叠合型PBL连接件推出试验及承载力研究

郭江然,史庆轩,2,马 格,李腾飞,杨枫竹

(1. 西安建筑科技大学 土木工程学院,陕西 西安 710055; 2. 西安建筑科技大学 结构工程与抗震教育部重点实验室,陕西 西安 710055; 3. 中国启源工程设计研究院有限公司,陕西 西安 710016)

0 引言

20世纪80年代末,LEONHARDT等[1]提出了一种在组合结构中应用的剪力键。将开孔钢板焊在工字钢上翼缘,钢筋从开孔中穿过,在型钢上浇筑混凝土楼板,然后利用孔中混凝土榫和孔中钢筋传递混凝土板和型钢之间的纵向剪力,同时抵抗两者之间的竖向掀起作用,这种连接件被命名为Perfobond Leiste (PBL)连接件。由于PBL连接件具有施工方便、抗剪性能好、疲劳性能优越等特点[2-5],因此被广泛应用于组合结构和混合结构中。已有研究中PBL连接件主要分为2种形式:插入型PBL连接件[6-8]和叠合型PBL连接件[9-12],其中插入型主要应用于混合结构和桥梁施工中,叠合型在民用建筑等组合结构中的应用较为广泛。对比2种类型PBL连接件力学性能[13-14],可以看出当开孔钢板具有足够的厚度时,PBL连接件的破坏形式为贯穿钢筋的弯剪破坏,试件具有良好的延性,性能优于较薄的开孔钢板连接件,同时混凝土榫受到的约束大小对连接件的荷载-滑移曲线特征和承载力均有显著影响,其中混凝土榫受到的约束较小的叠合型PBL连接件承载力比较低,且荷载达到峰值后,连接件承载力迅速降低,荷载-滑移曲线下降明显。因此混凝土榫受到的约束状态对叠合型PBL连接件受力机理的影响值得深入研究。

准确计算抗剪承载力、分析荷载-滑移曲线特征是设计PBL连接件的关键。OGUEJIOFOR等[15]对考虑端部混凝土承压作用的叠合型PBL连接件进行了推出试验和数值模拟分析,得出了连接件抗剪承载力为混凝土榫、贯穿钢筋和端部混凝土三部分抗剪作用叠加的结论。MEDBERRY等[16]通过对叠合型PBL连接件的推出试验提出了考虑钢板和混凝土之间粘结滑移的连接件承载力计算公式。胡建华等[17]完成了44个叠合型PBL连接件的推出试验,得到了PBL连接件的抗剪承载力除受混凝土榫和贯穿钢筋影响外,还与混凝土板中横向钢筋的配筋率有关的结论。AHN等[18]重点研究了混凝土强度和开孔钢板布置方式2个参数。发现PBL连接件的破坏与端部承压及混凝土榫破坏有关。双排连接件的单孔抗剪承载力比标准单孔连接件低20%。杨勇等[19]开展了8个叠合型PBL连接件的推出试验,提出了考虑端部混凝土承压作用的PBL连接件的抗剪承载力计算公式。

可以看出,大量学者对PBL连接件的受剪性能分析集中在材料特性和构造尺寸等因素,尚未深入研究混凝土榫受到的约束大小对连接件受力机理的影响。ZOU等[20-21]完成了13组插入型PBL连接件的推出试验,通过改变普通钢筋实现约束强弱的改变。并在计算抗剪承载力时考虑不同因素与承载力和滑移之间的非线性关系。朱伟庆等[22-23]基于已有学者的关于单孔PBL连接件的试验研究,重点研究了混凝土包裹、试件底面摩擦和贯穿钢筋对混凝土榫的侧向约束,得到了开孔钢板厚度大于9mm的PBL连接件一般发生双面剪切破坏的结论,提出了物理意义明确的抗剪承载力计算公式,并根据单孔PBL连接件在进入塑性状态后所受侧向约束力的不同,荷载-滑移曲线被划分为三类。然而量化分析叠合型PBL连接件中横向钢筋约束状态对抗剪承载力影响的研究还较少,且已有研究多针对单孔PBL连接件,对于多孔叠合型PBL连接件承载力的研究还比较欠缺,从而导致了PBL连接件在组合结构中的推广应用受限。

为进一步研究约束状态对叠合型PBL连接件受力性能的影响,提出考虑横向钢筋约束的多孔PBL连接件抗剪承载力计算公式。本文首先对7组PBL连接件进行推出试验,观察连接件试件的破坏模式,获得连接件的抗剪承载力和荷载-滑移规律。试验参数主要为开孔直径和数量、孔中是否配置贯穿钢筋和贯穿钢筋直径以及横向钢筋约束状态。然后在本文试验结果和已有叠合型PBL连接件的研究结果的基础上,量化分析主要参数与连接件抗剪承载力的关系,建立抗剪承载力计算模型,引入孔洞影响系数,提出多孔PBL连接件抗剪承载力计算公式,验证公式的准确性和适用性。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

