陈玲珠，李国强，2，蒋首超，2，王卫永

（1.同济大学 建筑工程系，上海200092；2.同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海200092；3.重庆大学 土木工程学院，重庆400045）

钢－混凝土组合梁由于其高度小、自重轻、延性好等优点广泛应用于建筑结构和桥梁结构中.钢－混凝土组合梁一般由钢梁和混凝土板组成.剪力连接件是组合梁中钢梁与混凝土板实现共同作用的关键，其主要作用是传递两者之间的纵向剪力以及抵抗钢梁与混凝土板之间的掀起作用.栓钉是目前广泛应用的一种剪力连接件.高温下栓钉的抗剪性能是组合梁的抗火性能设计的重要内容.国内外学者对常温下栓钉连接件的受力性能进行了许多试验和有限元研究［1－3］，并且各国规范中也给出了常温下栓钉抗剪承载力设计公式.常温下，剪力连接件根部处于拉－剪－弯组合作用状态，受力机理复杂，在高温情况下，混凝土板中温度分布不均匀，存在热应力，剪力连接件的受力更加复杂.目前对高温下栓钉的抗剪性能的研究较少.1997年，Zhao等［4］采用推出试验装置，通过恒载升温试验，对高温下平板和压型钢板肋与钢梁垂直混凝土板中栓钉的抗剪性能进行了研究，通过对试验数据的拟合给出了高温下栓钉承载力的计算公式，并被欧洲规范采用［5］.2009年，Choi等［6］采用改进的推出试验装置，通过恒温加载试验，对高温下栓钉的抗剪性能进行了研究，也给出了高温下栓钉承载力的建议公式.2011 年，Mirza等［7］对高温下平板和压型钢板与钢梁垂直混凝土板中栓钉的抗剪性能进行了试验研究，研究表明平板混凝土中栓钉的承载力一般比带压型钢板中栓钉的承载力高，而平板混凝土中栓钉的延性则比带压型钢板中栓钉的承载力差，并通过对试验数据的拟合得到了高温下栓钉承载力的计算公式.

虽然目前有一些高温下栓钉承载力的建议公式，但是中国规范中没有对高温下栓钉的抗剪承载力设计方法作出相关规定.本文分别对平板、压型钢板与钢梁垂直和压型钢板与钢梁平行三种形式混凝土板中栓钉进行高温下推出试验，通过试验分析给出了高温下栓钉抗剪承载力的计算建议.

1 试验概况

1.1 试验目的

栓钉的力学特性主要有抗剪承载力和荷载－滑移性能.本文试验目的主要是考察不同温度下不同混凝土板型推出试件的温度场分布特点和破坏模式，得到栓钉抗剪承载力随温度的退化规律和高温下栓钉的荷载滑移性能.

1.2 试件设计和安装

试验共设计制作了24个推出试件，所有试件都根据欧洲规范BS EN1994－1－1［8］中相关规定进行设计，并根据试验炉的尺寸做了一些修改.每个构件由一根焊接H 型钢梁、两块矩形混凝土板和两个栓钉组成.试验中分别考察了三种混凝土板型式：平板、压型钢板肋与钢梁垂直、压型钢板肋与钢梁平行.试件设计见表1.

所有栓钉的尺寸均一致，用专业焊枪焊在钢梁翼缘的中心线上.栓钉直径为19 mm，长度为100 mm.混凝土采用C30商品混凝土.通过对现场浇注的立方体试块的材性试验得到试验时实测混凝土立方体抗压强度为44.51 MPa，弹性模量为2.84×104MPa.

钢筋直径采用10mm，具体布置见图1.压型钢板采用LK－688型楼承板，厚度为0.8mm.由于楼承板表面有压痕，压型钢板肋与钢梁垂直混凝土板型中栓钉焊接时，焊在了压痕上侧.钢板和钢筋的实测材料强度见表2.试验时试验设备布置图见图2.试件共布置8个位移计，分别用于监测钢梁端部和栓钉处混凝土的绝对位移和相对位移和混凝土块的掀起位移（图3）；在构件上共布置11 个K－型热电偶，分别用于监测钢梁翼缘和腹板，栓钉离翼缘10 mm 和25mm，混凝土离翼缘10、50和100mm 处的温度.栓钉上的温度通过在栓钉上开2mm 宽的槽，再在槽中布置热电偶来测定.

