可循环使用全装配钢-混凝土组合梁抗弯性能试验研究

2022-05-13侯和涛鲁玉曦臧增运高梦起熊方明

土木与环境工程学报 2022年4期

侯和涛，鲁玉曦，臧增运，高梦起，熊方明

(1.山东大学土建与水利工程学院，济南 250061；2.郑州城建集团投资有限公司，郑州 450001；3.青岛鑫光正钢结构股份有限公司，山东青岛 266700)

钢-混凝土组合梁是现代钢框架建筑楼面结构体系中常用的结构形式，由混凝土板、钢梁和剪力连接件组成。通过在钢梁和混凝土楼板之间设置剪力连接件，抵抗两者在交界面处的竖向掀起及相对滑移，使二者共同工作。与无组合作用的梁相比，其利用了混凝土的高抗压强度和钢的高抗拉强度，显著提高了梁的抗弯承载力。

作为钢-混凝土组合梁的关键部位，剪力连接件的力学性能直接影响到整个组合梁的承载能力[1-2]。根据剪力连接件的不同进行分类，可分为采用刚性剪力连接件和采用柔性剪力连接件的钢-混凝土组合梁。柔性剪力连接件的刚度较小，作用面上的剪力会使连接件变形，当混凝土板与钢梁产生一定滑移时，其抗剪强度不会降低，建筑领域组合梁中使用的剪力连接件多为柔性剪力连接件[3-4]。常用的柔性剪力连接件有栓钉、C形钢和PBL剪力连接件等。自20世纪50年代开始，栓钉作为剪力连接件的钢-混凝土组合梁得到了广泛的研究和推广[5-8]。与栓钉相比，C形剪力连接件具有更高的承载力，可以更加轻松地焊接在钢梁上，因此，C形剪力连接件逐渐成为替代栓钉的一种选择，并且得到了众多学者的关注[9-13]。近年来，PBL剪力连接件由于其力学性能优良、施工方便、使用寿命长等特点，在钢-混凝土组合梁中得到了广泛的应用和研究[14-16]。

根据剪力连接程度的不同，可将钢-混凝土组合梁分为完全剪力连接组合梁和部分剪力连接组合梁。部分组合作用组合梁是指剪力连接件所能承担的剪力小于极限弯矩作用下在钢梁和混凝土楼板交界面处产生的纵向剪力[17-18]。在钢-混凝土组合梁的承载力和变形许可的情况下,采用部分剪力连接可以减少连接件用量、降低造价并方便施工。Nie等[19]对有异形板的部分剪力连接钢-混凝土组合梁进行了试验研究，结果表明，在连续组合梁的正弯矩和负弯矩区段均可采用部分剪力连接。

传统的钢-混凝土组合梁通常是将剪力连接件焊接在钢梁上，然后浇筑在混凝土中，这使得钢-混凝土组合梁的拆除和其中某些构件的重复利用难以实现。为了实现全装配施工，减少现场湿作业，加快施工速度，近年来出现了许多新的装配式钢-混凝土组合梁形式。Kwon等[20-21]介绍了3种后装螺栓的剪力连接件形式，对单个剪力连接件进行了疲劳加载试验和足尺组合梁的抗弯试验，以及得克萨斯州翁多镇附近的真实桥梁的加固试验。Wang等[22]进行了装配整体式钢-混凝土组合梁的试验研究，发现使用栓钉组和钢块作为剪力连接件时装配整体式钢-混凝土组合梁的弹性刚度分别提高了50%和174%。Ataei等[23]提出了一种使用可拆卸抗剪螺栓作为剪力连接件和聚合物混凝土代替普通硅酸盐水泥的钢-混凝土组合梁并进行了试验研究，证实了此种组合梁在使用寿命结束时可以实现快速拆卸，部分构件可以重复使用。

