不同构造界面腐蚀对焊钉连接件承载力的影响

苏庆田， 陈思敏， 李　雨， 梁思寒

(同济大学 土木工程学院,上海 200092)



不同构造界面腐蚀对焊钉连接件承载力的影响

苏庆田， 陈思敏， 李雨， 梁思寒

(同济大学 土木工程学院,上海 200092)

摘要：为了研究不同构造的钢与混凝土界面在腐蚀环境下对焊钉连接件受力性能的影响,设计了6种不同构造的钢-混凝土结合面构造形式，并考虑钢与混凝土之间的滑移效应的影响，制作了24个试验试件，其中21个试件进行了盐雾腐蚀试验，3个试件处于正常环境中.通过推出试验，测试了各个试件中焊钉的荷载-滑移关系，得到了焊钉的抗剪承载力.试验结果表明,采用钢板厚度方向上外包混凝土构造形式的试件具有更好的抗腐蚀性能，焊钉具有更高的抗剪强度，腐蚀后单钉承载力平均值为177.6 kN，而在钢与混凝土界面产生初始滑动的试件具有较差的抗腐蚀性能，焊钉抗剪强度明显降低，腐蚀后单钉承载力平均值为153.3 kN，比没有滑移的试件降低9.6%.

关键词：焊钉； 腐蚀； 组合结构； 盐雾试验； 推出试验

钢-混凝土组合结构桥梁通过连接件把钢结构和混凝土结构有效结合达到协同受力的目的[1].应用到组合结构桥梁中的连接件有钢筋连接件、型钢连接件、焊钉连接件和开孔板连接件等[2]，由于焊钉连接件在传递水平剪力上没有方向性，成为组合梁中使用最为广泛的一种连接件形式.

自20世纪50年代后期焊钉连接件开始使用以来，国内外学者对其开展了广泛研究.其中相当多的一部分是通过大量推出试验对焊钉连接件的抗剪性能进行研究，包括不同直径焊钉的破坏模式[3]、不同混凝土强度对焊钉抗剪承载力影响[4]、大直径焊钉的静力性能与疲劳性能等[5-6]，也有通过一些数值分析方法研究焊钉连接件的受力特性[7-8].上述研究得到了焊钉的破坏机理和抗剪承载力计算方法，并较好地指导了工程设计.

钢结构长期暴露在空气中容易腐蚀，为了保证在桥梁服役期内各部分结构正常发挥作用，必须定期对钢结构进行防腐处理.在钢-混凝土组合梁中大部分的钢结构均可以在不同的时期进行涂装防腐，但是在与混凝土相接触的钢梁上表面由于混凝土的遮挡而无法在后期进行防腐处理.有关结合面处钢结构的防腐目前工程界中有三种不同观点：①认为钢与混凝土在服役期内紧密接触，钢梁上表面和焊钉不需要考虑防腐问题；②认为钢与混凝土会产生相对滑移(规范[9]上计算组合梁变形要求考虑该滑移)，潮湿空气等不利介质会侵入到钢与混凝土的结合面处，使得钢梁上表面和焊钉根部锈蚀，引起焊钉钉杆截面面积减小、焊钉材料强度降低，从而直接导致焊钉的抗剪承载力降低；③认为钢与混凝土在服役期内紧密接触，但是恶劣的环境会使得混凝土性能从交界面的边缘开始逐渐退化，当退化到连接件附近时焊钉的抗剪性能有所降低.这些观点从定性分析上均有一定的合理性，但是实际情况如何目前还没有研究.为此本文进行了6种不同构造钢-混凝土结合面的盐雾加速腐蚀试验和推出试验，分析研究了不同构造钢-混凝土结合面经过盐雾试验腐蚀后的受力性能.

