不同材料胶结层对组合梁粘结性能影响的试验研究

朱圣清，刘凡，袁晓静，高伟豪

（苏州科技大学 江苏省结构工程重点实验室，江苏 苏州 215011）

0 前言

钢-混凝土组合梁是现代土木工程中在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种重要结构形式。随着我国近些年来大力推广装配式建筑，装配式钢-混凝土组合梁的研究也在不断推进中[1]。在装配式钢-混凝土组合梁中，钢梁与混凝土板之间的主要连接形式是通过在钢梁和混凝土翼缘板之间设置剪力连接件（栓钉、槽钢、弯筋等），抵抗二者在交界面处的掀起及相对滑移，使其形成共同工作的整体[2-5]。自20 世纪以来，一种采用在混凝土板与钢梁间设置胶结层与栓钉共同起到连接效果的栓钉-胶结层连接件在装配式钢-混凝土组合梁中得到较多应用。这主要是考虑到传统单一的栓钉抗剪连接件易产生初始裂缝，且在传递界面上的剪力时，会产生变形，引起界面间的相对滑移，使得组合梁变形增大[6]。装配式结构中，对节点方面的研究一直是热点和重点，因此在装配式组合梁中，钢与混凝土之间的连接形式和方式对于其整体的粘结性能起到很大影响。采用新型连接形式的装配式组合梁，其整体性强，耐久性好。但目前针对栓钉-胶结层连接件的相关研究还很少，尤其是对胶结层材料及粘结性能的研究尚显匮乏。

针对粘结材料，相关学者利用环氧砂浆和高强度砂浆作为胶结层和灌孔材料进行的相关研究表明，环氧砂浆可作为较好的粘结剂和胶结层，而高强度砂浆具有较好的整体性，也是较好的粘结材料[7-10]。相关文献也表明[11-12]，环氧砂浆具有良好的力学性能，且以其强度高、固化快、耐磨、粘结性能好广泛应用。水泥基灌浆料具有自流性好、快硬、早强高强、无收缩、微膨胀、无毒无害、耐老化、对周围环境无污染，自密性好等优点，在施工方面质量可靠且因其可以降低成本，缩短工期和方便使用从而广泛应用[13-14]。

本文通过对比采用环氧砂浆和C60 水泥基灌浆料作为胶结层的钢-混凝土组合梁加载过程中试件的承载力、下挠程度、对应2 种粘结材料的连接性能及界面滑移与应变的测试，得到了荷载-挠度曲线、荷载-滑移曲线、应变沿截面高度分布曲线，分析了对试件的平截面假定、抗弯承载力、刚度和界面滑移性能的影响，从而研究材料性能对其受力性能及粘结性能的影响，研究成果可为装配式钢-混凝土组合梁连接部分胶结层的工程应用提供参考。

1 试件模型设计及材料性能

根据GB 50917—2013《钢-混凝土组合梁桥设计规范》，以胶结层材料为对比参数设计2 片试验梁：ZB6-1 胶结层材料为环氧砂浆，ZB6-2 胶结层材料为C60 水泥基灌浆料。各试验梁的设计参数见表1。

表1 试验梁的设计参数

2 片试验梁横截面尺寸及材料均相同，一端设置固定铰支座，另一端为活动铰支座。整体宽度为1000 mm，整体高度为324 mm，采用80 mm 厚预制混凝土板、板宽1000 mm；预留槽孔上口尺寸为240 mm×160 mm，下端槽孔为200 mm×120 mm，槽孔中心间距为420 mm。采用C50 混凝土，钢筋均为HRB400级。混凝土板内钢筋间距为70 mm。钢梁采用工字型钢板梁，钢梁总高为244 mm、上翼缘宽度均为175 mm、下翼缘宽度均为175 mm、腹板厚度均为7 mm、翼缘厚度均为11 mm。栓钉直径13 mm、长60 mm，属于完全连接形式。在钢梁布置宽度为10 mm 的硅胶条，并在栓钉与栓钉间的间隔部分处设置胶结层。混凝土板及钢梁详图如图1 和图2 所示。

