钢-超薄UHPC组合构件新型界面连接的抗剪性能_古金本.pdf

第 卷 第 期 年 月哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 .：钢 超薄 组合构件新型界面连接的抗剪性能古金本，王俊颜，严 彪，严鹏飞（先进土木工程材料教育部重点实验室（同济大学），上海；同济大学 土木工程学院，上海；同济大学 材料科学与工程学院，上海）摘 要：为实现预制 薄板与钢构件的装配式连接、后期可拆卸等目标，以及针对钢 超薄超高性能混凝土（，）组合桥面体系中 层过薄而无法采用常规抗剪连接件的问题，提出一种由预埋带垫加长套筒、高强螺栓连接组成的新型抗剪连接方式。开展了 组新型螺栓连接件的推出试验，包括 组高强螺栓和 组负泊松比螺栓连接件，分析了新型连接件的破坏形态及荷载 滑移曲线特征，研究了螺栓直径、螺栓长径比、螺栓种类等参数对极限滑移、抗剪刚度等力学性能的影响，研究结果表明：新型螺栓连接件的破坏形态均为螺栓杆被剪断，预埋带垫加长套筒底部的 无损坏压溃现象；新型高强螺栓连接件的抗剪承载力、界面相对滑移随高强螺栓的直径增大而增大；高强螺栓连接件的抗剪承载力约为螺栓抗拉强度的 ，故建议在钢 组合构件中采用较大直径的高强螺栓连接件，有效减少抗剪连接件的数量；而负泊松比螺栓的抗剪承载力和抗剪刚度明显较小，但极限滑移却明显增大，表现出良好的延性，建议将负泊松比螺栓应用于钢 组合构件的负弯矩区段，避免负弯矩区段出现开裂。关键词：钢 超薄 组合构件；推出试验；高强螺栓；负泊松比螺栓；装配式中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（），；，；，）：（），（，）（），：；收稿日期：；录用日期：；网络首发日期：网络首发地址：基金项目：宁波市重大科技专项（）作者简介：古金本（），男，博士研究生；王俊颜（），男，特聘研究员，博士生导师通信作者：王俊颜，超高性能混凝土（，）是近 年发展起来的新型水泥基复合材料。鉴于其超高强度、超高韧性、优异耐久性以及良好的施工性能，将钢构件与 薄层通过抗剪连接件组合成整体应用于组合桥面结构体系，可有效解决传统正交异性钢桥面疲劳开裂、铺装层易损坏等难题。湖南大学邵旭东教授团队提出了采用 层厚度仅为 的钢 超薄 组合桥面板体系，研究表明该体系具备改善钢桥面力学性能、有效减轻桥梁自重的潜力。另外，对于钢 混组合构件，抗剪连接件是实现钢构件与混凝土共同工作的关键元件，目前常用的抗剪连接件为焊接栓钉、剪力键等，但对于钢 超薄 组合桥面板体系，常规的抗剪连接件无法满足其构造要求。本文拟提出一种新型可拆卸式高强螺栓抗剪连接件，满足钢 超薄 组合构件的受力性能及构造要求，同时在钢 组合结构的装配式快速施工、桥面板的更换及可重复利用等方面凸显一定优势，可应用于人行天桥、保通便桥及抢险救灾快速通道等。目前，对钢 混组合结构螺栓连接件抗剪性能的研究主要集中在国外若干报道。等 提出了 种钢混螺栓连接件构造，开展了大量的基于 种螺栓连接构造的抗剪静力及疲劳性能研究，并完成了 个大尺寸组合梁的静力承载性能试验。等指出采用螺栓连接件可提升预制混凝土桥面板的安装效率，并使得结构拆除后的各个构件的重复利用成为可能，同时开展了不同直径螺栓连接件的推出试验研究。等将焊接栓钉连接件改造成装配式栓钉，应用于钢 普通混凝土组合结构，讨论了该种连接件的荷载 滑移曲线特征及抗剪承载力计算方法。等开展了应用于钢 组合构件的装配式栓钉的推出试验，提出了考虑栓钉长径比、直径等参数的抗剪承载力计算方法。杨飞等开展了.级摩擦型高强螺栓连接件的推出试验，提出了摩擦型高强螺栓连接件的抗剪承载力计算方法、荷载 滑移本构等。如上所述，目前提出的螺栓连接件均用于钢 普通混凝土组合构件，且要求混凝土层的厚度较厚。本文拟提出一种新型可拆卸式抗剪连接件，并对其抗剪性能进行试验研究。该新型连接件是采用高强螺栓及预埋在 薄层中的带垫加长套筒的构造方式来取代大直径焊接栓钉连接件，其工作机理是高强螺栓传递钢梁与 层之间的剪力，加长套筒的垫片用来提供抗掀起力。