1试验过程

1.1试件设计与制作

a 试件俯视图

b 试件立面图

为研究不同的钢-混凝土结合面构造对于结合面腐蚀情况的影响，设计如下6种不同构造的试件，分别为E20,E30,E50,E80,C2和C3，分别表示焊钉的边距e为20,30,50,80 mm及采用混凝土外包钢梁翼缘、采用橡胶密封的不同构造钢-混凝土结合面.不同试件的立面如图2所示.此外，一组边距为50 mm的试件不进行腐蚀试验，该组试件编号为T0.将一组边距为50 mm的试件的剪切面在进行盐雾腐蚀前进行150 kN的顶推，使钢-混凝土结合面产生错动，这组试件编号为F1.每组有3个相同的试件，共计24个试件，每组试件的具体信息见表1.

a 边距20 mm

b 边距30 mm

c 边距50 mm

d 边距80 mm

e 混凝土外包钢梁翼缘

f 橡胶条密封

试件组号试件个数构造特点腐蚀天数/d是否预滑移T03边距50mm0否E203边距20mm30否E303边距30mm30否E503边距50mm30否E803边距80mm30否C23混凝土外包钢梁翼缘30否C33橡胶条密封30否F13边距50mm30是

钢结构在工厂加工完毕后，进行混凝土的浇筑.在浇筑前先进行钢结构的除锈工作，除去表层已经出现的部分锈迹，混凝土浇筑模板的绑扎完毕后进行混凝土的浇筑工作.试件的制作流程如图3所示.

1.2盐雾试验

试件养护达到28 d以后，置入盐雾箱进行盐雾试验.试验按照相关规范规定进行中性盐雾试验.盐溶液质量分数为5%，pH值在6.5～7.2之间，温度为(35±2)℃，环境年平均相对湿度≥90%，要求盐雾的沉降率在1～2 mL·(80 cm2·h)-1之间，试验的腐蚀时间为30 d.该腐蚀条件相当于乡村环境下桥梁服役10年左右.

a 钢结构加工完毕

b 结合面除锈

c 模板制作

d 混凝土浇筑

图3试件制作过程

Fig.3Production process of specimens

试验在同济大学建筑耐久性试验室进行，如图4所示.

图4　盐雾实验室

1.3加载测试

采用了如图5所示的试验方法对试件进行推出试验.该装置为自平衡的反力系统，加载时千斤顶作用在T型钢翼缘上，使得钢翼缘上推力直接由焊钉以剪力的形式传递到混凝土中.在试件上设置了两个位移计测试钢与混凝土之间的滑移.

图5　试验加载体系

2试验结果

2.1材性试验

试件中的混凝土采用了桥面板中常用的C60强度混凝土，试验当天测得平均混凝土立方体抗压强度为65.3 MPa.直径22 mm焊钉的平均屈服强度和抗拉强度分别是343和429 MPa，伸长率为28.8%.

2.2推出试验破坏形态

所有推出试件的破坏形态均为结合面处焊钉剪断，没有发生混凝土的破坏现象.焊钉在结合面处的断裂情况如图6所示，结合面处的焊钉的断裂位置在焊钉焊缝的圆环内，断裂面光滑.

a 钢材

b 焊钉根部

c 混凝土

2.3腐蚀情况

当试件发生推出破坏后钢与混凝土之间分离，可以清楚观察到钢与混凝土界面的腐蚀情况.各组试件的具体腐蚀情况如图7所示(图中选取每组中较有代表性的一个试件).从图7中可以看出,钢-混凝土结合面中钢板已经发生部分锈蚀，锈蚀位置主要集中在试件翼缘与空气接触范围附近，内侧靠近焊钉部位的钢板锈蚀较少;T0试件仅暴露在空气中的钢板部分发生部分锈蚀，结合面未发生锈蚀；E20，E30，E50，E80试件均发生了一定量的锈蚀，锈蚀主要集中在结合面和空气接触范围附近，焊钉内侧位置发生锈蚀较少，E50试件锈蚀程度在4个试件中最低；C2,C3试件体现出良好的构造特点，结合面内仅发生少量锈蚀，C3试件可以看见明显的橡胶条痕迹；F1试件在结合面边缘位置发生一定锈蚀，中间区域未发生锈蚀.

