连续组合梁栓钉连接件抗剪承载力试验研究

连续组合梁栓钉连接件抗剪承载力试验研究

0组合梁栓钉抗弯性能变形销是组合梁结构的重要组成部分，在保证钢和混凝土的合作过程中起着重要作用，这会影响组合梁的承受、额外强度、收缩能力和预测力。现行钢结构设计规范关于栓钉连接件的承载力,对栓钉处于连续组合梁的正弯矩与负弯矩区,分别取不同值,即负弯矩区栓钉抗剪承载力取正弯矩区的90%,原因是负弯矩区混凝土受拉开裂,对栓钉的约束程度低于正弯矩区,导致栓钉承载力折减。文献认为组合梁中的栓钉承载力高于推剪试验结果,原因是组合梁中混凝土的双向受压状态,比推剪试验混凝土的单向受压状态对栓钉抗剪承载力有利。实际上,组合梁栓钉周围混凝土的状态有多种,随组合梁截面特征不同或弯曲程度不同,栓钉周围混凝土可能受压、受拉、半压半拉,如图1所示。为了研究混凝土完全受拉状态中的栓钉工作性能,本文设计安排了栓钉的拉剪试验,并考虑混凝土强度变化影响、混凝土中配置钢纤维及栓钉不同间距等因素,对栓钉抗剪承载力及开裂特征进行了研究。1正交试验的方法为了研究栓钉在混凝土受拉状态下的抗剪承载力,进行了9个拉剪试件的试验。试验考虑4个影响因素:栓钉直径d、混凝土强度fcu、钢纤维配纤率ρ及栓钉间距l。对前3个因素,试件按正交试验法安排,选用L9(34)正交表。对栓钉间距因素,分别取栓钉间距为150、250、350mm,3种栓钉间距均在每个试件中同时体现,试件及试验装置如图2所示。每个试件的4个剪切面均由4×3个直径相同的栓钉连接,施加对称荷载,各剪切界面承受相同的剪力。试验中测试各个栓钉处混凝土与钢板的滑移。正交试验的因素水平如表1所示。栓钉的力学性能如表2所示。2试验结果与负荷分析2.1同批推剪试验试验采用液压千斤顶缓慢连续加载,荷载不分级,每个试件加载时间持续2～4h。在试件上布置压力传感器和位移传感器,自动记录荷载滑移关系数据。试件破坏均为栓钉剪断或焊缝断,未出现受拉主筋屈服和混凝土破坏,也未出现4个剪切面上栓钉同时全部断裂的现象,试验以第1个栓钉断裂导致试件抗力失衡而结束。全部9个试件的荷载?滑移曲线如图3所示。各个试件以出现第1个栓钉破断作为试件破坏,则破坏滑移量Δ在1～9mm之间,在Δ=0.7～1.5mm时,各试件相继达到极限承载力。将试件极限承载力除以6,作为单个栓钉的试验极限承载力,下面称为拉剪承载力NLv,i;并称推出试验结果为推剪承载力NTv,iv,iΤ。试验数据列于表3。实际上,由于试件中有任何一个栓钉断裂,试件即达到极限承载力,所以各试件栓钉的试验极限承载力应是该试件中12个栓钉承载力的最小值。作为对比,表3中也列入了同批推剪正交试验结果、规范计算值及与拉剪试验数据的比值。规范按式(1)计算栓钉承载力:比较可见,栓钉的试验拉剪承载力明显低于试验推剪承载力,比值NLv,i/NTv,i=0.41～0.68。同批推剪试验,未在钢与混凝土连接界面涂油,随栓钉剪弯变形导致混凝土与钢板之间的挤压力增大,推剪试验中的界面摩擦力不能忽略,并大大增加组合梁界面的抗剪安全储备。对推剪试验栓钉承载力NTv,i中界面摩擦力f的估算,可近似认为各试件中界面摩擦力相同,栓钉材料的抗剪强度相同,则纯栓钉的抗剪承载力与其截面积成正比,即不同直径栓钉的纯抗剪承载力符合下式:由此计算的界面最小摩擦力f=86kN,占栓钉推剪试验总承载力的48%～60%。