竹-混凝土组合结构螺钉剪力连接件推出试验研究*

俞　宏　吴文清　张立志　车慧敏

(江苏省南京市交通运输局1)　南京　210008)　(东南大学交通学院2)　南京　210096)

(江苏省交通规划设计院股份有限公司3)　南京　210005)

(中国市政工程西北设计研究院有限公司江苏分院4)　南京　210019)

竹-混凝土组合结构螺钉剪力连接件推出试验研究*

俞宏1)吴文清2)张立志3)车慧敏4)

(江苏省南京市交通运输局1)南京210008)(东南大学交通学院2)南京210096)

(江苏省交通规划设计院股份有限公司3)南京210005)

(中国市政工程西北设计研究院有限公司江苏分院4)南京210019)

摘要：为了充分利用环境友好型材料竹材，文中提出了竹材-混凝土组合结构桥面板，即以抗拉强度较高的竹胶板作为受拉区,而以抗压强度较高的混凝土作为受压区，2种材料界面处采用螺钉剪力连接件而形成竹-混凝土组合结构板.为了掌握竹-混凝土组合结构螺钉剪力键的抗剪承载能力等基本力学性能，完成了9组共27个推出试件的推出试验，综合研究了螺钉的直径、钉入角度、顺纹向排列间距对螺钉连接件抗剪承载能力的影响，并对推出试验数据进行了拟合处理分析，提出了该螺钉剪力键的抗剪承载能力、抗剪刚度计算公式,以及螺钉剪力键荷载-滑移曲线的函数表达式，为该类型剪力连接件在竹-混凝土组合结构的实际应用提供必要的前提.

关键词：竹-混凝土组合结构；螺钉剪力连接件；抗剪承载能力；抗剪刚度；界面滑移

俞宏(1971- )：男，高级工程师，主要研究领域为新材料与新型桥梁结构

0引言

在组合结构中剪力连接件在组合结构中起着重要的连接和传力作用，主要用来承担竹胶板与混凝土之间的纵向水平剪力，并抵抗两者之间的掀起作用.由于抗剪连接件受力比较复杂，不易采用理论推导方法确定其承载能力及其他性能指标，一般通过试验的方法获得.与竹-混凝土组合结构相类似的木-混凝土组合结构，在国内外已有较多的研究成果可供竹-混凝土组合结构的发展借鉴使用.至目前为止，木-混凝土组合梁中的剪力连接件种类繁多，根据国外各类木结构连接件设计规范，大体可分为：钉类、螺钉、螺栓和销类剪力连接件等[1].本文主要针对竹-混凝土组合结构的螺钉剪力连接件基本力学性能展开试验研究.

目前国内外螺钉连接件的抗剪承载能力及抗剪刚度计算公式没有统一的形式，更没有细化到木-混凝土组合梁螺钉连接件的计算.文献[2-4]均认为螺钉连接件的特征刚度值有3个，分别为在荷载作用达到40%,60%,80%极限荷载时荷载-滑移曲线的割线斜率K0.4,K0.6,K0.8，其中假定K0.4为连接件的初始刚度，K0.6可用于正常使用极限状态下的刚度计算，在此之前为构件为弹性工作状态，K0.8可用于承载能力极限状态下的刚度计算.Dias[5]通过试验得到了螺钉剪力键极限荷载及其屈服荷载的计算模型，该模型被Eurocode5所采用，计算模型考虑了木材顺纹抗压强度、混凝土抗压强度以及螺钉的抗拉强度及尺寸的影响.

借鉴木-混凝土组合结构的发展，本文提出了竹-混凝土组合结构桥面板，即以抗拉强度较高的竹胶板作为受拉区而以抗压强度较高的混凝土作为受压区组成组合结构板，充分发挥2种材料各自的特性，有效提高结构刚度，降低结构变形.在竹胶板与混凝土两种材料的界面处采用螺钉剪力连接件，属于非连续柔性连接件.

由于本文提出的竹胶板-混凝土组合结构未见相关研究成果，对其剪力连接件的抗剪承载力尚没有确定的计算公式，所以需要根据试验确定其屈服承载能力、极限承载力及其他设计参数.本文将采用推出试验来研究螺钉剪力键的抗剪承载能力的影响因素、螺钉剪力键抗剪承载能力的计算公式、螺钉剪力键荷载-滑移曲线的函数表达式，以及抗剪刚度确定方法等.

1竹-混凝土组合结构的剪力连接件推出试验

1.1推出试件的设计

根据文献[6-8]及具体研究工程实际、试验室现有试验材料，设计以下竹胶合板-混凝土组合结构的剪力推出试件，共9组27个试件，每组3个试件，推出试件示意图见图1，竹胶板尺寸为136 mm×200 mm×60 mm，混凝土尺寸为136 mm×200 mm×200 mm，其他参数见表1.