针对目前组合梁领域无法实现的全装配与可循环使用的问题，笔者提出了一种可循环使用的全装配钢-混凝土组合梁结构，主要由预制混凝土楼板、TJ型剪力连接件[24-25](以下简称紧固件)、碗状连接件[26]和钢梁组成，如图1所示。焊有栓钉的钢导槽预埋在预制楼板内给紧固件提供卡位，先将预制楼板吊装到钢框架梁预定位置处，再将紧固件放置到钢导槽内并拧紧螺杆便可完成安装。通过拧紧紧固件上的螺杆来提供预紧力，限制预制楼板与钢梁的竖向掀起，通过预制楼板与钢梁上翼缘的摩擦力来抵抗钢梁与预制楼板的相对滑移，以实现部分组合作用。碗状连接件因其形状类似“碗”而命名，用作多块预制混凝土板的连接件。为研究此钢-混凝土组合梁的力学性能，设计了6组足尺组合梁试件，包括1组采用栓钉抗剪的现浇钢-混凝土组合梁和5组新型全装配钢-混凝土组合梁，对其进行四点弯曲试验。

图1 新型全装配钢-混凝土组合梁示意图Fig.1 Diagram of new prefabricated steel-concrete

1 试件概况

1.1 试件设计

所有试件的设计跨度均为4 800 mm，钢梁的高度取200 mm，选用Q235B级热轧H型钢HN200 mm×100 mm×5.5 mm×8 mm。为保证安全，钢梁长度取5 000 mm，在支座两端各长出100 mm。同时，为防止钢梁在支座处因剪力过大发生局部屈曲，在支座处钢梁腹板焊接加劲板，钢材等级为Q235B，板厚5 mm。钢-混凝土组合梁试件共6组，分为A、B两类试件，A类试件为现浇钢-混凝土组合梁，采用栓钉连接，B类为新型全装配钢-混凝土组合梁，主要变化参数为预制楼板的数量和纯弯段的长度，以此作为依据对试件进行编号，如表1所示。所有组合梁试件的楼板宽度和厚度一致，分别为900、120 mm，混凝土等级C30。分别在预制楼板的顶部和底部布置钢筋网，纵向和横向间距均为150 mm，保护层厚度为15 mm，采用HRB400级钢筋，直径10 mm。

表1 试件参数及编号Table 1 Specimen parameters and numbers

A组试件采用栓钉作为剪力连接件，浇筑前在钢梁上翼缘中线处焊接单排栓钉，栓钉尺寸φ13×60，纵向间距500 mm，在构件加工厂内一次性浇筑完成。B组试件的预制楼板内预埋放置紧固件的钢导槽，边距100 mm，跨中处间距600 mm，其余位置间距400 mm，半跨梁内钢导槽分布如图2所示。钢导槽由截面100 mm×50 mm、厚度5 mm的矩形钢管切割而成，两端焊封板，防止浇筑时混凝土进入槽内，同时可以增加钢导槽的刚度，不易在竖向掀起时变形，穿过钢导槽的纵向和横向钢筋分别焊接在钢导槽的侧面和封板上，顶面焊接3个栓钉，栓钉尺寸φ16×100，间距100 mm，如图3所示。

图2 试件尺寸详图及钢筋和钢导槽分布图 (单位：mm)Fig.2 Detailed geometries and rebar and channels distributions of specimens (unit:mm)

图3 钢导槽

B组试件的预制楼板由多块组成，预制楼板间采用碗状连接件连接，如图4所示。在浇筑时，预制楼板连接处预留放置碗状连接件的缺口，并预埋内丝套筒。此碗状连接件由150×150的方钢管切割而成，在其两侧开方向垂直的长圆孔，并在底部焊接封板。连接时只需将碗状连接件放入到预制楼板的预留缺口内，将开孔对准楼板内预埋的内丝套筒并拧紧螺丝即可。

图4 碗状连接件

B组试件预制楼板与钢梁通过紧固件来连接，为实现紧固件与钢梁表面的紧密贴合，将高强螺杆设计为万向铰形式，对高强螺杆端部做切削处理，如图5所示。螺杆强度取12.9级M12高强螺杆，螺杆长度60 mm，万向铰材质为45号钢，紧固件采用Q345B级钢材。

1.2 材料性能

通过材性试验确定混凝土、钢梁、紧固件和钢筋的材料性能，如表2所示。所有钢材的材性试件均按照《金属材料室内拉伸试验方法》(GB/T 228.1—2002)[27]的规定制作和测试，由拉伸试验测得H型钢腹板和翼缘、紧固件和钢筋的屈服强度fy、抗拉强度fu、弹性模量Es等材性数据，如表3所示。混凝土的实际抗压强度由150 mm×150 mm×150 mm的立方体标准试块测得，试验测得的立方体抗压强度实测值fcu为34.3 MPa。根据《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152—2012)[28]，由立方体抗压强度实测值推算得到混凝土轴心抗压强度f、轴心抗拉强度ft和弹性模量Ec，如表3所示。栓钉的材料性能没有通过试验测量，根据供应商提供的质量证明书，其抗拉强度为400 MPa。

