王礼彬，邱 杰，黄 柳，曹国辉*

(1. 长沙理工大学 土木工程学院，长沙 410114；2. 湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000)

钢-混凝土组合梁能够将混凝土材料抗压性能好、经济性好，以及钢材抗拉强度高、塑性好的优点充分发挥，使材料各自的力学性能得到合理利用，兼具经济性与实用性，具有广阔的发展应用前景.钢-混凝土组合梁在一定环境条件下，构件材料性能往往会随时间退化，所导致的组合梁结构耐久性能退化的最普遍原因便是抗剪连接件锈蚀问题，这也是影响组合梁耐久性的主要因素.抗剪连接件锈蚀程度是决定组合结构耐久性的关键因素.

文献[1-3]对钢-混凝土组合梁整体受力性能进行了耐久性试验研究.结果表明，钢-混凝土组合梁经过腐蚀作用后会降低钢组合梁筋强屈比，增大交界面相对滑移，其挠度延性比与栓钉腐蚀程度呈负相关关系；随着栓钉锈蚀程度的增加，屈服强度和极限强度减小，塑形性能下降，弹性模量降低.在此基础上，上述文献还建立了锈蚀栓钉力学性能退化模型和本构关系模型.

赵长军等[4]基于受弯性能试验和数值模拟，对5根梁进行试验，其中4根梁采用恒定电流通电加速锈蚀方法(CCAC)使其抗剪栓钉锈蚀，栓钉锈蚀率为0%～40%，锈蚀完成后进行静力加载，探究组合梁在负弯矩作用下的力学性能.结果表明：随着栓钉锈蚀率的增加，组合梁抗弯承载力轻微减小，但其抗剪承载力则明显减小.基于试验数据及理论分析，得到了考虑栓钉锈蚀影响的理论计算模型.

熊辉等[5]研究了腐蚀与长期荷载耦合作用后栓钉连接件的力学性能，对8个钢-混凝土连接件进行了推出试验.试验结果表明：栓钉锈蚀导致试件抗弯刚度和极限承载力降低，且对钢梁与混凝土板之间的相对滑移影响显著；腐蚀与荷载之间存在相互作用、相互影响的关系，即栓钉在压应力作用侧腐蚀减缓，在拉应力作用侧腐蚀加快.

本文根据11根栓钉锈蚀后钢-混凝土组合梁极限承载力试验数据，结合理论分析，提出一种计算栓钉锈蚀情况下组合梁极限承载力的计算方法，以此研究栓钉锈蚀对组合梁极限承载力影响.

1 组合梁极限承载力试验

1.1 试件设计

组合梁计算跨径l0=2 000 mm，截面如图1所示.型钢选用125 mm×125 mm的Q235宽翼缘H型钢，弹性模量为2.01×105MPa，屈服强度为315.7 MPa，极限强度为433.2 MPa.混凝土板采用C40混凝土，配合比水∶水泥(P42.5)∶砂∶碎石∶减水剂=150.0∶390.0∶710.0∶1 040.0∶12.7.每根梁配2列共32个Φ16 mm×60 mm栓钉，纵向间距130 mm，横向间距60 mm.

图1 组合梁截面 /mm

1.2 试验现象

试验共对11根钢-混凝土组合梁试件进行了极限承载力破坏试验，结果见图2～图3.由图3可知，试件均表现为弯压破坏，且试件钢梁和混凝土翼板之间均无明显错位，仅受压区混凝土翼板上表面被压碎.荷载作用初期，钢梁和混凝土翼板截面组合效应及整体工作性能良好，所有仪表读数正常且数据变化较为稳定，整个试件处于弹性工作阶段；当荷载增至0.4uP(uP为极限承载力)左右时，组合梁发出轻微闷响声，从各千分表读数可看出滑移明显增大，钢梁与混凝土翼板之间的自然粘结受到破坏，此时可观察到混凝土翼板底部有横向裂缝产生；随着荷载继续增加，千分表指针转动速率加快，试件底部横向裂缝越来越明显；当荷载达到0.8uP左右时，底部横向裂缝发展加剧，且混凝土板开始出现纵向裂缝，组合梁继续发出闷响声，各百分表、千分表读数不断增大；荷载增加到0.9uP时，组合梁已产生明显变形，挠度及滑移值迅速增加，混凝土表面跨中部位已有部分混凝土被压碎，闷响声越来越大，且荷载出现回落的趋势；待稳定后持续加载至试件破坏，挠度明显增大，闷响声更加清晰，混凝土板裂缝从板底延伸至侧面及顶面，随后混凝土翼板上表面被压碎.

