSC-6、8钢筋测点(测点为预制板内钢筋)； f—PSC-7钢筋测点。图3 测点布置 mmFig.3 Arrangements of measure points

2 试验现象和破坏模式

试件的最终破坏形态主要有以下三种：

1)栓钉剪断。试件SC-1、PSC-1、PSC-4、PSC-5最终破坏形态均为栓钉在钢梁与混凝土板界面处断裂，底部发生明显剪切变形，破坏形式见图4。加载初期，混凝土板和钢梁相对滑移较小；随着荷载增加，试件发出轻微声响，钢梁和混凝土界面发生黏结破坏，主要由栓钉承担界面剪力，滑移量逐渐增大，栓钉周围混凝土开始产生纵向裂缝；继续加载，混凝土板纵向裂缝逐渐扩展，由栓钉位置向混凝土板底部延伸，呈“八”字形裂缝，同时还伴有少许竖向裂缝和横向裂缝；荷载接近峰值荷载时，混凝土板底部有少量被压碎，随后试件后侧混凝土板内栓钉被剪断，并伴随着巨响，荷载迅速下降，钢梁与该侧混凝土板分离。

a—SC-1； b—PSC-1； c—PSC-4； d—PSC-5。图4 栓钉剪断Fig.4 Shear fracture of studs

2)混凝土劈裂破坏。试件PSC-3最终破坏形态为混凝土劈裂破坏，如图5所示。加载初期，混凝土板和钢梁相对滑移较小；随着荷载增加和滑移变形增大，连接区域各栓钉对应位置混凝土表面形成斜裂缝，裂缝长度和宽度均随着试验加载而逐渐发展；随着滑移量进一步增大，各斜向裂纹呈相互贯通趋势，形成受压劈裂裂缝；试件最终因连接区域混凝土劈裂和大块脱落而破坏，无法继续加载。需要特别说明的是，试件PSC-2由于加工质量问题发生了预制-后浇混凝土界面的剥离破坏，因此其破坏时表观未见明显的劈裂和剥落。

a—PSC-2； b—PSC-3。图5 混凝土劈裂破坏Fig.5 Splitting failure of concrete

3)交界面破坏。试件PSC-6～PSC-9最终破坏形态为交界面破坏，如图6所示。完成预加载后，PSC-6、PSC-7的预制板与UHPC交界面产生较短的裂缝；荷载继续增加，交界面裂缝逐渐贯通，预制板横向钢筋位置也出现短小的裂缝，但混凝土板和钢梁的相对滑移很小；荷载加到55%～65%极限荷载时，最上排栓钉处后浇UHPC出现横向裂缝，相对滑移量增大，后浇UHPC部分开始向底部推出；接近极限荷载时，后浇UHPC部分完全推出，预制板横向钢筋处表面混凝土剥落，板内横向钢筋随着被推出的UHPC发生严重变形，加载结束。

a—PSC-6； b—PSC-7； c—PSC-8； d—PSC-9。图6 UHPC-预制板交界面破坏Fig.6 Interface failure between UHPC and prefabricated panel

预加载后，试件PSC-8、PSC-9预制板和UHPC剪力键端部界面出现裂缝；随着荷载增加，裂缝从剪力键端部开始延伸，预制板和剪力键界面裂缝贯穿，随后剪力键根部UHPC内出现裂缝，但是混凝土板和钢梁的相对滑移很小；荷载加载至60%～70%极限荷载时，最上排栓钉处后浇UHPC出现横向裂缝，相对滑移量增大，后浇UHPC部分开始向底部推出；接近极限荷载时，连接界面附近预制板内出现大量细小斜向裂缝并在剪力键端部处贯通，栓钉位置相邻两剪力键之间后浇UHPC局部压碎，预制板横向钢筋处表面混凝土剥落，板内横向钢筋随着被推出的UHPC发生严重变形，加载结束。

3 试验结果分析

3.1 荷载滑移曲线对比分析

试件的荷载-滑移曲线见图7，图7a～c为局部叠合式构件的荷载-滑移曲线，其近似可分为3个阶段：滑移前阶段、滑移后至屈服阶段和屈服后至失效阶段：

a—现浇和局部叠合拼装构件； b—不同栓钉局部叠合拼装构件； c—不同后浇材料叠合拼装构件； d—不同UHPC拼装构造对比。图7 荷载-滑移曲线Fig.7 Load-displacement curves

1)滑移前阶段。界面黏结未发生破坏，混凝土板和钢梁之间相对滑移很小，栓钉承载效应不明显，荷载主要由界面黏结力承担，试件PSC-1～PSC-5的曲线基本重合。

2)滑移后至屈服阶段。混凝土板和钢梁界面黏结失效、产生滑移后，剪力主要由栓钉承担，这一阶段栓钉发生了明显变形，普通混凝土板也在栓钉的劈裂荷载下开裂；SC-1、PSC-1、PSC-2、PSC-4、PSC-5大概在峰值荷载的70%左右(栓钉屈服)后曲线刚度发生明显退化，PSC-3则在峰值荷载的80%(横向抗剪钢筋屈服)左右刚度开始发生明显退化。