表2 钢材的实测性能Table 2 Measured properties of the steel

表3 混凝土的实测性能Table 3 Measured properties of the concrete

2 试验方案

2.1 加载方式

对6组试件进行四点弯曲试验，采用液压伺服作动器进行单调静力加载，两端支座均为滚动铰支座，加载装置如图6所示。安装及加载步骤：1)试件的拼装；2)用扭矩扳手将钢梁两侧24个紧固件的螺杆施加24.6 N·m的扭矩(使紧固件内外侧应变均处于弹性范围内)，同时采集紧固件弓背处内外侧应变数据；3)以跨中挠度控制加载，作动器以0.02 mm/s的速率下压，以2 mm跨中挠度为1级，每级持荷5 min，单调加载至跨中挠度达到100 mm时停止加载。

2.2 测点布置

测试内容主要有：组合梁沿跨长的挠度；预制板和钢梁的相对滑移；组合梁跨中处不同截面高度的应变。

图6 加载装置

应变片沿跨长的分布如图7(a)所示。同时，应变片在跨中截面处的分布如图7(b)所示，C1～C3、C6、C7用来测量混凝土板上下表面不同位置处的应变，C4、C5用来测量混凝土板不同高度处的应变。S1～S5用来测量钢梁不同截面高度处的应变。布置5个量程为100 mm的位移计来测量试件的挠度，分别位于组合梁的1/4处、加载点处和跨中处，编号为T1～T5。布置3个位移计来测量混凝土板与钢梁的相对滑移，分别位于组合梁的梁端和加载点处，编号为T6～T8。

图7 应变片及位移计布置Fig.7 Arrangement of strain gauge and displacement

3 试验结果

3.1 破坏现象

A组试件在跨中挠度达到96 mm时，混凝土板下表面及侧面出现宽度达1 mm的裂缝，上表面混凝土并未出现压碎，跨中处钢梁全截面屈服。B组试件的破坏形态基本一致，典型的破坏形态为：加载过程中，预制板接缝处上表面混凝土出现压碎，内丝套筒处预制板侧面及底面出现宽度1 mm的裂缝，如图8所示。以试件B-2-400为例：当跨中挠度达到10 mm时，加载点处混凝土底面出现第一条裂缝；跨中挠度达到16 mm时，加载时紧固件发出清脆响声，试件产生明显相对滑移，并在后续加载过程中周期性地发出响声；跨中挠度达到26 mm时，内丝套筒处混凝土底面产生明显裂缝；跨中挠度达到44 mm后，钢梁下翼缘屈服；当跨中挠度达到50 mm后，承载力基本不再上升，而相对滑移随着挠度的不断增加而增加。增加预制板数量后，破坏现象类似，仍然发生在跨中拼接处，远离跨中的预制板拼接处破坏现象并不明显。纯弯段长度的改变对试件的破坏现象无明显影响。加载过程中B组试件的钢导槽与预制板无明显相对滑移，也没有发生变形。加载结束后，紧固件均未出现变形，拆卸方便。

图8 试件混凝土破坏图Fig.8 The failure modes of

3.2 弯矩-挠度曲线

通过作动器的荷载数据计算得到各组试件纯弯段弯矩(即跨中弯矩)，并根据跨中位移计得到跨中挠度，作出各试件的弯矩-挠度曲线，如图9所示。由图9(a)可知，尽管各组试件拥有不同的设计参数，但其弯矩-挠度曲线趋势基本一致。在初始阶段，弯矩-挠度曲线基本保持线性，因此，所有试件的刚度值保持不变。跨中挠度达到大约16 mm后，各组试件因为相对滑移开始增加，刚度开始下降。此处B组试件的下降是由于达到抗剪承载力之后，紧固件开始滑动，预制混凝土板和钢梁之间的抗剪强度仅由混凝土和钢梁交界面的摩擦提供。随着挠度的继续增加，预制混凝土板和钢梁开始进入塑性阶段，荷载-挠度曲线趋于平缓。不同的是，跨中挠度达到大约40 mm后，随着挠度的增加，B组试件的荷载基本不再增长，而A组试件的荷载以不断减小的速率继续增长。A组试件跨中挠度达到96 mm后，因为界面相对滑移太大，组合作用减弱，荷载开始下降，而B组试件荷载并没有下降，延性更好。由图9(a)可知，现浇试件A-1-400的初始刚度和极限弯矩均大于B组试件，具有较明显的优势。