a T0

b E20

c E30

d E50

e E80

f C2

g C3

h F1

2.4荷载-滑移曲线

推出试验中T型钢构件受到水平荷载作用后，所有的水平力由钢构件与混凝土间的焊钉以剪力的形式承担，焊钉发生剪切变形，焊钉的剪切变形即为钢与混凝土间的相对滑移.因此，荷载-滑移关系是直接反映焊钉抗剪性能的重要指标.图8是本次试验试件的荷载-滑移曲线.图中横坐标为每个试件上2个位移计的平均值.从图8中可以看出，所有推出试验的荷载-滑移曲线由4阶段组成，即未滑移阶段、弹性上升阶段、塑性上升阶段和下降阶段.未滑移阶段表现为刚开始施加荷载时，钢-混凝土之间并未脱开，随着荷载上升，钢与混凝土之间不产生位移.本试验中，此阶段会持续在50～200 kN之间，各个试件有一定差异.弹性上升阶段，荷载和滑移成线性关系，最大弹性荷载约为极限荷载的40%～50%，该阶段中的焊钉刚度较大，滑移量增长较小但荷载增长较快.在塑性上升阶段，荷载-滑移曲线呈现出明显的转折段，在该阶段中焊钉的刚度明显减少，滑移量增长较快但荷载增加较少，所有试件呈现出良好的延性.当试件达到最大承载力后进入了荷载下降阶段，该阶段荷载下降速度较快.

各个试件的荷载-滑移曲线总体趋势相似.由于焊钉是人工操作专用焊接器具进行焊接，每个焊钉焊接质量不能达到完全相同，各个试件的荷载滑移曲线也有所不同.其中有的试件最大位移未达到6 mm，有的试件最大位移可以达到10 mm.

2.5剪切承载力

a T0类试件

b E20类试件

c E30类试件

d E50类试件

e E80类试件

f C2类试件

g C3类试件

h F1类试件

试件组号焊钉抗剪承载力/kN试件1试件2试件3试件平均单钉平均T0658.1685.9690.1678.0169.5E20672.5609.1569.8617.1154.3E30620.2675.9677.0657.7164.4E50661.9646.8670.5659.7164.9E80677.8574.9629.4627.4156.8C2651.4774.4705.0710.3177.6C3655.3674.0641.7657.0164.3F1625.5629.4585.2613.4153.3

从表中数据可以发现,采用混凝土包裹钢板厚度这种构造方式的试件C2的单钉承载力最高，比没有腐蚀的试件T0高4.8%，表明这种界面构造具有更高的连接强度，采用橡胶条封闭的试件C3的单钉承载力比没有腐蚀时间T0的低3.1%；试件E20,E30,E50和E80界面发生腐蚀后,承载力比试件T0的略低，相差2.7%～9.1%不等，但是降低程度并没有与焊钉距离钢翼缘边缘的距离呈现直接关系，表明当焊钉距离钢翼缘边缘在20 mm以上时，界面腐蚀不会对焊钉抗剪承载力产生显著的影响；试件F1由于钢与混凝土之间先发生滑移再进行腐蚀，各组试验试件中其承载力最低，比试件T0的平均值要小9.6%，表明组合梁中钢与混凝土之间产生滑移后，界面容易受到不利介质的腐蚀影响，降低连接件的抗剪承载力.

3试件腐蚀前后抗剪承载能力计算

表3中给出了不同计算方法与试验结果的对比情况.从表3中可以看出,我国规范预估的焊钉极限承载力最低，美国的最高，各个规范计算的承载力均小于试验测试值.中国规范计算得到的富余度较欧美规范高.

表3　试件试验结果和计算结果

注：Pu,T为单钉抗剪承载力试验值；Pu(1)，Pu(2)，Pu(3)，Pu(4)分别按文献[11]，[12],[13],[9]中方法得到的单钉抗剪承载力计算值.