图1　剪力推出试件示意图(单位：cm)

编号螺钉直径/mm螺钉横向间距/mm螺钉纵向间距/mm螺钉与构件表面夹角/°I类II类III类BC185090BC2105090BC3125090BC4105045BC51050-45 BC610505090BC710507090BC8105010090BC9无螺钉,竹胶板和混凝土自然粘结

螺钉连接件的钉入角度见图2.当角度为正时，螺钉连接件受压剪力；当螺钉角度为负时，螺钉连接件受拉剪力.

图2　螺钉钉入角度示意图

1.2试验装置及加载方案

加载装置：本次试验在TYA-2000型电液式压力试验机上进行.推出试件主要测量混凝土与竹胶板之间的滑移，本文试验中忽略竹胶板受压的变形值，认为螺钉连接件的滑移量就等于试验机压力板的向下位移.因此在试件左右两侧分别用百分表测量压力板的位移，取两侧百分表读数的平均值作为螺钉剪力键两种材料之间的相对滑移值.

加载方案：由于TYA-2000型电液式压力试验机是手动控制油压加载，在试件出现较大位移时，压力机的压力板会与试件脱离，荷载不再增加，故认为压力机荷载不再增加时实验结束，此时所对应的荷载为推出试件的最大承载力.先进行预加载，观测各个点数据是否合理，然后及时进行调整，确认无误后开始正式加载.整个加载过程的加载速率为5 880 N/min，当荷载不再增加即试件出现较大滑移变形停止加载.

1.3试验结果

依据各组剪力件的试验数据所绘制的单个螺钉剪力键的荷载-滑移曲线，见图3.

分析各组试件螺钉连接件的荷载-滑移曲线可得：

1) 试件从加载到破坏共经历了2个受力阶段，在加载初期，试件处于弹性阶段，此时荷载-滑移曲线基本上呈线性关系，当荷载加至屈服点时，试件进入塑性阶段，该阶段变形速度明显加快.

2) 其极限荷载随着螺钉直径的增大有明显的增加，加大螺钉直径对于提高螺钉剪力连接件的极限承载力十分有效.

3) 由BC-2,BC-4,BC-5三组试验结果表明，当螺钉与竹胶板表面的夹角由45°(压剪状态)、90°(纯剪状态)变化至-45°(拉剪状态)时，连接件的极限承载力显著增大，即当螺钉处于拉剪状态时，其极限承载力大于纯剪及压剪状态，该实验现象后续通过有限元分析重点进行解释.

图3　推出试件荷载-滑移曲线

图4　螺钉连接件承载能力的取值方法

4)由图3f)～图3h)所示极限承载力的比较来看，螺钉沿剪切方向的布置间距大小对其单个螺钉剪力连接件极限荷载影响不大.

虽然剪力连接件的极限承载力可通过试验数据直接获得，但是屈服承载力难以从荷载-滑移曲线上直接得到.根据文献[9-10]，螺钉连接件屈服点的位置可通过5%的偏移量来确定,即荷载-滑移曲线与一平行线的交点即为屈服点，该平行线与其线性阶段切线相平行，且平行线的偏移量为螺钉直径的5%，见图4.依据该方法，计算各工况下的单个螺钉连接件屈服荷载，见表2.

由表2数据分析可得：

1) 单个螺钉剪力连接件的屈服荷载为其极限荷载的65%，屈服荷载随着螺钉直径的增大有明显的增加，如直径最大的BC3组试件，其屈服承载力最高；当螺钉处于拉剪状态(BC5)时，其屈服荷载大于纯剪(BC2)及压剪状态(BC4),且纯剪状态(BC2)时承载力大于压剪状态(BC4)时承载力，即从屈服承载力的递增顺序是：压剪状态纯剪拉剪状态，说明在同样直径状态下，螺钉处于拉剪状态下的屈服承载力最高；螺钉沿剪切方向的布置间距对其单个螺钉剪力连接件屈服荷载影响不大.

2) 单个螺钉剪力连接件的屈服滑移约为极限滑移的32%,说明后续塑性变形仍较长，剪力件延性较好.

3) 与对承载能力的影响不同，螺钉直径对屈服位移值的影响很小，几乎不变；螺钉沿剪切方向的布置间距对其剪力连接件屈服位移影响也不大；当螺钉与竹胶板表面的夹角为45°(BC4压剪状态)、-45°(BC5拉剪状态)时，其屈服位移均小于纯剪状态，但是这种状态与屈服承载力的变化没有相关性.以上事实说明，螺钉剪力连接件的屈服承载力变化与屈服位移之间缺乏相关性.