图1 钢梁及栓钉侧视图

图2 组合梁侧视图

本试验2 片组合梁灌孔材料均采用泰兴市苏冶新型建材有限公司生产的高强无收缩C60 水泥基灌浆料，每25 kg 灌浆料加水3.5 kg，依据GB/T 50448—2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》进行材性试验。环氧砂浆采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的博力康-SP101 环氧砂浆，包括A、B、C三组份，配制质量比为1∶1∶15.25，参照DL/T 5193—2004《环氧树脂砂浆技术规程》进行材性试验。C60 水泥基灌浆料和环氧砂浆的性能如表2 所示。

表2 C60 水泥基灌浆料和环氧砂浆的性能

2 加载制度及测点布置

采用分配梁实现两点对称加载，加载点间距为1 m。两边支座均为铰支座。采用单调加载，各测点采用TDS303 静态数据采集仪进行数据采集。加载现场示意见图3。正式加载从0 kN开始，加载力在达到400 kN 前采用力控制加载，每级25 kN；钢梁达到屈服后，试件刚度下降较快，在加载力达到400 kN 后采用位移控制加载，每级位移量为2 mm，直至构件破坏。

图3 正弯矩加载示意

为测试试件截面应变沿梁高的变化，在混凝土板顶部及钢梁下翼缘设置应变片，此外，在钢梁腹板上共有3 个应变片，分别位于跨中腹板的四分点处。为测试试件的挠度，在支座、三分点和跨中设置了电阻式位移计，其中跨中架设2 个取其均值。为测试试件的滑移布置了9 个测试截面，共9 个百分表。各表布置点位距离如图4 所示。

图4 位移计及百分表测点布置示意

3 结果与讨论

3.1 应变变化曲线

根据试验测得的跨中截面沿梁高的应变曲线如图5 所示。选取跨中截面的5 个测点：分别为混凝土板顶部的3-H-03，跨中钢梁腹板位置四分点处的3GF-01、3GF-02、3GF-03和钢梁底部3-Gd。

图5 跨中截面沿梁高应变曲线

由图5 可知，在荷载为400 kN 以内时，2 试件各测点处沿梁高的应变变化基本符合线性关系。这表明在400 kN 以内，试件ZB6-1 和ZB6-2 均较好地符合了平截面假定，且钢梁和混凝土板的相对位移较小。弹性阶段时，2 根梁中性轴均位于混凝土板内。其中ZB6-1 的中和轴距混凝土板顶约为70 mm；ZB6-2 中和轴距混凝土板顶约为59 mm，上移11 mm。

在施加应力的过程中发现，混凝土板顶的应变明显大于钢梁底部的应变，其差距为4～5 倍。相比之下ZB6-1 的应力应变-曲线的斜率要略大于ZB6-2，说明环氧砂浆作为胶结层可以减小组合梁的应变，具有更好的整体性。

3.2 破坏模式

2 片试验梁的破坏模式均先为最外侧簇栓钉在胶结层和混凝土板连接处被剪断并伴随混凝土破裂，是典型的受弯破坏。栓钉剪断如图6 所示。弹性阶段时，2 片试验梁在加载过程中没有明显下挠，混凝土板及剪力槽孔均未出现明显裂缝。塑性阶段时，ZB6-1 加载力达到616 kN 左右，有局部的混凝土板和胶结层的剥落声和栓钉的剪断声；加载力达到675 kN时，加载面混凝土侧面裂缝明显增多，栓钉剪断的脆裂声断断续续，混凝土板两端翘起，最外侧胶结层破坏增多；加载力达到785 kN 时，支座附近处的剪力槽孔出现众多裂缝，除跨中胶结层外，其余部分的胶结层均大部分发生破坏、脱落。ZB6-2 加载力达到585 kN 左右时，胶结层有轻微剥落声，混凝土板侧边的裂缝不断延伸；到达670 kN 左右时，胶结层听到多处清脆的脱落声，并且跨中胶结层与混凝土板也发生相对滑移，混凝土板裂缝随即增大，试验梁两边翘起。到达极限荷载后，大部分混凝土板与胶结层脱粘，位移控制力不断下降，偶有整体的震动及回弹，约在768 kN 时，栓钉剪断声音巨大，此时胶结层基本破坏。综上所述，从破坏模式上来看，2 片试验梁均有良好的受力变形能力，最外侧栓钉均被剪断。其中弹性阶段差异不大。但在进入塑性阶段后ZB6-2 胶结层的破坏早于ZB6-1，且破坏速度更快。

