装配式钢-混凝土组合结构抗剪性能试验研究

孙艳宁，李树忱，孙国富，王修伟，王九公

(1 山东大学齐鲁交通学院岩土工程系， 济南 250061； 2 山东交通学院交通土建工程学院， 济南 250061)

0 引言

随着我国社会经济建设的不断推进，建筑的“轻型化”、“装配化”是不容轻视的发展趋势。传统的整体式现浇钢-混凝土组合结构(图1(a))，具有整体性好、强度高的优点，但是需要现场浇筑混凝土；而装配式钢-混凝土组合结构(图1(b))的钢构件和混凝土构件皆于施工前在工厂预制，运至现场安装，从而缩短工期，降低施工操作难度，减少了现场浇筑后混凝土徐变引起的开裂等问题，具有越来越好的发展前景。

图1 钢-混凝土组合结构

对于传统的整体式现浇钢-混凝土组合结构，国内外学者进行了一系列的试验研究：Slutter[1]通过对比梁式试验和推出试验结果，认为推出试验结果可用于判断剪力连接件极限受剪承载力；聂建国等[2]通过纵向抗剪试验研究，给出钢-混凝土组合梁横向配筋率为0.64%的建议；Xue等[3]通过单调荷载作用下的推出试验，研究了混凝土强度、栓钉直径、钢梁类型对栓钉破坏形态、机理、滑移规律和极限受剪承载力的影响；周绪红等[4]通过有限元分析，推导了栓钉连接件的极限受剪承载力计算方法；丁发兴等[5]通过推出试验和有限元分析，研究了栓钉直径和屈服强度对栓钉连接件承载力的影响；赵根田等[6]通过对比重复荷载和单调荷载作用下的推出试验，分析了栓钉直径和混凝土强度等级对栓钉连接件抗剪性能的影响。

对于新出现的装配式钢-混凝土组合结构，国内学者也进行了一些研究：钟琼等[7]提出了一种预留孔灌注砂浆的预制装配式钢-混凝土组合梁；李成君等[8]、杨未蓬等[9]针对一种装配式组合结构(Prefabricated Composite Shear Stud，PCSS)，考察了其抗剪机制，并对剪力钉核心区的混凝土进行力学分析，提出其承载力计算方法。但是，目前对于其他新型的装配式钢-混凝土组合结构的研究仍然还存在很多不足。

本文以一种新型的装配式钢-混凝土组合结构为研究对象，该结构连接方式采用不同于传统栓钉的连接方式，而是采用预制混凝土板预留连接槽、栓钉均布的连接方式；该结构的制作方式如下：在钢梁上焊接栓钉，混凝土板在工厂预制，将二者运至施工现场进行定位拼装，拼装完成后，在连接槽内灌注自密实微膨胀混凝土形成一个整体。本文通过推出试验，对比整体式现浇钢-混凝土组合结构和装配式钢-混凝土组合结构的破坏模式和抗剪承载能力，并考虑新旧混凝土结合面力学参数，研究装配式钢-混凝土组合结构抗剪性能。

1 试验概况

1.1 试件设计

本次试验共设计了4组共12个试件，分为两类：一类是整体式现浇钢-混凝土组合结构试件(简称整浇式试件)，另一类为装配式钢-混凝土组合结构试件(简称装配式试件)，装配式试件基于Birkeland[10]界面摩擦抗剪理论以界面粗糙程度和钢筋直径为变量进行设计。试件尺寸均为75cm×120cm×80cm，试件构造尺寸见图2，具体试件参数见表1；根据试验机加载能力及工程实际，栓钉布置为3排4列，栓钉规格为φ22×150。

图2 试件构造尺寸

试件构造参数 表1

两类试件均采用侧立的方式进行浇筑，立模绑扎钢筋后，整浇式试件直接进行现场混凝土浇筑。装配式试件先浇筑预制混凝土板，养护拆模后，按试件分组对新旧混凝土结合面使用混凝土表面毛糙剂处理，再以预制混凝土板为模板在连接槽内浇筑自密实微膨胀混凝土，与工程实际一致，不进行振捣。