设计并开展了 组钢 超薄 组合构件螺栓连接件推出试验，包括 组高强螺栓及 组负泊松比螺栓连接件，研究了推出试件的荷载 滑移曲线特征及破坏模式，讨论了不同螺栓类型、高强螺栓直径及长径比等参数对抗剪承载力、抗剪刚度等力学性能的影响规律，为应用新型螺栓连接件的钢 超薄 组合桥面体系的设计提供参考。推出试验设计.新型抗剪连接件的设计图 展示了现有的螺栓抗剪连接件构造。这 种螺栓连接件均应用于钢 普通混凝土组合构件，且要求混凝土板的厚度较厚，现有研究采用的混凝土板厚度介于 ，。另外前 种螺栓连接构造，如需拆卸、更换混凝土板时，均需提升混凝土板才能使螺栓与钢构件分离，拆卸工作较为不便。本文针对 板厚介于 的钢 超薄 组合构件，提出一种钢与预制 薄板之间可拆卸的抗剪连接件，该连接构造由预埋在 薄板的带垫加长套筒与高强螺栓组成。具体构造形式见图。关于螺栓连接件的抗剪性能研究，大多采用高强度螺栓，这样在保证抗剪承载力的前提下，可有效减少抗剪连接件的数量。因此，本文采用的高强螺栓及带垫加长套筒的强度等级均为.级，高强螺栓的型号分别为 、。关于 板中预埋的带垫加长套筒，采用传统的加长套筒在非连接端采用焊接垫片的方式进行制作，其型号同高强螺栓型号，且一一对应。图 现有螺栓连接构造形式 第 期古金本，等：钢 超薄 组合构件新型界面连接的抗剪性能超薄 UHPC 板钢板3060 mm高强螺栓带垫加长套筒图 新型螺栓连接构造形式 另外，本文采用一种新型的负泊松比螺栓，该螺栓由同济大学材料科学与工程学院严彪教授提出。负泊松比螺栓的型号规格为 ，其螺纹、螺牙及螺距等参数与高强螺栓相同。其构造见图，可以看出螺栓杆内部为镂空结构，通过 打印在螺栓杆内部形成有多个镂空空腔，镂空空腔的长度方向与杆轴方向平行，使得螺栓杆的径向截面均匀分布有多个镂空区域，构成具备负泊松比结构的螺栓。负泊松比螺栓的核心是镂空空腔为多层内折等边十六边星形，在受到轴向拉力或径向的剪切力时，多层内折等边十六边星形受到逐层的拉力，等边十六边星形收腰处逐步产生膨胀，继而转变为沿螺栓杆轴方向分布。图 负泊松比螺栓 .试件设计试验共设计 组推出试件，包括 组高强螺栓及 组负泊松比螺栓推出试件，每组共设计 个试件。推出试件考虑的试验参数主要包括：螺栓类型、螺栓直径、螺栓长径比，各组试件主要设计参数见表，各个构造的尺寸见图。推出试件的几何尺寸依据欧洲规范 的相关规定进行设计，由两块 薄板与一个热轧宽翼缘 型钢组成，在 型钢两侧分别布置两个新型螺栓连接件，螺栓连接件横向间距为 ，推出试件的具体尺寸见图。表 试件设计参数 试件编号 注：为螺栓公称直径，为螺栓杆高度，为带垫加长套筒内径，为带垫加长套筒高度，为 板的厚度；代表的是螺栓为负泊松比螺栓，带垫加长套筒为普通带垫加长套筒。B16-N30B16-N40B16-N50B12-N40B20-N40NB16-N40161616122020图 各组螺栓连接件细部构造尺寸（）（）.材料性能本文采用的 为常温养护型高应变强化，由 预混料和掺量为 的平直型钢纤维组成，的基体配合比和钢纤维的特征参数分别见表、。细集料采用粒径为.的石英 砂，磨 细 填 料 采 用 粒 径 为 ，密 度 为.的磨细石英粉。基本力学性能为：立方体抗压强度平均值为.。经狗骨头形的轴拉试件直接拉伸试验测得的 轴拉应力 应变关系曲线见图。试件中采用的 型钢的钢材型号为，厂家提供的 型钢力学性能见表。哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 卷(a)正视(b)侧视520330-370150505015015010077.577.550505555070150150100406040605205070150150100图 推出试件的几何尺寸（）（）表 基体配合比 水泥硅灰磨细填料细集料水高效减水剂.表 钢纤维特征参数 纤维形状抗拉强度 弹性模量 长度直径长径比密度（）平直形 表 型钢的材料力学性能 材料类型屈服强度极限强度弹性模量伸长率 型钢.12108642轴拉应力/MPa弹性阶段应变强化阶段应变软化阶段试样 1试样 2试样 30 2 4 6 8轴拉应变/10-3图 高应变强化 轴拉应力 应变曲线 .