图6 栓钉截面破坏照片

3.3 荷载-挠度曲线

2 片试验梁不同测点处的挠度随荷载变化曲线如图7 所示，极限荷载和位移如表3 所示。

表3 组合梁的极限荷载与位移

图7 组合梁的荷载-挠度曲线

由图7 和表3 可见，2 片试验梁在三分点处荷载-挠度曲线吻合较好，走势与跨中的曲线变化基本一致，这表明跨中混凝土板与钢梁对比三分点处没有发生变形突变，板间可以连续且均匀地传力，2 片试验梁均表现出良好的组合效果。

试件的抗弯加载可以大致分为以下2 个过程：（1）弹性阶段。加载初期，2 个试件均处在弹性变形阶段，荷载和挠度呈线性关系，两者的荷载-挠度曲线基本吻合，说明2 种胶结层对组合梁的弹性受力性能影响很小。（2）塑性阶段。2 个试件的挠度随荷载的增大而增大，且挠度的增幅远大于荷载增幅，荷载-挠度曲线呈近似水平段，在试件接近破坏时，受压侧混凝土随挠度的增大而逐渐剥落，试件承载力波动下降直至试件完全压溃。其中，塑性阶段时，ZB6-1 的曲线更为平滑，说明位移控制加载时整个受压变形是连贯的，体现其较好的整体性。当2 片试验梁到达极限荷载时，代入刚度公式（1）：

式中：P——作用于结构的恒力，kN；

δ——由于力而产生的形变，με。

此时ZB6-1 跨中的刚度k1=12 478 kN/m，ZB6-2 跨中刚度k2=11 668.8 kN/m。

综上所述，ZB6-1 跨中的极限承载力为852.0 kN，比ZB6-2提高了5.9%，但是两者在到达极限承载力时的挠度相差不大。从而可知，采用环氧砂浆作为胶结层的钢-混凝土组合梁的承载能力大于相同条件下胶结层为C60 高强灌浆料的组合梁，且相比之下，采用环氧砂浆的极限荷载时刚度可以提高6.9%。此外，在2 片试验梁到达极限承载力时，ZB6-1 的跨中挠度为68.28 mm，ZB6-2 的跨中挠度为68.97 mm。且两者屈服位移基本一致，表明其延性基本一致。

3.4 荷载-滑移曲线

由于结构对称加载，取2 片梁的左半部分的滑移即HY-01～HY-05 进行对比研究。静载试验中，荷载使钢梁下部受拉，混凝土板上部受压，工字型钢和混凝土板之间形成横向力，使彼此发生相对错动，进而发生层间位移。2 个试件到达极限承载力后，胶结层破坏明显，大部分百分表到达量程，因而撤去不再记录。2 片试验梁各测点处的荷载-滑移曲线见图8，滑移参数见表4。

图8 组合梁的荷载-滑移曲线

极限荷载下最大滑移/mm ZB6-1 1.213 283 9.465 ZB6-2 0.761 566 9.654编 号 弹性阶段最大滑移/mm距支座位置/mm

由图8 和表4 可知，2 片梁的最大滑移曲线均近似双折线，分为斜线段及水平段。在斜线段表现为荷载增大迅速，滑移增幅小。弹性阶段时，ZB6-1 于HY-2 测点处取得滑移最大值，滑移量为1.213 mm，距支座约为283 mm。而ZB6-2 滑移最大值则发生在HY-03 处，为0.761 mm，距支座约为566 mm。表明在弹性阶段时，ZB6-2 的滑移量更小，仅为ZB6-1的62.7%，即ZB6-2 的粘结力更强。在塑性阶段内由于发生部分混凝土破裂和两端胶结层脱粘，滑移量急剧增大，在达到极限荷载时ZB6-1 左半部分滑移最大值为9.465 mm，在HY-02 处取得。而ZB6-2 左半部分在达到极限荷载时的最大滑移量为9.654 mm，并且此时的最大滑移发生在HY-03 处取得。因而在到达极限荷载时ZB6-2 的滑移较ZB6-1 增大了2%。