表2　单个螺钉连接件的极限承载能力和屈服承载能力

2竹-混凝土螺钉连接件的承载能力计算方法研究

2.1单个螺钉连接件承载能力建议公式

虽然实验数据的处理表明，螺钉剪力连接件的屈服承载力是极限承载力的0.6倍，但是没有相应的承载力设计计算公式，尚不能用于实际工程.本文参照文献[5]提出的计算公式，利用推出试验所得到的数据，通过拟合处理的方法，确定本文的单个螺钉连接件极限承载力计算公式

(1)

式中： β为混凝土的极限抗压强度与竹胶板顺纹方向极限抗压强度之比；Mu为螺钉极限抗弯承载力，kN·m；fh为竹胶板顺纹方向极限抗压强度，MPa；d为螺钉直径，mm.

基于同样的方法，得到单个螺钉连接件的屈服承载力计算公式为

(2)

式中： My为螺钉屈服抗弯承载力，kN·m.

本文中螺钉的极限抗拉强度为400 MPa，屈服强度为180 MPa.由式(1),(2)，计算屈服荷载与极限荷载比值Fy/Fu为0.65.

即按式(1),(2)计算得到螺钉剪力键的屈服荷载为其极限荷载的65%，与文献[9-10]中通过5%的偏移量确定螺钉剪力键屈服点的位置所得到的结果一致，由此说明上述螺钉剪力连接件的抗剪承载力计算公式是合理可行的.

2.2荷载-滑移曲线建议公式

参照文献[11] ，对本文推出试验的数据进行回归拟合[12]，回归得到的荷载-滑移曲线见图5.螺钉连接件的荷载-滑移曲线可表示为

(3)

式中：F为单个螺钉连接件所承受的剪力，kN；Fu为单个螺钉剪力键的极限荷载，kN；S为与所承受的剪力相应的滑移量，mm.

图5　荷载-滑移曲线回归拟合曲线

2.3单个螺钉连接件刚度K的取值

本文取60%极限荷载(即稍小于屈服荷载点)处的割线刚度作为抗剪刚度，令(1-e-0.3s)0.8=0.6，可得：

s0.6=2.832

Fu/2.832=0.226Fu

(4)

式中：K0.6为荷载达到螺钉连接件极限荷载60%时的抗剪刚度，定义为螺钉的抗剪刚度，MPa；s0.6为荷载达到极限荷载60%时的竹胶板与混凝土板间的相对滑移，mm.

3结论

1) 试件从加载到破坏共经历了2个受力阶段，在加载初期，试件处于弹性阶段，此时荷载-滑移曲线基本上呈线性关系，当荷载加至屈服点时，试件进入塑性阶段，变形速度明显加快.

2) 单个螺钉的抗剪承载能力随着螺钉直径的增大有明显的增加，加大螺钉直径对于提高螺钉剪力连接件的承载力十分有效；当螺钉处于拉剪状态时，其承载能力大于纯剪及压剪状态；螺钉沿剪切方向的布置间距对其单个螺钉剪力连接件的承载能力影响不大.

3) 通过5%的偏移量来确定单个螺钉剪力连接件的屈服荷载仍然适用，分析表明单个螺钉连接件的屈服荷载为其极限荷载的65%，屈服滑移约为极限滑移的32%.

参 考 文 献

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Research of Push-out Test on Screw Connector

of Bamboo-concrete Composite Structure

中图法分类号：TU366.3

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.016

收稿日期：2014-10-22

YU Hong1)WU Wenqing2)ZHANG Lizhi3)CHE Huimin4)
(NanjingCityTransportationBureauofJiangsuProvince,Nanjing210008，China)1)
(SchoolofTraffic,SoutheastUniversity,Nanjing211189，China)2)

(JiangsuCommunicationsConsulting&DesignInstitute,Nanjing210005，China)3)

(ChinaNorthwestMunicipalEngineeringDesign&

ResearchInstituteCo.,Ltd.JiangsuBranch,Nanjing210019，China)4)

Abstract：In order to make full use of environmental friendly materials of bamboo, a bamboo - concrete composite bridge deck is presented firstly in this paper, that is bamboo plywood with a higher tensile strength works as tension zone and concrete with higher compressive strength works as compression zone,bamboo-concrete composite structure is shaped with screw shear connectors in two kinds of materials at the interface.For grasping the basic mechanics such as shear bearing capacity of screw shear connector on bamboo-concrete composite structure , nine groups of push-out specimens have been tested in this paper , the comprehensive study of the influence of diameter, screw into the angle, longitudinal direction spacing on the screw shear bearing capacity were conducted. A fitting analysis is conducted to the push out test data, the calculating formula of shear capacity and shear stiffness, as well as the function expression of load-slip curve of screw shear connector are all proposed, which will provides the necessary premise in the actual application of bamboo - concrete composite structure with this type of shear connection.

Key words：bamboo-concrete composite structure; screw shear connector; shear capacity; shear stiffness; interface slip

*国家自然科学基金项目资助(批准号：51078079)