试件工字钢采用Q345D钢材，混凝土板采用C50混凝土，板内钢筋均采用HRB400级钢筋，除抗剪钢筋以外的其余钢筋直径均为20mm。浇筑试件时同时浇筑150mm×150mm×150mm的标准立方体试块，并与试件同条件养护，在试验当天进行抗压强度试验。试验测得，预制混凝土板的抗压强度为68.2MPa，灌注自密实微膨胀混凝土抗压强度为69.4MPa。栓钉材质为ML15，材质及其焊接工艺等符合《电弧螺柱焊用圆柱头焊钉》(GB/T 10433—2002)要求，材料极限强度为400MPa，屈服强度为320MPa，弹性模量为203GPa。

1.2 测点布置和加载制度

试验中在钢板和混凝土之间安装百分表测量试件工字钢-混凝土相对位移，具体测点布置见图3。试验时，在试件栓钉中心位置对应的混凝土位置上贴上角钢，并将百分表基座固定在工字钢上，百分表指针指向角钢。数据通过传感器由计算机采集。试验正式加载前，对试件进行两次预加载，预加载荷载为60kN，以消除弹性变形，并保证各部分接触紧密。正式加载采用荷载控制，以4kN/s的加载速度加载至2 400kN；再以2kN/s的加载速度继续加载，直至工字钢-混凝土相对位移不再增加，视为试件完全破坏。试件加载装置见图4。

图3 测点布置图

图4 加载装置

2 试验结果与分析

2.1 破坏形态

整浇式和装配式两类试件破坏模式区别较大。破坏形态如图5所示。整浇式试件破坏状态表现为栓钉被剪断，钢板与混凝土分离，并伴有局部混凝土压碎和混凝土裂缝；栓钉由上至下其剪切破坏面逐渐减小，栓钉根部存在一定程度的混凝土压碎：在加载至极限荷载的80%左右时，混凝土正立面裂缝出现；在加载至极限荷载的90%时裂缝迅速扩展，主要表现为由底部竖向向上扩展至栓钉中心位置附近，然后斜向外侧向一角发展，同时顶部裂缝由钢板侧向外侧发展，呈八字形，混凝土与钢板连接一侧的裂缝由上下两角贯穿最外侧一排栓钉；而后，栓钉开始发生断裂，试件达到极限荷载。相比之下，装配式试件则大不相同，在试件达到极限荷载时，混凝土出现明显纵向裂缝；试件组PY-20顶部出现裂缝，裂缝沿新旧混凝土界面延伸，同时后浇混凝土表面出现细小裂缝；试件组PN-20和PN-14 表现为明显的混凝土剪切破坏及新旧混凝土结合面分离，栓钉发生剪切变形，部分栓钉剪断，栓钉根部有混凝土压碎；而且试件组PN-14相对于试件组PN-20，其混凝土破碎程度更大。

图5 各试件组破坏形态

从试件破坏形态来看，整浇式试件的破坏为栓钉破坏，混凝土整体性较好；装配式试件则主要表现为混凝土剪切破坏，新旧混凝土结合面粗糙程度对试件和破坏形式有很大影响，增加粗糙程度和抗剪钢筋直径可增加结构整体性。

2.2 荷载-滑移曲线

推出试验中，荷载使工字钢向下移动，工字钢与混凝土之间形成竖向力，使彼此发生相对错动，图6为本次试验中试件的荷载-滑移曲线，并选取每组典型试件的全过程荷载-滑移曲线进行分析。其中工字钢-混凝土相对位移为试件4个位移计测得的平均值。

由图6可以看出，整浇式试件和装配式试件的荷载-滑移曲线表现出明显的区别；就极限受剪承载力而言，整浇式试件高于装配式试件；就荷载-滑移曲线而言，两类试件都可分为三个阶段，即弹性阶段、塑性阶段和下降阶段，如图6(e)所示；在弹性阶段，表现为荷载迅速增加，滑移增加小，整浇式试件在弹性阶段的荷载能达到极限荷载的85%～90%，而装配式试件在弹性阶段的荷载只能达到极限荷载的50%～70%；在塑性阶段，则表现为荷载增长较慢，滑移迅速增加，整浇式试件塑性变形为1～6mm，而装配式试件则约为0.5～10mm，装配式试件塑性滑移高于整浇式试件，延性更好；在下降阶段，整浇式试件荷载较缓慢下降，滑移缓慢增加，而装配式试件荷载迅速下降，承载力迅速减小，几乎没有滑移。