值得注意的是，在进入塑性阶段后，ZB6-1 的滑移曲线较ZB6-2 平滑，比如ZB6-2 的HY-2 曲线有明显的拐点，说明环氧砂浆灌浆料具有更好的变形协同作用，在混凝土裂缝逐渐增大的同时，跨中的滑移仍然维持在一个相对较小稳定的水平，钢梁和混凝土之间没有发生脆性剥落。而ZB6-2 有明显剥落声响，其脆性大于ZB6-1，跨中部分的胶结层也发生相对滑移，明显往一侧倾移，这可能是内部产生的塑性铰引起的，影响了结构的内力重分布。并且随着此阶段位移加载量不断增加，ZB6-2 的胶结层脱粘迅速，从而在700 kN 之后其滑移量逐渐大于ZB6-1，因此，在即将到达极限承载力时，环氧砂浆表现出更强的粘结性能。

综上所述，从加载初期至加载到60%左右的极限荷载时，2 片试验梁的荷载-滑移曲线均表现为相似的线性关系。对比相同荷载条件下的滑移，C60 水泥基灌浆料的滑移量约为环氧砂浆的62.7%，此时的C60 水泥基灌浆料粘结性能更好。在整个受力过程中ZB6-1 跨中滑移较小，且几条曲线更为平滑，体现其较好的整体性。

3.5 滑移距支座距离分布曲线

各阶段2 片试验梁从支座到跨中半跨长度内的滑移规律如图9 所示。

图9 组合梁从支座到跨中半跨长度内的滑移曲线

由图9 可见：

（1）在弹性阶段内，滑移量在支座和跨中处分布较小，在剪跨段数值较大，纯弯段滑移量较为平滑。两片试验梁的最大滑移均发生在距支座266 mm 左右时，体现其在相同受力工况下均有良好的变形协调能力。

（2）在塑性阶段时，环氧砂浆仍能维持粘结性能，特别是跨中滑移基本保持不变，而C60 水泥基灌浆料的最大滑移所在位置远离支座向跨中移动，这可能是由于弯剪段中产生的多条弯剪斜裂缝不断扩大，最终形成临界斜裂缝，并使得弯剪段的混凝土板与胶结层脱粘，从而导致最大滑移发生点位偏移。

（3）胶结层材料是影响组合梁滑移的一个较为重要的因素，采用C60 水泥基灌浆料作为胶结层在弹性阶段可明显减少混凝土板与钢梁之间的滑移量，具有更为优异的粘结性能。

4 成本分析

2 种材料在施工方面的和易性均较优，施工养护周期基本一致。从经济效益上看，环氧砂浆成本为4000～5000 元/t，而C60 水泥基灌浆料的成本为2000～3000 元/t，环氧砂浆的成本约为C60 水泥基灌浆料的2 倍，且两者密度接近，表明相同造价的产量基本相同。但在正常使用状态时其粘结性略低于C60 水泥基灌浆料，且极限承载力仅提高5.9%，因此，选用C60 水泥基灌浆料作为胶结层的性价比更优。

5 结论

（1）由应力-应变曲线可以发现，2 片试验梁都较好地符合了平截面假定，均具有良好的变形协调能力。

（2）通过荷载-挠度曲线可以发现，ZB6-1 的极限承载力相较于ZB6-2 提高了5.8%，说明胶结层采用环氧砂浆的钢-混凝土组合梁的抗弯性能优于采用C60 水泥基灌浆料的钢-混凝土组合梁，可以提高其极限承载力。

（3）观察2 片梁不同阶段的滑移曲线可以发现，胶结层采用环氧砂浆加载及破坏时具有更好的整体性，但正常使用阶段时粘结强度明显小于C60 水泥基灌浆料，仅为其62.7%，而在进入塑性阶段后，随着C60 水泥基灌浆料的不断脱粘，两者粘结强度趋于一致。在即将到达极限荷载时，C60 水泥基破坏明显，此时环氧砂浆的粘结力更强。