基于栓钉剪坏叠合板组合梁剩余静力刚度试验研究

袁西贵

(成都职业技术学院 城建学院，四川 成都 611433)

0 引言

近年来，随着工厂化、工业化装配式技术的推广，作为半装配式的叠合板组合梁因其能够充分利用材料的受力特性，具有抗震性能好、刚度大、不中断交通、便于组织立体作业、现场湿作业少、施工速度快、造价低等优点而在国内外得到了广泛的运用[1-3]，如城市立交桥、吊车梁等.近年来，国内外对组合梁疲劳性能的研究较多.但主要限于有限元数值模拟，缺乏足够试验验证.已有研究多集中于剪力连接件[3-9]，汪炳等总结了以往学者27组栓钉剩余强度推出试验数据，建立了栓钉连接件疲劳后剩余承载力退化模型[6].但这不能完全代替整梁的疲劳性能.为数极少的整梁疲劳性能试验研究也仅局限于现浇板组合梁的疲劳性能研究.对不同荷载循环后的叠合板组合梁整梁的荷载-变形性能以及对疲劳破坏发生后的残余承载力的研究更不多见.究其原因，主要是叠合板组合梁疲劳试验试件加工流程多，试验成本高、强度大、时间长，对试验设备要求高，试验过程不稳定，成果离散性大.少有科研院校和机构愿意对其疲劳性能试验做出相关研究.目前叠合板组合梁整梁疲劳设计只能直接借用现浇板组合梁的疲劳试验成果.为进一步推广和应用组合梁，充分发挥它们在山区、丘陵以及大型运输和吊装设备不便到达的地区中小跨径桥梁建设中的作用，本文基于栓钉被剪坏的叠合板组合梁进行了剩余静力刚度试验，以期了解其荷载-变形性能.

1 试件设计

1.1 材料性能

栓钉型号为16 Mn钢经冷拔、锻造而成的Φ16×65 mm圆柱头栓钉，其极限抗拉强度取为：fsu=450 MPa；钢筋采用HPB300；混凝土材性试验结果见表1.

钢梁为上下翼缘不对称的焊接Q235工字钢梁；根据国标GB/T 2975—2018相关规定对钢梁进行了材性试验[7]，其翼缘屈服强度ff、腹板屈服强度fw及极限强度fu分别为：ff=286 MPa，fw=350 MPa，fu=450 MPa.

1.2 组件设计

试件构造如图1.为量测梁端钢梁和砼翼缘间相对滑移，钢梁两端各外伸100 mm.梁FSCB-6截面尺寸及配筋详见图2.其中，现浇板厚45 mm， 双向配筋均取Φ6@75， 梁翼缘总宽900 mm；预制板和现浇板砼强度均取C40，预制板截面参数详见图3.预制板在钢梁上支承长为20 mm， 板底留10 mm缝宽， 槽口上部净宽50 mm；预制板端设“胡子筋”，板内设结合筋穿过交界面，结合筋构造详见图3(b)和图3(c).

图1 组合梁试验模型构造示意图

图2 叠合板组合梁FSCB-6配筋详图(单位：mm)

图3 预制板截面及配筋详图

1.3 组合梁模型设计

1.3.1 栓钉的设计

剪力连接件按塑性设计方法设计[8]，经计算单个栓钉抗剪承载力取为：Vu=63 347 N.栓钉沿钢梁上翼缘均匀对称单列布置.为防止组合梁发生掀起等次生破坏，在纯弯区段对称布置了4个栓钉.本次发生栓钉剪坏的叠合板组合梁FSCB-6的剪力连接程度为γ=0.798，其剪弯区段设16个栓钉，详见图4所示.

图4 梁FSCB-6栓钉布置(单位：mm)

1.3.2 组合梁FSCB-6抗力计算

取钢板Es=2.06x105MPa，Es与混凝土弹性模量(Ec)比αE见表2.不计砼徐变，组合梁等效钢截面如图5所示.其中，b2=90、b3=5.8、b4=200、h1=80、h2=10、h3=220、h4=9.9(单位：mm).组合梁b1计算结果见表2.