表1 推出试件参数Tab.1 Details of push－out specimens

1.3 试验过程

采用500kN 千斤顶进行加载.试件安装完毕后先进行预加载，检查位移计和采集系统是否正常工作，并进行对中.各项准备工作检查无误后，电炉开始升温.取栓钉离翼缘10 mm 处的温度为试验温度，将构件加热到指定试验温度后，将构件加载到破坏.因为考虑到：①栓钉沿长度方向的温度分布不是均匀的；②栓钉根部应力集中明显而且通常是发生破坏的地方；③栓钉根部10mm 以下温度较接近且在10mm 附近布置热电偶对栓钉的受力性能影响较小，所以取栓钉离翼缘10mm 处的温度为试验温度.

表2 实测材料强度Tab.2 Measured strength of components in tests

2 试验结果及分析

2.1 试验现象

图1 推出试件截面尺寸（单位：mm）Fig.1 Dimensions of push－out specimens（unit：mm）

平板混凝土试件和压型钢板肋与钢梁平行的试件均为焊缝上侧栓钉剪断破坏（图4），而压型钢板肋与钢梁垂直的试件在温度较低时为混凝土拔出破坏，温度较高时为栓钉剪断破坏（图5）.这主要是由于高温下混凝土的温度比栓钉的温度低，混凝土的强度比栓钉强度高，故在温度较低时强度由混凝土肋的破坏控制，在温度较高时强度由栓钉的破坏控制，但是发生这一转变的控制温度有待于进一步研究.需要指出的是压型钢板的具体型式会对试件的破坏模式产生影响，故本文中中结论只适用于高宽比较小的压型钢板型式，对于其他型式的压型钢板，还需进一步研究.各构件的试验结果见表3.表中，QT为高温下栓钉抗剪承载力实测值.

2.2 温度分布

显然，混凝土板沿厚度方向的温度分布是不均匀的.图6给出了钢梁、栓钉和混凝土不同位置处的升温曲线.由于电炉的功率较低，炉温的升温曲线与ISO （International Organization for Standardization）标准升温曲线不一致，故本试验中栓钉和混凝土板的温度分布与组合梁标准火灾试验中的温度分布不完全一致，但是分布规律是一致的.从图中可以看出，栓钉根部温度低于钢梁翼缘的温度.在混凝土温度达到100 ℃时，由于水蒸气的蒸发形成一个升温滞后平台.

2.3 荷载—滑移曲线

平板、压型钢板肋与钢梁平行、压型钢板肋与钢梁垂直混凝土板型式中栓钉的荷载—滑移曲线如图7所示.从图中可以看出，所有混凝土板型式中栓钉的抗剪承载力和刚度均随温度的升高而降低.图7c中当栓钉温度为400 ℃时，试件由于栓钉焊接缺陷发生了焊缝破坏，故破坏为脆性破坏，这在施工中应通过严格控制焊缝质量来避免.

2.4 极限荷载

图6 升温曲线Fig.6 Measured temperature development

根据图7所示荷载—滑移曲线可得到栓钉的极限抗剪承载力.图8给出了栓钉极限荷载随温度的下降关系.图中高温下栓钉承载力折减系数为高温下栓钉极限荷载与对应楼板型式中栓钉常温下极限荷载值的比.从图7和表3可以看出，平板混凝土试件和压型钢板肋与钢梁平行的试件中栓钉的极限承载力比压型钢板肋与钢梁垂直的试件中栓钉要高，这主要是因为压型钢板与钢梁垂直的试件中栓钉的受压侧受压混凝土面积较小.另外，平板混凝土试件中栓钉极限承载力稍大于压型钢板肋与钢梁平行的试件中栓钉承载力，但很接近，这主要是由于本文试验中使用的压型钢板肋高宽比较小，压型钢板肋对栓钉的承载力影响较小，相反如果压型钢板肋高宽比较大，压型钢板肋对栓钉的承载力会造成很大的影响，那么压型钢板肋与钢梁平行的试件中栓钉的承载力就要比平板混凝土试件中栓钉承载力低很多.

