装配式钢- UHPC 组合梁群钉连接件受力性能研究

徐 辉，丁婧楠，朱劲松，孙晨然

（1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津市 300074；2.天津大学，天津市 300350）

0 引 言

栓钉是钢混组合梁桥中应用最广泛的连接件[1]，能够在钢梁与混凝土板间传递荷载，防止二者之间发生竖向分离。因此，栓钉除了承受较大的剪力作用，还承受一定的拉力作用，处于拉剪复合受力的状态。随着装配式组合梁桥的发展，栓钉常以群钉的形式布置在预制桥面板的剪力槽中，通过后浇混凝土实现预制结构之间的装配化连接。超高性能混凝土（Ultra-high performance concrete，UHPC）作为一种新型水泥基复合材料，其抗压强度可达到120 MPa以上，抗拉强度可达6 MPa 以上，并兼具良好的延性和耐久性，近年来逐步被应用于桥梁建设中。预制UHPC 桥面板与钢梁通过剪力连接件连接形成的钢-UHPC 组合梁桥具有较高的刚度、抗开裂能力和承载能力，能够在提高结构整体性能的基础上实现快速建造。

目前已有的关于栓钉连接件的研究多集中于其抗剪性能，相关的规范[2-5]中也给出了栓钉连接件的构造要求和抗剪承载力计算式。大量的推出试验表明单个栓钉连接件的性能主要受混凝土强度、钢筋配置、栓钉尺寸、混凝土浇筑方向和栓钉焊接质量的影响[6-9]。群钉连接件在纤维增强混凝土中的研究表明钢纤维的含量会影响群钉连接件的刚度，较小的栓钉间距对群钉连接件的抗剪强度和剪切刚度影响较小[10-14]。许多研究均表明规范中栓钉连接件抗剪承载力的计算方法较为保守，并提出了计算群钉连接件抗剪承载力的相关参数及计算模型[11，15-17]。关于群钉连接件在UHPC 中抗剪性能的研究较少。McMullen 等[18]和Kruszewski 等[19，20]研究了焊接于锈蚀钢板上的栓钉在UHPC 中的抗剪性能，结果表明栓钉间距在小于规范规定时仍能充分发挥其抗剪能力。Cao 等[21]研究了短栓钉在薄UHPC 板中的静力和疲劳性能。Wang等[22，23]将直径30 mm 的群钉连接件应用于UHPC 板中，发现即使栓钉高径比为2.3，大直径栓钉在UHPC中仍能发挥较好的性能。

关于栓钉连接件在拉力和剪力共同作用下的相关研究较少。部分学者[24-26]针对栓钉与实心楼板、压型钢板、叠合板和钢筋混凝土填充墙连接时承受剪力和拉力作用下的性能进行了试验研究，结果表明拉力会降低栓钉的强度和变形能力，混凝土强度和栓钉直径对复合受力下栓钉的性能有一定影响。蔺钊飞等[27]的研究表明拉剪共同作用下栓钉连接件的剪切刚度随着施加拉力的增加而减小，但拉力施力比小于10%时可以忽略其对连接件性能的影响。安然等[28]研究了栓钉在高强混凝土中承受拉剪复合作用时性能，拉力的增加会降低栓钉的抗剪承载力和刚度，但对滑移性能影响不显著。

综上，目前关于群钉连接件在混凝土中的抗剪性能已有一定的研究基础，但不同栓钉参数和拉剪复合作用对群钉连接件在UHPC 中力学性能的影响尚需进一步进行研究。因此本文通过推出试验和拉剪试验研究栓钉间距、高径比和拉剪比对预制UHPC 板中群钉连接件破坏模式、承载能力和延性的影响，为装配式钢-UHPC 组合梁桥中连接件的设计提供参考。

1 试验概况

1.1 试件设计及材料性能

推出试验和拉剪试验的试件形式如图1 所示。试验中考虑栓钉直径、栓钉间距和高径比对群钉连接件性能的影响，试件参数及尺寸如表1 和图2 所示。推出试件中，钢梁由两块焊接T 型钢板通过连接板和高强螺栓拼接而成，钢梁两翼缘板上以四行三列的排布形式各焊接12 个栓钉，并通过在预留剪力槽中后浇UHPC 将UHPC 板与钢梁连接为整体。UHPC 浇筑前在钢翼缘表面涂抹润滑油以消除钢与UHPC 之间的摩擦和黏阻力，浇筑方向垂直于钢翼缘。拉剪试件是在推出试件的基础上改变钢梁翼缘与水平面的角度实现栓钉在承受剪力的同时承受不同程度的拉力。

