S-PC剪力键荷载-滑移规律实验

唐 亮， 周志祥， 徐 建， 向 红

(重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074)

0 引言

钢混组合结构是在钢结构与钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构，它通过剪力键将钢与混凝土两种不同的材料连接起来，用以抵抗在各种载荷作用下，钢和混凝土之间的滑移和分离，使两者协同工作。随着组合结构的应用日趋广泛，剪力连接件的研究也愈加受到重视。本文中所提出的S-PC剪力键特点在于:剪力键与钢箱的固接是通过后浇混凝土来实现的。这使得S-PC剪键有诸多优点:能够使用预制桥面板，能够对桥面板单独张拉预应力，能够防止负弯矩区的开裂等，是一种适合于装配式钢箱-预应力混凝土组合连续刚构桥的刚性剪力键。在以往学者研究中[1-4]，不论是带头栓钉式的柔性剪力键或是槽钢式的刚性剪力键，都集中于剪力键自身及混凝土的强度，而鲜有后浇混凝土对其性能影响。为了更好地掌握和了解联结混凝土桥面板和钢梁的S-PC剪力键的工作性能，特别是后浇混凝土对其性能影响，需要试验研究S-PC剪力键的变形性能，加载全过程中荷载-滑移规律，了解S-PC剪力键以及后浇混凝土的工作性能，获得S-PC剪力键的荷载-滑移曲线和破坏形态，为SBPC组合连续刚构桥的设计提供可靠数据。本试验对两组5个试件进行了推出试验，并根据实验结果提出了S-PC剪力键荷载-滑移关系计算公式，最后利用有限元软件进行了全截面应力的计算模拟。

1 试验

本试验设计了两类共5个试件，第一类有3个试件，每个试件设计为正反两面各2个剪力键，编号分别为N1，N2，N3。第二类每个试件设计为有2个剪力键，相当于第一类试件中N1，N2试件的半个模型，尺寸参数与N1，N2试件对应部分相同，编号分别为:N1A、N2A。

剪力键采用5号槽钢，高度5 cm，考虑到是竖向加载的推出试验，故简化了S-PC剪力键的环形锚固钢筋，用直径8的直钢筋焊接于5号槽钢上面予以代替。其中，对N2和N2A试件的槽钢剪力键倒外圆角。全部试件中间的钢构件均为工字形构件，工字形构件上、下各有一块钢板封端，钢板厚度均为6 mm。全部试件混凝土板均为预制板，预制时预留剪力键孔，装配完成后再现浇筑剪力键孔中的混凝土。推出实验试件的代表性型式构造见图1，装配完成并浇筑后见图2。

图1 试件N1及N1A形式及构造图(mm)

加载试验前预估算得到每类剪力键的名义设计承载力F，先按0.2F预压2次，每次持荷5 min，以消除非弹性变形的影响。预压完成后进入正式加载测试工况，典型加载工况如表1所示。

表1 N1推出试件加载工况

图2 装配试件后浇筑剪力键孔

剪力键试件的加载在重庆交通大学结构实验中心的万能试验机上进行，位移测量装置布置在剪力键处和两对剪力键之间，共用6个百分表进行测量，对N1A和N2A试件，位移测量点布置在剪力键处，共2个百分表测点，如图3所示。

图3 试件测点布置图

2 试验结果分析

2.1 实测荷载-滑移曲线

图4所示曲线为N1、N2、N3试件中部(即图3中测点2、5)的荷载-滑移曲线平均值，中部的荷载-滑移曲线能更好地体现试件的平均滑移。可以看出，在加载初期，曲线陡直，呈线性;随之曲线斜率缓慢变小，表现出明显的非线性;继续加载，曲线斜率逐渐变小，趋于较小的恒定斜率值。根据S-PC剪力键的曲线特征，将其工作阶段划分为弹性、弹塑性和塑性阶段。

图4 N1、N2、N3试件中部的荷载-滑移曲线

2.2 试件破坏形态

试件加载全过程中，当荷载首次达到0.33Qu时(Qu为S-PC剪力键抗剪强度)，剪力键孔边出现一条很短的裂缝，随着荷载增加，混凝土板表面也出现了少量短裂缝，整个过程裂缝发展缓慢且数量极少，如图5(a)所示。由于是装配式构件，加载过程中没有观察到钢与混凝土的剥离，几乎没有破裂的响声。可以认为，当荷载小于0.33Qu时试件为理想弹性工作阶段。