本文参照Eurocode 4[24]中推出的试件设计了7组PBL连接件进行试验。试件的构造形式如图1所示。试件采用的混凝土等级为C60,钢材等级为Q345。为保证PBL连接件的延性[14],在截面尺寸为HW250 mm×250 mm×9 mm×14 mm的H型钢翼缘两侧焊接厚度为16 mm的开孔钢板。孔中贯穿钢筋采用HRB400级钢筋,不同试件采用贯穿钢筋的直径有16 mm和20 mm这2种,屈服强度分别为443.68 MPa和443.19 MPa。板中横向钢筋采用HRB400级钢筋,屈服强度为508.2 MPa,直径为10 mm。试验的主要研究参数包括开孔孔径、是否配置贯穿钢筋、贯穿钢筋直径、开孔数目及横向钢筋布置形式,具体如表1所示。横向钢筋约束状态根据混凝土的体积配箍率进行区分,体积配箍率的改变通过改变箍筋配置形式实现。普通约束钢筋和分段约束钢筋形式分别如图1(c)和(d)所示,通过设置分段约束钢筋,混凝土板被分为多个独立的约束区域。为消除端部混凝土的承压作用,在开孔钢板底部布置70 mm高的泡沫。同时在钢板表面涂抹润滑油来消除钢材与混凝土之间的黏结作用。

图1 推出试件构造示意图Fig. 1 Structural diagram of push-out specimens

表1 推出试件基本参数Table 1 Parameters of push-out specimens

1.2 试验加载与测量方案

试验在500 t压力试验机上进行,加载装置如图2(a)和(b)所示,试件采用单调静力加载。加载方案参考Eurocode 4[24],采用位移加载方式,首先进行预加载,然后再以0.2 mm/min的速率匀速加载。当承载力下降至极限载荷的80%以下或位移达到加载极限时停止加载,确保整个加载过程不少于15 min。加载时在型钢顶部设置厚钢板避免试件受力不均匀。试验中主要测量内容包括荷载、型钢与混凝土之间的相对滑移、贯穿钢筋轴向应变。其中荷载由放置在试件与压力机之间的力传感器测量;相对滑移由试件上前后对称布置的4个位移计测量,如图2(c)所示,测量完成后取4个位移计的均值作为滑移最终值;贯穿钢筋的轴向应变采用在开孔钢板两侧对称布置的应变片测量,如图2(d)所示。

图2 试验加载装置及测量布置Fig. 2 Loading equipment and instrumentation arrangement

1.3 试验破坏过程和破坏形态

推出试件典型的外部破坏形态如图3所示,由图可知,PBL连接件的混凝土板在加载中首先出现沿开孔钢板的竖向开裂,并逐渐延伸到板的边缘,随着加载的进行,混凝土板外侧出现以开孔钢板为中心而发展的水平裂缝或斜裂缝,顶部出现若干裂缝,型钢与板之间发生轻微分离。

图3 推出试件的外部破坏模式Fig. 3 Outer failure modes of push-out specimens

推出试件的内部破坏模式如图4所示。由图可知,所有试件的开孔钢板保持完整,几乎没有变形,混凝土榫发生双面剪切破坏,破坏面较为完整。孔中有贯穿钢筋的试件,其开孔钢板与钢筋之间的混凝土受压挤出,孔中钢筋发生弯剪变形,如图4(a)～(c)所示。除此之外,内部混凝土榫剪切面平滑度和孔中贯穿钢筋弯剪变形的程度受到横向钢筋约束的影响。

图4 推出试件的内部破坏模式Fig. 4 Internal failure modes of push-out specimens

2 试验结果分析

2.1 荷载-滑移曲线和承载力分析

所有试验试件的荷载-滑移曲线如图5所示,可以看出加载初期,连接件处在弹性阶段,曲线比较陡峭,试件的抗剪刚度很大。当曲线出现明显屈服拐点时,试件的滑移量均小于2 mm,符合刚性连接件的设计思想。当试件进入屈服状态后,不同试件的荷载-滑移曲线开始表现出差异。不同于以往叠合型PBL连接件在峰值后荷载很快降至极限承载力的80%这一特征,由于本文采用的横向钢筋强度较高,除未配置横向钢筋的试件RP-2-50-16N外,所有试件的荷载-滑移曲线在峰值荷载后均下降缓慢,即使位移加载到很大时,试件都没有下降到极限承载力的80%,且随着位移的增加,曲线甚至出现了二次强化效应,说明试件维持荷载的能力优越。单孔连接件RP-1-50-16在曲线出现明显屈服后一直没有出现下降段,直到孔中贯穿钢筋被剪断,承载力突降。究其原因,板中横向钢筋的存在使混凝土榫受到的约束力增强,保证了混凝土榫和贯穿钢筋均能充分发挥抗剪作用,叠合型PBL连接件的抗剪承载力和峰值后维持荷载的能力得到了明显的提升。