4结论

通过对焊钉连接件的盐雾加速腐蚀试验和8组推出试验得到如下结论：

(1) 钢-混凝土结合面在腐蚀后的抗剪承载力会有一定程度小幅下降，不同界面构造的结合面抗剪承载力下降有所不同.其中采用混凝土包裹钢梁上翼缘厚度的构造形式时，结合面抗剪承载力比其他构造形式的大，耐腐蚀性能较好；在本文所述的测试条件下，焊钉距离钢翼缘的距离在20 mm以上时，界面腐蚀对焊钉连接件抗剪承载力的影响不明显；当钢与混凝土界面产生滑移后，在同等腐蚀条件下，结合面抗剪承载力较未发生滑移的结合面低.

(2) 将现有不同规范中焊钉抗剪承载力计算结果与试验结果进行对比，结果表明,焊钉在乡村环境中盐腐蚀后仍符合规范要求.由于本文仅进行了盐腐蚀的试验测试，对于其他腐蚀环境的连接件承载力应进行进一步研究.

参考文献:

[1]聂建国. 钢-混凝土组合梁结构:试验、理论与应用[M].北京：科学出版社，2005.

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[2]吴冲.现代钢桥[M].北京：人民交通出版社，2006.

WU Chong. Modern steel bridge[M]. Beijing：China Communications Press,2006.

[3]Viest I M. Investigation of stud shear connectors for composite concrete-steel T-beams[J]. J Am Concr Inst, 1956,27(8):875.

[4]An Li, Cederwall Krister. Push-out tests on studs in high strength and normal strength concrete[J]. J Constr Steel Res, 1996,36(1):15.

[5]Shim Chang-Su, Lee Pil-Goo, Yoon Tae-Yang. Static behavior of large stud shear connectors[J]. Eng Struct, 2004,26:1853.

[6]Lee Pil-Goo, Shim Chang-Su, Chang Sung-Pil. Static and fatigue behavior of large stud shear connectors for steel-concrete composite bridge[J]. J Constr Steel Res, 2005,61:1270.

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[8]Ellobody Ehab, Young Ben. Performance of shear connection in composite beams with profiled steel sheeting[J]. J Constr Steel Res, 2006,62:682.

[11]CEN-European Committee for Standardisation. Eurocode-4 EN 1994 Design of composite steel and concrete structures. Part 1-1 General rules for buildings[S]. Brussels: CEN-European Committee for Standardisation, 2004.

[12]AASHTO LRFD. Bridge design specifications[R]. 3rd ed. Washington D C: American Association of State Highway and Transportation Officials, 2004.

Influence of Corrosion with Different Connecting Configuration on Shear Bearing Capacity of Stud

SU Qingtian, CHEN Simin, LI Yu, LIANG Sihan

(College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract：In order to study the influence on static behavior of stud connector with different configuration layouts between the steel-concrete interface under corrosion environment, six types of layout were designed considering the relative slip between the steel and concrete. 24 specimens including 21 specimens under corrosion environment and 3 under normal environment were fabricated and used in the push-out test. The relationship between load and slip was tested during the push-out test, and the shear bearing capacity were measured. The results show that the structure with steel wrapping the concrete has a better corrosion resistance. The specimens with such layout has a higher shear resistance, and the average capacity of single stud is 177.6 kN. When the interface is slipped before the corrosion, the shear resistance is reduced compared to other specimen without pre-slip, and the average capacity of single stud after corrosion is 153.3 kN which is 9.6 percent less than the specimens without pre-slip.

Key words：stud; corrosion; composite structure; salt spray test; push-out test

收稿日期：2015-06-26

基金项目：国家“九七三”重点基础研究发展计划(2013CB036303)

中图分类号：TU375

文献标志码：A

第一作者： 苏庆田(1974—)，男，教授，博士生导师，工学博士，主要研究方向为钢桥及组合结构桥梁.E-mail: sqt@tongji.edu.cn