3)屈服后至失效阶段。屈服后，SC-1、PSC-1、PSC-4、PSC-5随着继续加载和栓钉强化承载力仍缓慢增长，直到栓钉突然断裂；PSC-2由于试件质量问题发生预制-现浇混凝土界面的剥离，栓钉未剪断，混凝土未产生劈裂破坏，界面剥离后试件承载力逐步降低；PSC-3随着继续加载，横向抗剪发生塑性强化，承载力先表现出一定程度地增长，之后逐渐趋于稳定，直到混凝土发生劈裂破坏后才缓慢下降。

图7d为UHPC拼缝构造试件的荷载-滑移曲线，其近似可分为2个阶段。后浇UHPC和预制混凝土界面黏结破坏前，界面相对滑移很小，组合梁整体性良好。界面黏结破坏后，PSC-6的抗剪钢筋由于无法承担黏结破坏后转移过来的界面剪力而迅速发生破坏；PSC-8和PSC-9由于有UHPC齿槽榫卯以及齿槽内配筋作用，在后浇UHPC和预制混凝土板界面黏结失效的过程中，承载力仍可以有一定程度地增长，但界面黏结完全失效后，也迅速发生破坏；PSC-7由于预制板底钢筋也伸出板端，预制板上下层钢筋与后浇UHPC之间的销栓承载能力超过界面黏结强度，因此界面黏结破坏后承载力仍可以继续增长，直到预制板在端部伸出钢筋的销栓作用下发生贯穿裂缝和表层混凝土剥落，承载力开始发生显著降低。各试件的试验结果总结如表4所示。

表4 试验主要结果Table 4 Main test results

3.2 钢筋应变曲线

图8绘制了组合梁的钢筋应变-荷载曲线，以分析加载过程中两侧连接区域钢筋应变的发展规律。钢筋应变名称命名如下：SC-1、PSC-1～5中，1-1(2-1)、1-2(2-2)、1-3(2-3)分别为前(后)混凝土板顶部中间钢筋、底部上方和底部中间钢筋应变；PSC-6、PSC-8中1-1(2-1)、1-2(2-2)分别为前(后)混凝土板顶部上方、中间钢筋应变；PSC-7中1-1(2-1)、1-2(2-2)分别为前(后)板混凝土顶部中间、底部中间钢筋应变；PSC-9中1-1(2-1)、1-2(2-2)分别为前(后)混凝土板中间、后置中间抗剪钢筋应变。

a—SC-1； b—PSC-1； c—PSC-2； d—PSC-3； e—PSC-4； f—PSC-5； g—PSC-6； h—PSC-7； i—PSC-8； j—PSC-9。图8 钢筋应变-荷载曲线Fig.8 Strain-load curves of rebars

图8a、b中SC-1、PSC-1为栓钉剪断破坏，钢筋整体应变较小。PSC-1由于制作时两侧混凝土强度有一定误差，试件破坏时向后侧倾斜，导致钢筋应变2-1即后混凝土板顶部中间钢筋应变较大。由图8c中PSC-2应变曲线可以看出，钢筋应变逐渐增大，破坏模式向混凝土劈裂趋势发展；但由于试件加工原因，叠合面强度没有达到设定要求，发生界面剥离破坏。图8d中PSC-3为混凝土劈裂破坏，钢筋应变发展迅速，应变较大，劈裂破坏后，钢筋塑性迅速发展。图8c、d中上层钢筋的应变增长速率高于底层钢筋，说明上层横向钢筋的塑性变形大于下层钢筋；这种现象是因为施加在混凝土板上的负弯矩引起的额外拉应力，且负弯矩本身对板底层有一定的受压作用，限制了底层混凝土板的裂缝开展，所以导致板上部裂纹较明显，钢筋应变较大。

图8e、f中PSC-4、PSC-5后浇材料分别为UHPC和CGM，破坏模式为栓钉剪断，钢筋发生较大的塑性变形，由于后浇部分强度较高，混凝土没有发生破坏，钢筋塑性应变充分发展，给预制板和后浇UHPC/CGM提供了很好的约束作用，最后栓钉剪断；同时也可以看出，后浇CGM的PSC-5的钢筋应变相对后浇UHPC的PSC-4应变的发展相对更快，这是由于UHPC中的钢纤维显著提升了混凝土的抗拉、抗剪性能，提高了其抗拉破坏的延性。