拉剪试验中栓钉的剪力导致混凝土向外弯曲掀起,混凝土与钢板基本脱离接触,界面摩擦力基本为零。在消除界面摩擦力影响情况下的NLv,i与NTv,i之比,有待改进试验方法作进一步研究。试验拉剪承载力NLv,i与规范值0.9Ncv之比在1.24～1.53之间,而连续梁负弯矩区混凝土与钢梁之间也存在挤压作用,即存在界面摩擦力,实际成为负弯矩区界面抗剪的安全储备。2.2影响栓钉承载力的因素表3中栓钉拉剪承载力的极差R表明,栓钉承载力影响因素的主次顺序是:栓钉直径d、混凝土强度fcu、配纤率ρ。栓钉直径是影响其承载力的决定因素,混凝土强度基本不影响栓钉承载力,配纤率完全不影响栓钉承载力。进一步对这些影响因素进行方差分析,计算各因素变动平方和Si及空列误差变动平方和Se,计算结果如表4所示。可以认为,栓钉直径是高度显著的影响因素,混凝土强度及钢纤维对栓钉承载力的影响均可忽略。按规范方法计算,当混凝土强度高于C25时,栓钉承载力基本与混凝土强度无关,完全受栓钉直径和材质控制,因此试验结果与规范一致。2.3混凝土古装置栓钉强度栓钉受到的剪力使混凝土杆件向外弯曲掀起,试验现象也是钢与混凝土之间在荷载很小时即出现裂隙,随荷载增大,裂隙加宽,裂隙宽度在界面外端最大、内端为零,近似呈线性变化;栓钉处于拉、剪复合受力状态。根据材料强度理论,其抗剪承载力随拉力的增大而较低。如图4(a),混凝土拉杆截面高度h,栓钉间距a,3个栓钉掀起力分别是F1、F2、F3,引起的栓钉伸长量分别为δ、2δ、3δ,栓钉剪力均为v。栓钉剪力和拉力分别在混凝土拉杆中产生的弯矩如图4(b)。记E、A、l分别为栓钉的弹性模量、截面积和长度,则栓钉最小伸长量为:δ=3vlhb24EIl+8(2a+b)b2EAδ=3vlhb24EΙl+8(2a+b)b2EA,(3)掀起力引起的栓钉最大拉应力为:σ=9vhb24Il+8(2a+b)b2Aσ=9vhb24Ιl+8(2a+b)b2A。(4)根据第四强度理论:σ2+3τ2−−−−−−−√≤[σ]σ2+3τ2≤[σ],栓钉拉应力的存在会导致其抗剪强度的降低,降低系数η=([σ]2−σ2)/[σ]2−−−−−−−−−−−−√η=([σ]2-σ2)/[σ]2;计算得η≈0.99。可见,试验掀起力对栓钉抗剪承载力的影响可以忽略不计。2.4拉剪试验栓钉与混凝土裂缝分布特点混凝土的开裂及裂缝分布与栓钉布置相关,在栓钉位置,混凝土的纵向拉应力发生突变,栓钉左右截面混凝土的拉力差即为栓钉剪力,栓钉的存在对混凝土介质的连续性造成局部破坏,并导致栓钉周围混凝土的应力集中,使得混凝土开裂首先在栓钉位置发生,图5是拉剪试验栓钉与混凝土裂缝分布图,在栓钉总抗剪承载力相同的情况下,采用直径细而密的栓钉布置方案,有利于降低最大裂缝宽度,裂缝分布也趋于细密。从栓钉布置的构造要求,限制栓钉的最大间距,对于连续组合梁负弯矩区,可以减小最大裂缝宽度。3维对栓钉承载力的影响(1)影响拉区混凝土中栓钉抗剪承载力的显著因素是栓钉直径,对于C30以上混凝土,混凝土强度及配置钢纤维对栓钉承载力的影响均