表2 试验梁的混凝土翼板换算宽度b1取值

图5 组合梁等效弹性钢截面

不计混凝土抗拉强度，基于平截面假定并分不考虑滑移效应和考虑滑移效应两种情况计算得到的组合梁FSCB-6抗力如表3所示：

表3 组合梁抗力计算汇总表

2 试验装置和加载方案

2.1 加力点的确定

采用跨中两点对称加载.试验加载方案见图6(单位：mm).

图6 组合梁加载方案

2.2 加载设备

组合梁疲劳试验由一台500 kN的液压脉动疲劳试验机所控制的油压千斤顶通过分配梁加载.最大动、静负荷均为500 kN，荷载大小通过测力传感器测量，加载装置如图7所示.

2.3 加载方式及测试装置

本次疲劳试验采用固定最小、最大应力水平的等幅正弦波加载，加载频率为4 Hz.试验分三步进行.首先以荷载下限预加载再卸载至零，然后按梁荷载上限的20%为荷载增量分五级做静载试验，每级均采集数据.至荷载下限时增加一级.卸载也同法进行.试验数据由计算机自动采集，疲劳加载方式如图8所示.

图7 试验加载装置示意图

图8 疲劳加载程序

数据采集设备包括：力传感器，位移传感器(界面滑移、跨中位移)；应变仪及数据采集设备和软件.

2.4 测试内容及测点布置

图9给出了试验梁的测点及仪表布置图.图中Ci及Si分别表示在翼缘板及钢梁上电阻应变片(i表示离组合梁底面距离)；Di表示量测翼缘板与钢梁间相对滑移以及跨中位移的动态位移传感器.

图9 测点布置图/mm

量测设备通道共16个分别用于：测力系统及跨中大量程位移计(200 mm)；跨中截面砼翼缘板上5个电阻应变片；跨中截面钢梁的翼缘下缘及腹板处4个电阻应变片；5个混凝土与钢梁交界面相对滑移测点.

3 叠合板组合梁的试验研究

3.1 试验主要参数

取试验梁FSCB-6的荷载上限Pmax=150 kN(约0.77 Py，0.59 Pu)，荷载下限Pmin=60 kN(约0.31 Py，0.24 Pu)相应荷载幅值为90 kN(约0.46 Py，0.35 Pu).

3.2 叠合板组合梁等幅疲劳荷载试验

136万次荷载循环后叠合板组合梁发生了疲劳破坏，破坏后的试验梁如图10所示.其梁南端(固定铰处)滑移极小，其剪跨段中间滑移明显但不大，各栓钉完好无损；北端剪跨段滑移很大，栓钉均已剪坏，其上方砼板与钢梁脱开.砼板下缘未见裂缝，上表面也无压碎，梁变形已不对称，北端加力点附近挠度最大，这是因为北段梁基本没了组合作用，截面抗弯刚度减小，最大挠度北移.卸载后梁的残余变形较大.

3.3 叠合板组合梁残余静力刚度试验

疲劳破坏完成后.紧接着进行了叠合板组合梁残余静力试验，其静力荷载-位移曲线如图11所示.可见组合梁仍能表现出很好的延性和较高的残余承载力(165 kN，约0.84 Py).

图11 梁FSCB-6残余力-跨中位移曲线

仔细观测残余静力刚度试验后的组合梁，可见在栓钉全部剪坏的北段剪跨端内，预制板交接槽口处及组合梁北端加力点下混凝土均被拉裂开.同时，北端剪跨段内钢梁上翼缘以及腹板受压区有明显的压屈现象.这是因为随着栓钉的剪坏，该剪跨段内梁的组合作用明显减弱，钢梁和砼板分别受力，钢梁和混凝土板的负担均有所加重，钢梁内中和轴不断下移，逐渐接近钢梁截面形心轴.由于试件为下宽上窄的不对称焊接工字型钢梁，因此钢梁自身中和轴更接近其下翼缘受拉边，相比拉区边缘，钢梁压区边缘离自身中和轴更远，钢梁压区应变和应力增长加大更快，最终钢梁压区屈曲失稳.而在叠合板组合梁的南端剪跨段内，除钢梁与混凝土交界面的相对滑移较为明显外，组合梁几近完好无损，并没有出现较大的残余变形.残余静力承载力试验后的组合梁如图12所示.