图8g～j中试件PSC-6～PSC-9均发生交界面破坏，可以看到PSC-6表层混凝土没有剥离前钢筋应变较均匀增加，当表层混凝土剥离，钢筋失去保护作用后，应变迅速增加直至破坏。PSC-7表层混凝土没有发生剥离之前，钢筋在界面剪力作用下，局部发生受弯作用，个别钢筋应变片由于贴片位置影响，出现短暂的受压现象；表层混凝土剥离后，所有的钢筋应变都呈现出快速增长的趋势，直至破坏。由图6c可以看出PSC-8在第二个剪力键下方发生破坏，上方钢筋表层UHPC未剥离，因此图8i中钢筋1-1、2-1应变较小，而下方钢筋表层混凝土剥离，变形明显，钢筋呈现出较大的应变发展。PSC-9表层混凝土剥离后钢筋应变呈现快速增长，同时，后置抗剪槽中的钢筋1-2和2-2在峰值荷载时也接近屈服。

3.3 局部叠合连接构造的性能影响因素分析

1)构造形式。图7a为现浇连接试件SC-1与局部叠合装配式连接试件PSC-1的荷载-滑移曲线对比，两试件栓钉直径13 mm，破坏形式为栓钉突然断裂。装配式连接与现浇连接的受力性能相似，未观察到强度和刚度的明显退化现象，表明局部叠合装配式连接构造可以提供可靠连接。

2)混凝土强度。图7c为栓钉直径16 mm时后浇材料分别为C30、UHPC和CGM的试件PSC-2、PSC-4和PSC-5的荷载-滑移曲线对比，可以看出，UHPC和CGM后浇材料可以极大提高试件的承载能力，同时也会显著降低试件变形能力和延性。此外，需要注意的是，虽然PSC-4、PSC-5的破坏形态为栓钉剪断，但其承载力远高于传统混凝土组合梁中栓钉的极限抗剪承载力0.7Asfu计算值(其中As为栓钉截面面积；fu为栓钉抗拉强度)，均达到1.8Asfu以上。相关研究表明，栓钉连接件的组合梁界面抗剪承载力主要由两部分组成，分别来自于栓钉本身的抗剪贡献以及栓钉根部焊角与周围混凝土的挤压作用[23]；故本文认为PSC-4、PSC-5承载力的增强是由于UHPC和CGM的强度相对普通混凝土极大提高，栓钉变形时不易压碎其根部的混凝土，因此栓钉的变形模式会趋向于根部直剪破坏，如图9所示，抗剪承载能力因此会大幅提高；图4中SC-1和PSC-1栓钉剪断的效果与PSC-4和PSC-5栓钉剪断的效果对比，也进一步证实了这一分析。

a—普通混凝土中栓钉破坏模式； b—UHPC中栓钉破坏模式。图9 栓钉在普通混凝土和UHPC中的受力模式对比Fig.9 Comparisons of failure modes of studs in ordinary concrete and UHPC

3.4 不同类型UHPC连接构造的性能对比分析

图7d为栓钉直径19 mm时后浇UHPC连接试件的荷载-滑移曲线对比，板底钢筋也伸出预制板的试件PSC-7相对试件PSC-6承载力和极限变形能力均大幅提升，表明板底伸出钢筋作用显著；开设抗剪槽的试件PSC-8相对试件PSC-6承载力有较大提升，且极限变形也有较大改善，表明UHPC抗剪齿槽能够有效提高界面抗剪能力；开设抗剪槽且槽内配筋的试件PSC-9相对试件PSC-8可进一步提高承载力，但极限变形能力有所降低，这是由于后置抗剪钢筋提高了UHPC剪力键槽的强度和刚度，因而后浇UHPC和预制板之间的界面滑移进一步降低。

4 结束语

本文提出了4类不同装配式钢-混组合梁界面抗剪连接构造，并开展了10个不同连接构造的抗剪推出试验，通过试验对比分析，主要结论如下：

1)试件的破坏形态主要有栓钉剪断、混凝土受剪劈裂破坏、预制-后浇混凝土交界面破坏，破坏形式主要与栓钉直径、后浇混凝土强度、连接构造细节有关。

2)组合梁界面抗剪承载力受混凝土强度、栓钉直径的影响显著。随着栓钉直径的增大，试件极限抗剪承载力也随之增大；栓钉直径相同时，混凝土强度等级越高，其抗剪承载力越大，但极限滑移值越小；栓钉在UHPC中的极限承载力可极大提高，相对现有GB 50017—2017《钢结构设计标准》公式计算值可达2.5倍以上。

3)采用后浇UHPC拼接的梁-板连接构造可显著减小预制板间钢筋搭接锚固长度，并且承载力比普通混凝土梁-板连接构造提高一倍以上，且可显著提升滑移刚度；但是，与传统组合梁不同，预制-后浇界面成为薄弱区域并先于栓钉和栓钉周围混凝土发生破坏。

4)UHPC剪力键可有效抵抗后浇UHPC-预制混凝土板间的界面剪力，增强UHPC与普通混凝土预制板交界面抗剪强度；在UHPC剪力键中放置抗剪钢筋可进一步提高界面连接的抗剪承载力。