图6 荷载-滑移曲线

由图6(b)～(d)可以看出，装配式试件中，试件组PY-20的弹性阶段长于试件组PN-20，前者荷载能达到极限荷载的65%，后者荷载则约为极限荷载的55%，后者荷载-滑移曲线在弹性阶段斜率小，滑移增加更快。就塑性阶段而言，试件组PY-20滑移最大，其次是试件组PN-20，最小的为试件组PN-14。

2.3 极限受剪承载力和滑移性能

试件的极限受剪承载力Pu′、极限受剪承载力对应的滑移Su、特征滑移St以及极限滑移Smax的试验结果见表2，其中特征滑移为荷载下降到极限荷载的85%时的滑移，极限滑移为加载至试件完全破坏时的滑移。从表中可以看出，整浇式试件和装配式试件在极限受剪承载力和滑移性能上有明显的区别。

极限受剪承载力和滑移试验结果 表2

相对试件组C-20，试件组PY-20的平均极限受剪承载力下降约20.6%；相对试件组PY-20，试件组PN-20的平均极限受剪承载力下降约5%，而试件组PN-14的平均极限受剪承载力下降约10.7%。

就滑移性能来说，装配式试件的滑移比整浇式试件有所增大，试件组PY-20，PN-20，PN-14的极限滑移分别比试件组C-20增大了17.7%，8.6%及7.1%，特征滑移均增加了74%左右。欧洲规范Eurocode-4[11]规定，特征滑移超过6mm时，剪力连接件可视为延性连接件，试件的滑移量是判断剪力连接件延性好坏的依据。由表2中可知，此装配式组合结构并没有改变栓钉作为剪力连接件的延性性质，而且装配式组合结构的延性得到明显改善。

3 受力机理分析

为了研究装配式试件在整个试验加载过程中荷载-滑移曲线特性，结合新旧混凝土面力学特性，对试件进行力学分析。

对于有植筋的新旧混凝土结合面，Birkeland[10]界面摩擦抗剪理论(图7)认为，新旧混凝土结合面为锯齿状，在新旧混凝土结合面即将产生剪切位移时，因为结合面的粗糙性，界面会有张开的趋势，而穿过该界面的钢筋会因变形受到拉力反作用于界面上，使界面压紧，产生摩擦力来抵抗剪力，界面极限受剪承载力计算如式(1)所示。

图7 Birkeland[10]界面摩擦抗剪理论示意图

Vn=Avffytanφ=Avffyμ

(1)

式中：Vn为界面极限受剪承载力；Avf为抗剪钢筋截面面积；fy为植入钢筋的抗拉屈服强度；μ为界面摩擦系数，μ=tanφ，φ为摩擦角。

由式(1)可知，界面摩擦系数和植入钢筋的直径为决定新旧混凝土结合面极限受剪承载力的主要因素。

结合试验结果分析，在试验加载初期，试件处于弹性阶段，荷载-滑移曲线呈线性增长，装配式试件因新旧混凝土结合面上摩擦和植筋的共同作用，其整体性和强度较高。装配式试件和整浇式试件荷载-位移发展规律呈现出相似的形式。随荷载逐步增加，工字钢向下的位移增加，新旧混凝土结合面处开始产生抵抗剪切的变形和剪力，滑移增加，装配式试件进入塑性阶段，而整浇式试件继续保持弹性。随荷载继续增加，栓钉开始发生剪切变形，混凝土开始出现裂缝，整浇式试件滑移开始加大，进入塑性阶段。而此阶段装配式试件因为新旧混凝土结合面的存在，滑移迅速增加，也由于结合面摩擦性质和抗剪钢筋的锚固作用，试件整体性得到一定保证，延性增加。当荷载约达到极限荷载时，整浇式试件的栓钉剪切变形增加，混凝土压碎，进而破坏。试件组PY-20因为新旧混凝土结合面粗糙度高、抗剪钢筋直径大，抗剪强度高，在加载至极限荷载时，栓钉根部混凝土受压变形，栓钉的剪切变形迅速增加，栓钉根部被剪断。PN-20和PN-14两组试件界面抗剪强度相对较低，破坏时，界面分离错动，混凝土压碎。

4 极限受剪承载力计算与分析

国内外规范或文献给出了整浇式组合结构中栓钉连接件的单钉承载力的计算方法，如欧洲规范Eurocode-4[11]、文献AASHTO LRFD[12]、加拿大规范CAN/CSA-S16-01[13]及我国《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)[14]。