图5 荷载-滑移曲线Fig. 5 Load-slip curves of push-out specimens

2.2 贯穿钢筋荷载-应变曲线

所有试件贯穿钢筋的荷载-应变曲线如图6所示。由图可知,贯穿钢筋在测点位置处上部受拉下部受压,在加载初期,主要由混凝土榫承受荷载,在这一阶段贯穿钢筋基本不承受荷载,因此其应变值较小,随着加载进行,贯穿钢筋和开孔板之间的混凝土榫由于破坏逐渐退出工作,这一阶段荷载主要由贯穿钢筋承担,因此其应变值迅速增加,如图6所示,该阶段曲线随荷载的变化呈现非线性。PBL连接件的贯穿钢筋荷载-应变曲线主要有以下规律:①钢筋各个截面上的应变均达到屈服应变2215με,这意味着贯穿钢筋已经屈服。②同一试件中下排贯穿钢筋的应变值更大。说明滑移沿试件的竖直方向传递和累积,下排孔中贯穿钢筋承受的荷载和应变值更高。③屈服前在贯穿钢筋同一位置的上下测点的应变值接近,且钢筋上测点为拉应变,下测点为压应变,说明贯穿钢筋受到拉-弯共同作用。

图6 贯穿钢筋荷载-应变曲线Fig. 6 Load-strain curves of perforating rebar

3 叠合型PBL连接件抗剪承载力

3.1 主要影响因素分析

由于本文试验数据有限,结合国内外相关叠合型PBL连接件推出试验和数值模拟数据以及本文7个试件的试验研究结果,选取几个对抗剪承载力影响较大的因素进行分析。

1)混凝土强度

PBL连接件的抗剪承载力与混凝土立方体抗压强度基本呈线性相关,抗剪承载力随混凝土抗压强度的增大而增大,如图7所示。

图7 抗剪承载力与混凝土立方体抗压强度的关系Fig. 7 Relationship between shear bearing capacity and concrete compression strength 图8 抗剪承载力与开孔直径的关系 Fig. 8 Relationship between shear bearing capacity and hole diameter

2)开孔孔径

PBL连接件的抗剪承载力与开孔直径的关系如图8所示。由于本文数据有限,因此结合对已有试验数据[4,8,10-12]的线性回归,可以发现PBL连接件的抗剪承载力与开孔直径为二次抛物线关系。这是因为,开孔钢板厚度合适的情况下,试件最终为混凝土榫的双面剪切破坏和贯穿钢筋的弯剪变形,而混凝土榫的抗剪贡献主要是混凝土榫沿开孔钢板剪切面的抗剪作用,因此,在其他参数一定的情况下,PBL连接件抗剪承载力与开孔面积成正比,即与开孔直径为二次抛物线关系。

3)贯穿钢筋

PBL连接件的抗剪承载力和贯穿钢筋直径的关系,如图9所示。由图可知,通过对本文及已有文献[4,7,11-12,17]中数据的线性回归,可以发现PBL连接件的受剪承载力随贯穿钢筋直径的变化较大,二者保持二次抛物线关系。究其原因,贯穿钢筋在试验中的抗剪贡献主要是竖向剪切面的抗剪作用,由于钢筋为理想弹塑性材料,因此在其他参数一定的情况下,PBL连接件抗剪承载力与贯穿钢筋的截面面积呈正线性相关,也就是与贯穿钢筋直径为二次抛物线关系。同时,当贯穿钢筋直径太大时,孔洞容积过小,混凝土粗骨料难以进入孔洞,混凝土榫的承载力会被削弱,贯穿钢筋承压面积也会变小,贯穿钢筋承载力的贡献也会受到影响。因此,在孔中贯穿钢筋直径与钢板上开孔尺寸匹配合理时,贯穿钢筋直径的增大才能有效提高PBL连接件的抗剪承载力。

