蔺钊飞，刘玉擎

（同济大学 土木工程学院，上海200092）

焊钉连接件广泛应用于组合结构桥梁钢-混凝土结合面抵抗剪力，既往研究主要集中于其抗剪受力性能［1-2］.随着组合结构桥梁的发展，焊钉连接件应用范围更加广泛，除受到剪力作用外，亦常处于受拉或拉剪共同作用状态.上海长江大桥连续梁和东海大桥斜拉桥分别在组合梁钢-混凝土结合面采用高300和450mm的焊钉来抵抗拉力作用.

McMackin［3］和 Pallarés［4］研究表明，在拉力作用下，焊钉连接件主要呈现混凝土掀起的脆性破坏和焊钉拉断的延性破坏等破坏模态，并建议基于焊钉延性破坏进行焊钉连接件抗拉承载力设计计算.焊钉发生延性破坏时，变形较大，有利于在极限状态下焊钉内力的重分布和整体结构的塑性发展.ACI［5］和PCI［6-7］等标准在早期版本中就已包含针对不同破坏模态的焊钉连接件抗拉承载力计算式.然而，所提计算式所依据的试验数据中，焊钉高度相对较小、混凝土强度相对较低［4，8］.国内对于焊钉连接件的抗拉性能研究十分缺乏，尚无相应的设计标准.为此，有必要给出防止焊钉连接件受拉发生脆性破坏的限制条件，提出基于延性破坏的焊钉连接件抗拉承载力计算方法.

本研究进行了不同高度的焊钉连接件抗拉承载性能模型试验，分析了焊钉高度对破坏模态、承载力、峰值分离的影响；比较了 ACI 318-08、PCI 5th和CEB-ECCS等标准所建议抗拉承载力计算式与试验结果的吻合度；给出了防止焊钉受拉发生脆性破坏的限制条件，并提出了基于延性破坏的焊钉连接件抗拉承载力计算方法.

1 焊钉连接件抗拉模型试验

表1为焊钉连接件抗拉模型试件分组，主要考虑焊钉高度的影响.焊钉直径ds为22mm，高度hs为100、200、300和400mm，极限强度fsu为519 MPa，混凝土立方体抗压强度fcu为62.6MPa.

表1 试件分组Tab.1 Grouping of test specimens

模型试件构造如图1所示，钢梁下翼缘对称设置加载孔，下翼缘中心处焊接焊钉连接件.将焊有焊钉的钢梁倒置，在与混凝土接触的钢翼缘板上涂抹润滑油以减小钢与混凝土间的粘阻力，焊钉正立浇筑混凝土.

试验加载装置如图2所示，采用放置于加载孔中的两个千斤顶对称加载，结构处于自平衡状态.试件混凝土块底部布置沙垫层以确保结构两侧施力和受力的均匀，并在混凝土块前后与千斤顶相同横向位置处布置2个位移计测试钢梁与混凝土块的相对分离量.

图1 模型试件（单位：mm）Fig.1 Details of test specimens（unit：mm）

图2 试验加载装置Fig.2 Test set-up

表2 抗拉承载力和峰值分离试验结果Tab.2 Results of tensile strength and peak separation

2 抗拉试验结果及分析

2.1 抗拉承载力及峰值分离

表2所示为焊钉连接件抗拉承载力Nu与峰值分离dp（拉力-分离曲线上最大拉力对应的分离值）的试验结果.当焊钉高度为100mm时，破坏模态为混凝土掀起，抗拉承载力较低，峰值分离较小，变形性能较差.当焊钉高度为200～400mm时，破坏模态为焊钉拉断，抗拉承载力相对较高，峰值分离较大，变形性能较好.焊钉拉断破坏时，峰值分离随焊钉高度的增加而增大，抗拉承载力随高度增加变化较小.

2.2 破坏模态

图3所示为ST-1组试件破坏状态，3个试件均为混凝土掀起的脆性破坏，混凝土破坏面呈曲面，在焊钉头部破坏面的切面近似垂直于混凝土块顶面，随着远离焊钉，切面与顶面夹角逐渐减小，至顶面处切面近似平行于顶面.