加载方案推出试件加载采用 电液伺服压力试验机，加载装置见图。根据欧洲规范 的规定，正式加载之前需要进行预加载以稳定试件和消除钢梁和 板之间的自然黏结力。因此试验加载分为两个阶段，第一阶段为预加载，采用力控制加载方式，加载至 ，加载速率为.，反复加载 次，目的是消除钢梁与 板之间的自然黏结力。正式加载时采用位移控制的加载方式，加载速率为.，对试件持续加载直至试件破坏。在推出试件左右两边的连接件位置布置 个精度为.的光栅位移传感器，用来测量加载过程中钢梁与 板之间的相对滑移。加载板H 型钢位移传感器UHPC板螺栓连接件B16-N50-3图 加载装置 试验结果及分析.试验现象及分析除试件 、为单侧螺栓杆被剪断，其他试件均为双侧螺栓杆被同时剪断，图 展示了被剪断的高强螺栓和剪断后的预制薄层 板破坏，可以看出高强螺栓的断裂面较为平整，为脆性断口。对于大部分 薄板来说，由于预埋于 板的带垫加长套筒增大了螺栓连接件与 的接触面积，减小了连接件下侧 的应力集中，故带垫加长套筒下侧的 无破坏。而试件 出现带垫加长套筒底部的 局部剥离破坏，且范围很小，见图。第 期古金本，等：钢 超薄 组合构件新型界面连接的抗剪性能图 展示了负泊松比螺栓破坏，其破坏模式为沿径向分布的内部构造转变为沿螺栓杆轴方向的拉断破坏。卸载后采用扳手将未被剪断的螺栓连接件从套筒中拧出，见图，可以看出，高强螺栓在达到抗剪承载力之前发生了有限的塑性变形，但其不影响拆卸工作的便捷性。B12-N40-2B16-N40-2B20-N40-2图 高强螺栓连接试件破坏 B16-N30-1图 局部剥离破坏 图 负泊松比螺栓破坏 B16-N50-2B16-N50-2图 试件 拆卸 .荷载 滑移曲线图 为各个推出试件的荷载 相对滑移曲线，荷载为 个抗剪连接件承担的总剪力，滑移为 个位移传感器实测相对滑移的平均值。从图 可看出，对于高强螺栓连接件，该类型抗剪连接件的荷载 滑移曲线不同于传统焊接栓钉的荷载 滑移曲线（图（），主要是因为螺栓杆与螺栓孔壁之间的间隙，其典型曲线主要分为弹性段、螺栓杆滑移段、非线性强化段和下降段。在加载初期，各试件均处于弹性阶段，钢板和 的界面相对滑移随荷载增大而线性增大，荷载增加到一定值（）时，由于螺栓杆与螺栓孔壁之间存在间隙，螺栓杆出现滑移，剪切刚度相对减小，但滑移量非常有限。随着荷载的继续增大，滑移量随着荷载的增大而非线性增加。极限承载力之后，荷载 滑移曲线下降段较短，螺栓出现脆性断裂。典型的高强螺栓抗剪连接件和传统焊接栓钉抗剪连接件的荷载 滑移曲线见图，图（）展示了焊接栓钉直径为，栓钉高度为 的典型荷载 滑移曲线。对于负泊松比螺栓来说，随着施加的剪力逐渐增大，负泊松比螺栓内部原本由杆轴径向分布的钢丝逐步转变为沿杆轴方向的拉断破坏，呈现出延性破坏。表 汇总了各组推出试件的峰值荷载、峰值滑移、极限滑移及其平均值和变异系数，这里的极限滑移指的是峰值荷载下降 所对应的相对滑移。从表 可看出，极限滑移随高强螺栓直径的增大而增大，而高强螺栓的长径比对极限滑移影响较小。高强螺栓连接件的平均极限滑移为.，略大于 规定的延性抗剪连接件相对滑移的下限值 ，而、的高强螺栓连接件的哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 卷平均极限滑移则小于 规定的延性抗剪连接件相对滑移的下限值。与同直径同强度的其他螺栓连接件相比，因为预埋在 中的带垫加长套筒有效约束了高强螺栓杆的弯曲变形，导致其极限滑移相对较小。因此若在组合结构桥梁中应用该新型高强螺栓连接件，为满足钢 组合界面的滑移需求，同时减少抗剪连接件的数量，可采用较大直径的高强螺栓连接件。B12-N40-1B12-N40-2B12-N40-3700600500400300200100B20-N40-1B20-N40-2B20-N40-30 1 2 3 4 5 6 7 8 9相对滑移/mm荷载/kN700600500400300200