3 高温下栓钉抗剪承载力计算方法

《钢结构规范》（GB50017—2003）［9］中规定常温下平板混凝土板中栓钉承载力的计算公式为

式中：fc为混凝土轴心抗压强度设计值，MPa；Ec为混凝土弹性模量，MPa；As为栓钉截面积，mm2；f为栓钉抗拉强度设计值，MPa；γ为栓钉材料抗拉强度最小值与屈服值之比.

对于用压型钢板混凝土组合板做翼缘的组合梁，其栓钉连接件的抗剪承载力设计值应分别按以下两种情况予以降低.

（1）当压型钢板肋平行于钢梁布置，设bw为混凝土凸肋的平均宽度，mm；he为混凝土凸肋高度，mm，bw／he＜1.5时，按式（1）算得的承载力应乘以折减系数βv，βv 计算如下：

式中：hd为栓钉高度，mm.

（2）当压型钢板肋垂直于钢梁布置时，栓钉抗

图7高温下栓钉荷载 滑移曲线Fig.7 Load－slip relationship of headed studs at elevated temperatures

表3 试验结果Tab.3 Summaries of test results

剪承载力设计值的折减系数计算如下：

式中：n0为在梁某截面处一个肋中布置的栓钉数，当多于3个时，按3个计算.

高温下栓钉抗剪承载力可由式（4）计算所得：

式中：kT为高温下栓钉抗剪承载力折减系数；Qd为常温下抗剪承载力计算值.三种楼板型式中栓钉抗剪承载力折减系数kT均可按式（5）计算所得：

式中：Ts为钢梁上翼缘温度.组合梁中钢梁翼缘温度可根据《建筑钢结构防火技术规范》［10］中规定，按三面受火计算.

图8 栓钉抗剪承载力随温度的退化关系Fig.8 Ultimate shear load versus temperature

根据欧洲规范BS EN1994－1－2的规定，栓钉根部温度可取为钢梁上翼缘温度的0.8倍.通过与试验数据的对比发现，当发生栓钉剪断破坏时，高温下栓钉承载力的折减系数可取高温下钢材的强度折减系数.通过对《建筑钢结构防火技术规范》中计算高温下钢材材料强度折减系数的公式进行修改即得到式（5）.

从图9中可以看出，建议公式计算所得的结果跟试验数据吻合较好.按式（4）计算所得的高温下栓钉承载力与试验实测值对比见表3.由于F－YC－500－1的结果比常温下承载力大，不太合理，故在分析中不予考虑，F－YC－400－2由于发生焊缝破坏，也不予考虑.从表3可以看出，式（4）能较稳定地预测高温下栓钉的抗剪承载力.由于本试验中试件主要发生栓钉剪断破坏，对于发生混凝土压碎破坏的情况（主要是在温度较低时，混凝土强度相对于栓钉强度较小时发生；当温度较高时，由于栓钉升温比混凝土板快，一般发生栓钉剪断破坏），高温下栓钉的承载力折减系数仍需进一步研究，才能得出结论，且本文试验只考虑了一种压型钢板型式（LK－688），对于其他压型钢板型式仍需进一步研究.

图9 建议公式计算结果与试验对比Fig.9 Comparison between the predicted and test results

4 结论

通过对24个推出试件进行了高温下推出试验，比较了三种混凝土板型中栓钉荷载—滑移曲线的差异，得到如下结论：

（1）平板混凝土试件和压型钢板肋与钢梁平行的试件均为焊缝上侧栓钉剪断破坏，而压型钢板肋与钢梁垂直的试件在温度较低时为混凝土拔出破坏，温度较高时为栓钉剪断破坏.

（2）所有混凝土板型式中栓钉的抗剪承载力和刚度均随温度的升高而降低，且平板混凝土试件和压型钢板肋与钢梁平行的试件中栓钉的承载力比压型钢板肋与钢梁垂直的试件中栓钉要高.

（3）本文给出的高温下栓钉抗剪承载力设计公式能较准确且偏于安全地预测栓钉高温下抗剪强度.

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