图3 混凝土掀起破坏Fig.3 Concrete breakout failure

图4所示为ST-2～ST-4组试件破坏状态，9个试件均为焊钉杆部拉断的延性破坏，破坏处焊钉杆部发生明显颈缩，断面面积显著减少.

图4 焊钉拉断破坏Fig.4 Stud fracture

2.3 拉力-分离曲线

图5所示为不同高度焊钉连接件的拉力-分离曲线.对于4组试件，在达到0.5Nu之前，拉力-分离曲线近似为线性.ST-1组试件为混凝土掀起破坏，近似以线性状态达到极限拉力，对应峰值分离最大值为3.56mm，随后的下降段较陡，延性较差.ST-2～ST-4组试件为焊钉杆部拉断破坏，在达到约0.75倍极限拉力时焊钉开始屈服，对应分离量约为1.3 mm；3组试件峰值分离均超过10.0mm，呈现出较好的变形性能.

图5 拉力-分离曲线Fig.5 Load-separation Curves

3 抗拉承载力计算式比较分析

研究表明［3-4，7-9］，焊钉连接件受到拉力时主要发生焊钉拉断、混凝土掀起、焊钉拔出、边缘混凝土压裂和混凝土割裂破坏.当焊钉埋深较大时，倾向于发生焊钉拉断破坏.当焊钉埋深较小、混凝土强度较低时，倾向于发生混凝土掀起破坏.当焊钉头部直径相对于杆部直径较小时，倾向于发生焊钉拔出破坏.当焊钉距离边缘较近时，倾向于发生边缘混凝土压裂破坏.当混凝土构件相对较薄时，倾向于发生混凝土割裂破坏.其中焊钉拉断和混凝土掀起为主要破坏模态.

表3所示为各标准建议的焊钉连接件抗拉承载力计算式.表中：Nsa为焊钉拉断时的名义抗拉承载力，N；Ase，N为焊钉杆部截面面积，mm2；futa为焊钉材料极限抗拉强度，MPa；Ncb为混凝土掀起破坏时的名义抗拉承载力，N；fc′为混凝土圆柱体抗压强度，MPa；hef为焊钉有效埋入深度，为焊钉头底面至混凝土顶面距离，mm；ca，min为焊钉截面中心至混凝土边缘最小距离，mm.ψed，N为考虑边缘影响的修正系数，当焊钉中心至边缘距离ca，min≤1.5hef时，ψed，N=0.7+0.3（ca，min／1.5hef）；当ca，min≥1.5hef时，ψed，N=1.ψc，N为混凝土掀起破坏时混凝土开裂修正系数，在正常使用状态下混凝土未开裂时，取1.25，开裂时取1.0；Npn为焊钉拔出破坏时的名义抗拉承载力，N；ψc，p为焊钉拔出破坏时混凝土开裂修正系数，在正常使用状态下混凝土未开裂时，取1.4，开裂时取1.0；dh为焊钉头部直径，mm；Abrg为焊钉头部的净支撑面积，.Nsb为边缘混凝土压裂时的名义抗拉承载力，N.所建议的焊钉拉断承载力计算式较为一致，认为近似于焊钉杆部单轴受拉破坏，采用对焊钉杆部截面与焊钉材料极限强度的乘积进行折减的方法.混凝土掀起破坏主要采用混凝土45°锥形破坏法或混凝土承载性能设计法计算抗拉承载力.ACI 318-08［5］和 PCI 6th［7］采用混凝土承载性能设计法，PCI 5th［6］和 CEB-ECCS［9］采用混凝45°锥形破坏法

表3 抗拉承载力计算式Tab.3 Equations for calculating the tensile strength

为比较不同标准抗拉承载力计算值与试验值的吻合度，收集了国内外共计93个焊钉连接件抗拉性能试验结果［3，10-14］，其中混凝土掀起破坏数据46个，焊钉拉断破坏数据47个，见表4.图6和图7所示分别为混凝土掀起破坏和焊钉拉断破坏时，按照ACI 318-08、PCI 5th和CEB-ECCS计算的名义抗拉承载力计算值与试验结果的对比.μ为计算值与试验值比值的平均值，σ2为计算值与试验值比值的方差.相对于焊钉拉断破坏，混凝土掀起破坏时，不确定影响因素较多，离散度较大.由计算值与试验值比值的平均值和方差可知，相对于PCI 5th和CEB-ECCS，ACI 318-08计算值与试验值具有更高的吻合度.