3.4 等幅疲劳荷载下组合梁刚度分析

为了了解试件残余静力刚度随反复荷载作用次数的影响，试验中对于叠合板组合梁FSCB-6承受反复荷载分别达到0次、11.11万次、22.22万次、55.55万次、99.99万次时，都进行了数据采集，并立即卸载作剩余静力刚度退化试验，静力刚度退化试验加载均从0开始加至疲劳荷载设计上限.由于传感器的线性关系很不稳定，剩余静力试验时，跨中位移均改用百分表量测.一边加力一边人工读取跨中位移值.

图12 残余静力承载力试验后的组合梁FSCB-6

需要说明的是，由百分表得到的刚度只能是剩余静力刚度，也就是并不计入残余变形，每次力与变形均从规0开始计.组合梁FSCB-6在不同时期荷载-位移实测值以及相应拟合直线如图13及图14所示.从图中可见，组合梁的静力刚度退化很不明显，疲劳荷载开始之处的初始刚度与临近疲劳破坏发生时叠合板组合梁FSCB-6(剪力连接程度为γ=0.798)的刚度相差甚微，这在很大程度上区别于普通钢筋混凝土梁.静力刚度总体上是随着反复荷载循环次数的增加而降低，而且呈现近似直线关系.但从疲劳试验开始直至75%(100万次/136万次)的寿命时期，叠合板组合梁的整梁刚度退化不足8.5%.相比其他完全剪力连接组合梁[1]，这种部分剪力连接组合梁的刚度退化最明显.主要还是因为钢梁和混凝土翼板交界面存在较大的滑移，滑移的累积在不断降低截面的组合作用从而刚度逐渐下降所致.与梁FSCB-5相比，由于减少了荷载幅值[1]，因此刚度退化相对减弱.梁FSCB-6的截面刚度-加载循环次数的实测值及拟合直线如图15所示.

图14 梁FSCB-6荷载-位移实测值及其拟合直线

图15 梁FSCB-6刚度-荷载循环次数实测值及其拟合直线

5 小结

对比参考文献[4]和参考文献[9]中现浇板组合梁的疲劳试验，不难发现这类叠合板组合梁与现浇板组合梁在疲劳试验中表现出了大致相同的性能.

参考文献[4]中给出了应力幅指标作为疲劳破坏形态的判别标准，当应力幅指标超过叠合板组合梁的界限应力幅指标时，组合梁将发生栓钉剪坏的疲劳破坏.对于这类组合梁来说，剩余静力刚度随反复荷载作用次数的增加而略有减少，主要是因为内部损伤随着荷载循环次数的增大而增大所致，两者之间呈近似线性关系.但本次试验梁刚度退化并不明显，疲劳破坏发生前静力刚度降低仅为8.5%，

相对于钢梁发生拉裂的疲劳破坏形态(其他疲劳细节)[10]，发生栓钉剪坏的叠合板组合梁疲劳破坏发生后，刚度退化则较明显，本次试验梁达到50%，但其残余承载力却较高.本次试验梁高达依据材性试验平均值计算而得的初始静力承载力的84%.可见这类疲劳破坏形态延性较好，其脆性不明显，破坏有一定的预兆，更适合承受反复荷载的结构构件.承受静力的结构构件则宜首选剪力连接程度较高的组合梁.

无论是组合梁的剩余(或者残余)静力刚度还是残余静力承载力，都主要取决于组合梁的疲劳荷载幅、截面几何参数、钢梁的牌号以及剪力连接件型号及其连接程度.要得到精确的计算公式尚需进一步研究.