图9 试件弯矩-挠度曲线Fig.9 Load-deflection curve of each

由图9(b)可知，纯弯段对于全预制组合梁的极限抗弯承载力无影响，3组试件的极限抗弯承载力均在85～90 kN·m，且相差不超过6%，说明加载点的位置对全预制组合梁的抗弯承载力无显著影响。在挠度为0～16 mm时，3组试件的刚度变化趋于一致，说明纯弯段对全预制组合梁的抗弯刚度无明显影响。

在图9(c)中，预制板的数量对于全预制组合梁的极限抗弯承载力无影响，3组试件的极限抗弯承载力均在90 kN·m左右，且相差不超过3%。但预制板的数量对组合梁弹性阶段的抗弯刚度有影响，使用预制板的数量越多，梁的刚度越小。

对具有不同参数试件的弯矩-挠度曲线进行比较，讨论不同参数对试件抗弯刚度和极限承载力的影响，包括预制板的数量和纯弯段的长度。如图9(b)所示，虽然3组试件的纯弯段长度不同，但其弯矩-挠度曲线趋势相同，具有相近的初始刚度和极限弯矩。如图9(c)所示，随着预制板数量的增加，试件的初始刚度变小，并且试件B-4-900的初始刚度具有明显的降低。说明预制板数量越多，组合梁的整体性越差，但对于其极限弯矩的影响并不明显。

3.3 挠度沿跨长分布

将沿组合梁跨长布置的位移计所采集得到的挠度数据制成曲线，如图10所示，横坐标为位移计到跨中的距离，纵坐标为竖向位移。P为极限荷载，图中各条曲线为在不同荷载下组合梁的挠度分布。可以看出，在达到0.6倍极限荷载前，组合梁的挠度增长较慢，达到0.6倍极限荷载之后，挠度增长变快，达到极限荷载之后，在两侧近似线性分布，最大挠度出现在跨中。从图10可以看出，在加载过程中，全预制组合梁的挠度随着预制板的数量增加而增大，而纯弯段的长度对于全预制组合梁影响不大。图10(d)所示极限弯矩下的挠度小于其对照组图10(c)、(e)，因为在选取试验数据时，是选取试件弯矩最大值点时的挠度分布，而试件B-3-900的弯矩最大值是在挠度为68 mm时取得，在超过这一挠度后，随着挠度的增加，极限弯矩在一定范围内波动。

3.4 跨中截面应变

在荷载作用下，B组试件预制板的拉力主要通过碗状连接件及内丝套筒传递，因而拉应变主要集中在内丝套筒附近，预制板侧面及底面应变片测得的拉应变数据较小，6组试件的跨中截面应变分布如图11所示，纵坐标为截面高度，横坐标为应变，P为极限荷载，图中4条曲线分别代表荷载达到0.2P、0.4P、0.6P和0.8P时试件跨中截面的应变分布。

从图11(a)中可以看出，试件A-1-400在加载初期钢梁全截面受拉，截面应变分布近似线性，在荷载达到0.8P后，钢梁上翼缘开始受压，此时钢梁和混凝土拥有各自的中和轴。对于B组试件，在荷载分别达到0.6P和0.4P后，B-4-900和B-3-900钢梁上翼缘开始受压。因为接缝处在跨中，B-2-400、B-2-900和B-2-1700跨中处初始刚度较小，在荷载达到0.2P后，钢梁上翼缘开始受压，均早于A组试件。与设计试件时的预期一致，6组试件均表现为部分组合作用，钢梁上表面与混凝土翼缘下表面间的相对滑移较大，在达到极限状态时会出现两个分别位于混凝土翼缘和钢梁截面的中和轴，不再符合平截面假定，但钢梁截面与混凝土截面在各自的中和轴上基本符合平截面假定。