此外，ACI 318-08计算式的合理性和可靠性亦得到了其他学者研究的证明［4，15-17］，并被 PCI 6th采用，因此，建议采用ACI 318-08计算式计算焊钉连接件名义抗拉承载力.

图6 混凝土掀起破坏抗拉承载力计算值与试验值比较Fig.6 Comparison of concrete break-out strength derived from test results and those computed using existing codes

4 防止焊钉连接件受拉脆性破坏的限制条件

ACI 318-08和PCI 6th建议尽可能使焊钉连接件受拉发生焊钉拉断的延性破坏.相对于焊钉连接件受拉脆性破坏，延性破坏前焊钉的变形较大，有利于焊钉内力重分布和整体结构的塑性发展.为此，结合ACI 318-08建议的不同破坏模态抗拉承载力计算式，提出防止焊钉拔出、边缘混凝土压裂和混凝土掀起破坏先于焊钉杆部拉断的限制条件.当在周围配有足够钢筋时，焊钉连接件受拉基本不会发生混凝土劈裂破坏［5］.

此外，由于焊钉周围混凝土中钢筋的加强作用，且对于预制混凝土结构常施加预应力，正常使用状态下混凝土一般无裂缝［4，7，17］，则在以下分析 中，假定正常使用状态下焊钉周围混凝土未开裂.

为便于实际应用，采用《电弧螺柱焊用圆柱头焊钉》［18］规定的焊钉头部高度hh，将有效埋入深度hef转换为焊钉全高hs.此外，采用式（11）将混凝土圆柱体抗压强度转换为轴心抗压强度.式（11）为依照Eurocode 4［19］和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》［20］取得不同混凝土圆柱体抗压强度等级与棱柱体轴心抗压强度关系，进行拟合得到.

式中：fck为混凝土强度.

4.1 防止焊钉拔出破坏的限制条件

为防止焊钉拔出破坏需使按照式（4）计算的抗拉承载力大于式（1）的计算值，即：

按照《冷镦和冷挤压用钢》［21］规定，焊钉材料的最大极限强度fsu为530MPa.按照《电弧螺柱焊用圆柱头焊钉》规定，焊钉头部直径dh和焊钉杆直径ds位于一定限值内，对于常用16、19、22和25mm焊钉，dh／ds最小值分别为1.79、1.66、1.57和1.58.表5所示为将上述限值代入式（12）得到的不同直径焊钉为防止焊钉拔出破坏先于焊钉拉断破坏所要求的最低混凝土抗压强度fck，min和满足限值的混凝土最低强度等级.对于直径16～25mm焊钉，所需fck，min最大值为26.4MPa，则当混凝土强度等级不小于C40时，可基本确保焊钉拔出后于焊钉拉断破坏.

图7 焊钉拉断破坏抗拉承载力计算值与试验值比较Fig.7 Comparison of ductile tensile strength derived from test results and those computed using existing codes

表4 既往研究试验参数Tab.4 Variables of the previous researches

表5 混凝土强度最小值fck，min限制条件Tab.5 Limits on the minimum value of fck

4.2 防止边缘混凝土压裂破坏的限制条件

当ce／hs≥0.4时，ACI 318-08规定可认为不会发生边缘混凝土的压裂破坏.ce为焊钉中心至混凝土边缘最小距离.