图9 抗剪承载力与贯穿钢筋的关系Fig. 9 Relationship between shear bearing capacity and perforating rebar 图10 抗剪承载力与横向钢筋影响系数的关系 Fig. 10 Relationship between shear bearing capacity and transverse reinforcement influence coefficient

4)横向钢筋

横向钢筋骨架的主要作用是加强对混凝土榫的约束作用,从而提高混凝土榫在多向轴压下的抗压强度,这一特性可以用约束混凝土的力学特性描述。为了准确的量化横向钢筋的约束作用,本文引入一个新的参数λ,定义为横向钢筋影响系数,用来表示横向钢筋对孔中混凝土榫的侧向约束:

λ=1+μt·fy/fc

(1)

式中:μt为混凝土板中横向钢筋的体积配箍率;fy为孔中贯穿钢筋的屈服强度;fc为混凝土轴心抗压强度。

结合本文及文献[3,6,17]的试验结果,可以发现,叠合型PBL连接件的开孔钢板埋置深度较浅,周围混凝土对混凝土榫的约束较弱,因此破坏形态经常表现为混凝土板发生纵向劈裂破坏,试件提前失效,材料难以充分发挥强度。但当横向钢筋影响系数较大时,即体积配箍率及钢筋强度较大时,横向钢筋骨架对PBL连接件的约束较强,连接件试件的破坏形态除混凝土板的裂缝发展外,决定承载力的破坏主要为孔中混凝土榫的双面剪切破坏,贯穿钢筋被剪断。由于本文试验试件采用的横向钢筋屈服强度较高,体积配箍率较大,因此孔中混凝土榫处在较强的侧向约束下,尤其是单孔连接件RP-1-50-16,破坏时其贯穿钢筋被剪断,荷载-滑移曲线呈现出插入型PBL连接件的特征,说明通过改变横向钢筋配箍率及钢筋强度来改变混凝土榫的约束状态,可以明显改善PBL连接件的受剪承载力。图10反映了PBL连接件的极限承载力与系数λ的关系。可以看出,当其他参数一定时,PBL连接件抗剪承载力随横向钢筋影响系数λ的增大而提高,但两者表现出非线性的关系。

3.2 计算公式的提出

图11为PBL连接件的受力状态图,从图中可以直观的观察到PBL连接件抗剪承载力的主要组成部分。图中,虚线代表沿开孔处的剪切面,PBL连接件的抗剪承载力Vu可分为两部分:第一部分为开孔部位混凝土榫的提供的抗剪作用Vc,第二部分为贯穿钢筋提供的抗剪作用Vs。基于此,孔中有无贯穿钢筋的PBL连接件的抗剪承载力分别表示为:

图11 PBL连接件的受力状态Fig. 11 Stress of PBL connector

Vu=Vc+Vs

(2)

Vu,NS=Vc,NS

(3)

式中:Vu为孔中有贯穿钢筋的单孔PBL连接件抗剪承载力;Vc为孔中混凝土榫的抗剪承载力;Vs为孔中贯穿钢筋的抗剪承载力;Vu,NS为孔中未配置贯穿钢筋的单孔PBL连接件抗剪承载力,只有孔中混凝土榫的抗剪承载力Vc,NS,Vu,NS仅受横向钢筋的约束,与贯穿钢筋无关。

图11(c)为孔中混凝土榫的多向受压状态图,可以看出混凝土榫处在贯穿钢筋σ1、开孔钢板σ2、周围混凝土σ3的三向围压下,因此混凝土榫的强度在一定程度上有所提高,在文中引入孔中混凝土榫的强度提高系数α1和α2,除此之外,混凝土榫还受到板中横向钢筋提供的侧向约束力Fr,约束力的贡献由横向钢筋影响系数λ表示,且横向钢筋约束对承载力的提高是非线性的,因此引入横向钢筋约束的影响系数ω。通过分析3.1节中对PBL连接件抗剪承载力的主要影响因素,并考虑抗剪承载力与这些因素之间的关系,可以得到以下混凝土榫提供的抗剪承载力计算公式为:

(4)

Vc,NS=α2λωd2fcu

(5)

式中:α1与α2为孔中混凝土榫的强度提高系数;ω为横向钢筋约束的影响系数;ds为孔中贯穿钢筋的直径。

图11(d)为贯穿钢筋的受力情况,贯穿钢筋承受竖向荷载发生弯剪变形,因此局部混凝土对钢筋的支撑作用在一定程度上可以限制贯穿钢筋的竖向变形,并且将贯穿钢筋对混凝土榫的约束作用包含在贯穿钢筋的抗剪作用中,因此引入钢筋强度增强系数α3,根据承载力影响因素分析,其承载力由钢筋直径ds及钢筋屈服强度fy决定,考虑到这些因素与连接件抗剪承载力的关系,贯穿钢筋提供的受剪承载力可表示为:

(6)

式中α3为贯穿钢筋强度提高系数。

对于多孔PBL连接件,由于开孔板上相邻孔洞破坏之后将发生应力重分布,因此需对混凝土榫和贯穿钢筋所承担的抗剪作用进行折减[19],在式(2)和式(3)的单孔承载力基础上乘以孔洞数目n,再引入孔洞影响系数η进行折减,其中孔洞影响系数与孔洞数目、直径和孔洞间距有关,最终可以得到多孔PBL连接的抗剪承载力的计算公式为:

Vu,a=nηVu

(7)

Vu,NS,a=nηVc,NS

(8)

式中:Vu,a与Vu,NS,a分别为孔中有无贯穿钢筋的多孔PBL连接件抗剪承载力;η为孔洞影响系数,η=nd/(n-1)l,n为单侧开孔数量,l为孔洞间距。

为了得到更为准确可靠的极限承载力计算公式,需要大量的、不同设计参数及参数水平的试验数据。本文中对国内外叠合型PBL连接件推出试验实测的受剪承载力数据进行了统计,得到40组数据如表2所示。基于表2的试验数据,通过回归分析拟合系数α1、α2和ω得到多孔PBL连接件的抗剪承载力计算公式为:

表2 叠合型PBL连接件推出试验数据汇总Table 2 Push-out test results of superposed PBL connectors

(9)

Vu,NR,a=1.08nηλ1.22d2fcu

(10)

式中,当PBL连接件是标准单孔连接件时,孔洞影响系数η=1.0。

3.3 公式的验证

为进一步验证本文所提公式的有效性,本文式(9)和式(10)的计算结果如表2所示,并与各国学者以及规范[26]中提出的具有代表性的PBL连接件抗剪承载力公式计算结果进行对比,对比结果如图12和表3所示。结合图表可以看出:①采用本文考虑横向钢筋约束效应的非线性影响的计算公式所得结果与试验结果更接近,总体标准差系数为0.184,平均值为0.987。其他计算公式对同一试件的计算结果存在较大差异,与试验实测值之间误差较大;②已有计算公式中抗剪承载力与主要参数以线性关系为主,不能体现试件承载力随主要参数变化的非线性规律;③本文所提公式基本符合承载力变化规律,物理意义明确。且该式可适用于有、无贯穿钢筋的构件,也考虑了多孔耦合作用对PBL连接件抗剪承载力的影响,应用范围更加广泛。

图12 计算结果与试验值对比Fig. 12 Comparison of calculation results with test results

表3 各抗剪承载力公式计算值与试验值对比Table 3 Comparison of calculation values of each shear capacity equation with test values

4 结论

本文通过对叠合型PBL连接件的推出试验和国内外推出试验的汇总主要得到以下结论:

1)开孔钢板厚度较大的PBL连接件内部的破坏模式为双面剪切破坏,凿开混凝土板后,可以发现开孔钢板保持完整,基本没有变形,混凝土榫形成比较完整的剪切断裂面,贯穿钢筋发生弯剪变形,且内部混凝土榫剪切面平滑度和孔中贯穿钢筋弯剪变形的程度取决于横向钢筋约束的强弱。

2)荷载-滑移曲线峰值后的变化趋势主要取决于混凝土榫受到的约束力的大小。约束状态越强的连接件的承载力在峰值后下降缓慢,曲线基本保持稳定,出现二次强化效应,试件的持荷能力优越。单孔叠合型PBL连接件在孔中贯穿钢筋被剪断前,承载力没有出现下降,荷载-滑移曲线与插入型PBL连接件的曲线特征几乎一致。

3)PBL连接件的抗剪承载力主要由孔中混凝土榫剪切面的竖向抗剪及贯穿钢筋竖向销栓力组成,同时孔中混凝土榫受到贯穿钢筋及横向钢筋的侧向约束,间接提高了混凝土榫的抗剪承载力。通过对现有大量试验数据分析,提出考虑横向钢筋约束非线性贡献的多孔叠合型PBL连接件抗剪承载力计算公式,该式可适用于孔中有、无贯穿钢筋的PBL连接件,也考虑了多孔耦合作用对PBL连接件抗剪承载力的影响,物理意义明确,适用范围更加广泛。

4)在组合结构中使用约束较弱的叠合型PBL连接件时或在开孔孔径受限制的构件中,可以通过增加混凝土板的体积配筋率提高混凝土榫受到的约束力来改善连接件的力学性能。