欧洲规范Eurocode-4的表达式如下：

(2)

式中：Pu为连接件单钉承载力；fu为栓钉材料的极限抗拉强度，不大于500MPa；Asv为栓钉截面面积；d为栓钉直径；fck为混凝土圆柱体抗压强度；Ecm为混凝土弹性模量。

AASHTO LRFD的表达式如下：

(3)

式中：Pu为连接件单钉承载力；Asc为栓钉截面面积；fc′为混凝土圆柱体抗压强度；Ec为混凝土弹性模量；fu为栓钉材料的极限抗拉强度。

加拿大规范CAN/CSA-S16-01的表达式如下：

(4)

式中：Qc为连接件单钉承载力；φsc为承载力系数，取0.8；As为栓钉截面面积；Ec为混凝土弹性模量；fc′为混凝土圆柱体抗压强度；fu为栓钉材料的极限抗拉强度。

《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)的表达式如下：

(5)

式中：N为连接件单钉承载力；Ec为混凝土的弹性模量；As为圆柱头焊钉(栓钉)钉杆截面面积；f为柱头焊钉(栓钉)抗拉强度设计值；γ为栓钉材料抗拉强度最小值与屈服强度之比。

由式(2)，(3)，(4)，(5)计算的考虑群钉效应后的单钉承载力分别为110.6，117.5，110.6，121.2kN，考虑群钉效应的折减系数α可按照苏庆田等[15]的研究结果，按下式计算：α=-0.002 2n3+0.031 8n2-0.153 7n+1.151 ≥0.85，其中n为栓钉排数，经计算，折减系数为0.909 5。由考虑群钉效应后的单钉承载力可推出试件极限受剪承载力，计算结果见表3。表4中给出了极限受剪承载力试验结果与计算结果比值。

极限受剪承载力试验和计算结果 表3

由表3、表4可以看出，整浇式试件的极限受剪承载力明显高于装配式试件，这是因为装配式试件中存在新旧混凝土结合面，此结合面为软弱结构面，对试件的整体性造成了不同程度的降低。4组试件组的极限受剪承载力大小顺序依次为C-20，PY-20，PN-20，PN-14。

极限受剪承载力试验结果和计算结果比值 表4

试件组PY-20的极限受剪承载力的试验值高于各规范或文献的公式计算值，满足要求，可用于实际工程。

组合结构的极限受剪承载力一般主要由抗剪连接件控制，本文这类装配式组合结构，极限受剪承载力则受到新旧混凝土结合面参数的主要影响，新旧混凝土结合面的抗剪强度主要由抗剪钢筋直径和粗糙度决定，所以装配式试件的极限受剪承载力由新旧混凝土结合面的钢筋直径和粗糙程度决定，故实际工程中对新旧混凝土结合面参数的设计以及界面的施工处理极为重要。

5 结论

(1)整浇式试件破坏模式为栓钉剪断并伴随混凝土开裂，装配式试件破坏模式为栓钉剪断并伴随混凝土破碎，新旧混凝土结合面参数对栓钉剪断数量和混凝土破碎情况有不同程度的影响。

(2)试件荷载-滑移曲线明显分为三个阶段：弹性阶段、塑性阶段以及下降阶段，与整浇式试件相比，装配式试件弹性阶段和下降阶段滑移小，塑性阶段滑移大，极限滑移大，装配式试件延性得到改善，具有更好的延性。

(3)整浇式试件的极限受剪承载力高于装配式试件，新旧混凝土结合面粗糙、抗剪钢筋直径20mm的装配式试件极限受剪承载力试验值高于整浇式试件的规范计算值，结构安全。

(4)装配式钢-混凝土组合结构试件极限受剪承载力约可达到整体式现浇钢-混组合结构试件的80%；界面粗糙度低及抗剪钢筋直径大，装配式试件的极限受剪承载力有明显提高。新旧混凝土结合面进行粗糙处理后，试件极限受剪承载力约提高5%，抗剪钢筋直径由14mm增加为20mm时，极限受剪承载力约提高10%。装配式试件的极限受剪承载力受新旧混凝土结合面参数(粗糙度和抗剪钢筋直径)的影响，设计时此结合面的处理极为重要。