当ce／hs≤0.4时，防止边缘混凝土压裂破坏需使按照式（6）计算的抗拉承载力大于式（1）的计算值，即：

图8所示为当fsu为530MPa时，为防止边缘混凝土压裂先于焊钉拉断破坏，焊钉中心至混凝土边缘最小距离的最小值ce，min和混凝土抗压强度fck的关系.表6所示为当fsu为530MPa时，常用混凝土强度等级和焊钉直径的焊钉中心至混凝土边缘最小距离的最小值ce，min.所需ce，min随着混凝土强度的增加而减小，随着焊钉直径的增加而增大.对于常用的直径22mm焊钉，当混凝土强度等级为C50时，需ce，min约为100mm.

图8 混凝土抗压强度与焊钉中心至混凝土边缘最小距离的最小值关系Fig.8 Relationship of concrete compressive strength and minimum value of the closest distance from stud center to edges of concrete element

表6 混凝土边缘最小距离的最小值ce，min限制条件Tab.6 Limitations on the value of ce，min

4.3 防止混凝土掀起破坏的限制条件

使混凝土掀起破坏后于焊钉拉断破坏需使按照式（2）计算的抗拉承载力大于式（1）的计算值，即：

其中，当ce／hs≥1.5时，取1.5.

图9所示为当fsu为530MPa，ce／hs≥1.5时，为防止混凝土掀起先于焊钉拉断破坏，焊钉高度与直径比值的最小值（hs／ds）min与混凝土强度fck的关系.表7所示为当fsu为530MPa，ce／hs≥1.5时，常用混凝土强度等级和焊钉直径的焊钉高度与直径比值最小值（hs／ds）min.当ce／hs≤1.5时，将ce／hs≥1.5时的（hs／ds）min乘以系数（0.7+0.3（ce／1.5hs））-2／3即可.所需焊钉高度与直径比值最小值（hs／ds）min，随着混凝土抗压强度的增加而减小，随着焊钉直径的增加而增大.对于常用的直径22mm焊钉，混凝土强度等级为C50时，焊钉高度宜不小于200mm.

图9 焊钉高径比最小值（hs／ds）min与混凝土强度的关系Fig.9 Relationship of concrete compressive strength and the minimum value of stud height-diameter ratio

表7 焊钉高径比最小值（hs／ds）min限制条件Tab.7 Limitations on the value of（hs／ds）min

5 焊钉延性破坏抗拉承载力计算方法

图10所示为焊钉连接件延性破坏抗拉承载力计算流程图.倘若所拟定参数fck、ds、hs和ce满足该流程图，则满足第4.1～4.3节限制条件，可防止焊钉连接件抗拉脆性破坏.发生焊钉拉断的延性破坏，可按照式（1）计算抗拉承载力.《电弧螺柱焊用圆柱头焊钉》规定，焊钉材料最小抗拉强度为400MPa，当缺乏焊钉材料极限抗拉强度fsu数据时，取400 MPa计算.

图10 焊钉连接件延性破坏抗拉承载力计算流程Fig.10 Flowchart for calculating tensile strength of headed studs due to steel failure

6 结论

（1）通过焊钉连接件抗拉承载性能模型试验可知，当焊钉高度与直径的比值较小时发生混凝土掀起的脆性破坏；当高径比较大时，发生焊钉拉断的延性破坏.

（2）焊钉连接件发生混凝土掀起的脆性破坏时，抗拉承载力较低，峰值分离较小，变形性能较差；发生焊钉拉断的延性破坏时，抗拉承载力相对较高，峰值分离较大，变形性能较好.延性破坏时，峰值分离随焊钉高度的增加而增大，抗拉承载力随高度增加变化较小.

（3）基于国内外共93个焊钉抗拉承载性能试验结果，比较分析了 ACI 318-08、PCI 5th和 CEBECCS等标准所建议抗拉承载力计算式与试验结果的吻合度，结果表明ACI 318-08给出的计算式较为合理.

（4）结合ACI 318-08和中国相关现行标准给出了防止焊钉连接件受拉时发生焊钉拔出、边缘混凝土压裂和混凝土掀起等脆性破坏的限制条件，分别采用混凝土强度等级、焊钉缘端距离和焊钉高径比加以限制；并提出了基于延性破坏的焊钉抗拉承载力计算方法.

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