当荷载增至0.4Qu时，剪力键预留孔内侧角隅出现细微裂缝;荷载在0.5Qu内循环反复加载时，裂缝宽度增加不明显，试件也可近似认为在弹性工作阶段。

当荷载在(0.5 ～0.7)Qu时，特别是从 0.7Qu增加至1.0Qu时，裂缝宽度、条数和滑移量均显著增加，在剪力键周围及下方的混凝土表面出现水平裂缝、斜裂缝和竖向裂缝，试件进入破坏阶段，如图5(b)所示。随着荷载的进一步加大，剪力键下方的裂缝迅速发展，并伴有轻微的响声，最后剪力键因混凝土受压破坏而丧失承载力，如图5(c)所示。

图5 试件破坏全过程图示

2.3 S-PC剪力键荷载-滑移关系

影响S-PC剪力键荷载-滑移关系的主要因素有剪力键的抗剪强度、剪力键外荷载Q、剪力键的外型特征、剪力键的间距等。综合所得试验数据，对试验结果进行回归分析，此处分析所用滑移值为上、下剪力键处的平均滑移值，将各滑移曲线进行拟合，建立S-PC剪力键荷载-滑移曲线关系式:

式中:S为S-PC剪力键与混凝土交界面处滑移值，mm;Qu为S-PC抗剪强度;Q为试件荷载，kN。以N3试件为例实测均值与计算值对比曲线如图6所示。

3 有限元模型建立

通过有限元软件ABAQUS进行计算，进一步深入研究S-PC剪力键的工作性能和特点，建立有限元模型如图7所示。模型分别由预制混凝土板、钢筋、工字形钢构件及剪力键构成。混凝土本构关系采用《混凝土结构设计规范》的单轴受拉和单轴受压应力-应变关系，工字形钢构件、剪力键和钢筋的本构关系采用钢材的弹性-塑性强化模型[5-8]。

图6 N3计算值与实测值对比

混凝土板、工字形构件及剪力键采用实体单元模拟，钢筋采用桁架单元模拟。剪力键与混凝土板的连接方式采用嵌入，剪力键与混凝土交界面采用接触分析[9-12]。加载方式及边界条件与试验条件相同，在工字形钢构件顶端加载，两块混凝土板下端支承。

从图8所示的混凝土板中取C截面，距离剪力键承压面40 mm，沿截面的应力分布位置由xoy坐标系确定，x轴代表混凝土板宽度方向，y轴代表板厚度方向，应力图中的位置采用该xoy坐标系确定。

截取荷载分别为 205 kN(0.33Qu)和 435 kN(0.7Qu)时，混凝土板沿截面C的最大主应力和最小主应力分布如图9所示。

从图中可以看出，最小主应力，即压应力主要分布在剪力键下面的核心受压区，离开剪力键一定区域后，压应力迅速扩散变小。最大主应力即拉应力的最大值出现的区域，与试验中混凝土板出现的八字形斜裂缝的位置相对应。

图7 试件的有限元模型

图8 应力取值位置

图9 C截面的主应力

沿剪力键承压面中心线(图10所示x方向)和剪力键棱边(图10所示y方向)位置截取剪力键的Mises应力分布，如图11所示。

图10 应力取值位置

从图11可以看出，S-PC剪力键是一种刚性剪力键[13-14]，承压面中心和棱边的应力分布差别不大，而根部应力大，离根部越远应力快速变小，剪力键的抗剪力分布主要集中在剪力键根部位置。随着荷载的加大，剪力键上的应力也增大，曲线整体向右移动。注意到，剪力键棱边的上端出现应力曲线的反弯[15]，这是因为荷载较小时，整个剪力键像悬臂梁一样受力，根部最大，末端最小，没有反弯现象发生;当荷载较大时，剪力键相对于焊接剪力键的钢构件发生了一定的转动，由于剪力键里面的混凝土在剪力键端部约束变弱，剪力键末端受力增加，形成了弯剪共同作用，使得应力曲线出现了反弯现象。

4 结语

本文所做S-PC剪力键的推出试验表明，当荷载小于0.33Qu时，试件近似为理想弹性工作阶段，卸载后残余滑移近似归零;荷载在0.5Qu内循环加载时，试件为近似弹性工作阶段，裂缝宽度和残余滑移量增加均不明显;当荷载达0.5～0.7Qu时，试件进入弹塑性工作阶段;当荷载从0.7Qu增加至Qu时，试件进入破坏阶段，裂缝宽度、条数和滑移量均明显增加直至破坏。

图11 承压面Mises应力

根据试验数据进行回归分析得到S-PC剪力键的荷载-滑移关系，其计算值与实测值吻合良好。对SPC剪力键试件通过实体有限元建模，利用ABAQUS通用有限元软件的分析结果与试验测试结果符合较好。依据有限元分析结果，揭示了S-PC剪力键的传力机制和不同部位及方向的应力分布规律，为这种后浇混凝土的S-PC剪力键的研究和应用打下了基础。

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