图2 试验现场

图3 组合梁破坏形态

试验结束后记录混凝土表面及试件破坏情况，并对混凝土板进行破型，取出栓钉.按照相关规范要求对锈蚀栓钉连接件进行除锈处理，并通过测量栓钉质量损失，计算栓钉实际锈蚀率.

1.3 试验结果及分析

根据混凝土加载龄期将试件分为3组：不加载试件(SCB1，SCB4，SCB5，SCB6)、7 d龄期加载试件(SCB2，SCB7，SCB8，SCB9)和28 d龄期加载试件(SCB3，SCB10，SCB11).根据试验结果，得到3组试件极限承载力随锈蚀率变化情况，如表1所示.

表1 试验理论极限承载力与锈蚀率关系

由表1可知，不同混凝土加载龄期的3组试件极限承载力均受到栓钉锈蚀率的影响.随着栓钉锈蚀率的增加，各试件极限承载力基本呈线性下降趋势.锈蚀试件的极限承载力较未锈蚀试件均出现了不同程度的降低，其中承载力降低率最高的试件为SCB11，达到了5.41%；对未锈蚀且不同加载龄期的3个试件SCB1，SCB2和SCB3的承载力进行对比，发现混凝土加载龄期对试件的极限承载力影响较小，其承载力仅下降了0.54%；另外，3组试件中未锈蚀试件SCB1，SCB2和SCB3的极限承载力均比锈蚀试件的极限承载力要高，这主要是由于试件在腐蚀环境的作用下，栓钉与混凝土翼板的抗剪连接程度降低，导致其极限承载力降低.

2 计算分析

2.1 部分剪力连接组合梁极限承载力

随着栓钉数量的减少，钢梁和混凝土翼板协同工作程度下降，同时由于抗剪连接程度降低而引起滑移变形过大，使钢梁的塑性不能充分发挥，即钢梁截面不能进入强化工作阶段，以致抗弯承载力下降.工程实际中，栓钉锈蚀不仅会导致栓钉的抗剪能力下降，也会降低钢梁与混凝土翼板间的抗剪连接程度.因此，可以考虑采用部分抗剪连接的计算方法来计算组合梁的极限承载力.文献[6]中提出的部分抗剪连接组合梁塑性极限抗弯承载力按

2.2 栓钉锈蚀情况下组合梁极限承载力

栓钉的锈蚀必然导致组合梁的抗剪连接程度降低.根据试验数据进行拟合，用栓钉锈蚀率将组合梁抗剪连接系数通过线性关系表示，即：

其中，m为栓钉锈蚀率.引入栓钉锈蚀修正系数α对组合梁塑性极限抗弯承载力公式进行修正：

修正结果见图4.由图4可知，修正后的组合梁极限承载力计算值与试验值吻合良好，能够体现栓钉锈蚀条件下组合梁极限承载力的退化规律，并且能根据不同的栓钉锈蚀率，计算组合梁在栓钉锈蚀情况下的极限承载力.该计算方法准确性较好，可为栓钉锈蚀情况下组合梁的可靠性评估提供一定的试验依据与理论基础.

图4 修正结果

3 结论

1)栓钉锈蚀将导致组合梁极限承载力降低，且伴随锈蚀率增大承载力呈线性下降趋势.

2)栓钉锈蚀将直接影响组合梁的抗剪连接程度，基于组合梁的部分抗剪连接计算公式给出的在栓钉锈蚀情况下的组合梁极限承载力计算模型，其计算值与试验值吻合良好，具有一定可靠性.