图1 试验试件

图2 试验试件构造及尺寸（单位：mm）

表1 试验试件参数

试验所用UHPC 在常温喷水覆膜养护24 h 后进行72 h 的蒸汽养护，试验时实测预制板UHPC 与剪力槽中后浇UHPC 的抗压强度分别为167 MPa 和136 MPa，抗拉强度分别为9.06 MPa 和8.97 MPa。所用钢材等级为Q345，钢翼缘与钢腹板的屈服强度分别为268 MPa 和362 MPa，极限拉伸强度分别为424 MPa 和541 MPa。栓钉的极限拉伸强度为415 MPa，伸长率为31.5%。

1.2 试验加载及测试

推出试验和拉剪试验的加载均采用1 500 kN 电液伺服压力试验机。为保证荷载的均匀传递，在每个试件钢梁上放置一块厚度10 mm 的钢垫板。预加载先加至预期极限荷载的40%，随后卸载至预期极限荷载的5%，并在这一荷载区间内循环加载5 次，以彻底消除混凝土与钢梁间的黏结。正式加载采用力-位移混合控制。首先采用力控制加载，以1 kN/s 的速度，100 kN 为一级加载至预期荷载的70%，然后采用位移控制，以0.02 mm/min 的速度，60 kN 为一级加载至预期荷载的90%，最后以0.01 mm/min 的速度，40 kN 为一级加载直至试件破坏。

试验过程中通过试验机的荷载传感器连续记录荷载，并布设位移计量测钢梁和UHPC 板的位移变化，具体布置如图3 所示。推出试件中位移计U1-U4测量UHPC 板的竖向位移，S1-S3 测量钢梁的竖向位移，T1 和T2 分别测量钢梁和UHPC 板的横向位移。拉剪试件中U1-U4 测量UHPC 板沿栓钉剪切方向的位移，S1-S4 测量钢梁沿栓钉剪切方向的位移，T1 和T2 测量钢梁与UHPC 板之间沿栓钉拉力方向的相对位移。

图3 位移测点布置（单位：mm）

2 推出试验结果

2.1 破坏形态

推出试件破坏时UHPC 板与钢梁完全分离，栓钉根部剪断，呈现出明显的塑性变形，栓钉上表面与UHPC 出现一定程度的分离，各试件的破坏形态如图4 所示。由于UHPC 强度较高，试件破坏时UHPC 板整体完好，表面未出现可见裂缝，仅栓钉下侧受压区混凝土出现局部剥落。如图4（a）所示，栓钉间距较小时，受压剥落的混凝土区域出现上下连接，形成较为严重的损伤。

图4 推出试件破坏形态

2.2 荷载-滑移曲线

试验测得钢梁和UHPC 板沿栓钉剪切方向的位移差值定义为二者的相对滑移，推出试件的荷载-相对滑移曲线见图5。所有曲线整体变化趋势相似，包含三个阶段，分为弹性段，塑性段和下降段。弹性段的荷载和相对滑移呈线性关系，直至加载至约极限承载力的55%，此阶段栓钉处于弹性状态，与UHPC 共同承担剪力。塑性阶段相对位移随荷载的增加而迅速增加，曲线斜率呈非线性递减，栓钉进入塑性，曲线逐渐趋于水平。试件在达到极限承载力后栓钉先后被剪断，栓钉根部受压区UHPC 出现不同程度的压碎，试件承载力不断下降，相对滑移继续增大，曲线表现出明显的下降段。

图5 荷载- 相对滑移曲线

2.3 极限承载力及延性

推出试件的试验结果见表2，其中Ps为各试件的极限承载力，Ps-a为各组推出试件极限承载力均值，Su为极限位移，指试件达到极限承载力时对应的相对滑移，Smax为特征位移，为荷载下降到90%极限承载力时对应相对滑移值的90%。由表2 可知，减小栓钉间距会降低连接件的极限承载力，因此建议UHPC 中群钉连接件各栓钉间距不小于4 倍的栓钉直径。S19-60-4 的极限承载力为S19-80-4 极限承载力的97.13%，可见栓钉高径比减小对极限承载力影响较小。UHPC 优异的力学性能能够对栓钉形成较强的锚固作用，因此较短高度的栓钉可以充分发挥其抗剪性能，提高抗剪效率。

延性反映了栓钉连接件的耗能能力[29]。通过钢梁与UHPC 板间的相对滑移来评价UHPC 中群钉连接件的延性。由表2 中的结果可以看出，栓钉间距由4 d降为2.5 d 后，特征位移下降程度较极限位移下降程度更大，可见栓钉间距过小会削弱群钉连接件的延性。栓钉的高径比由4.2 降至3.2 后，群钉连接件的极限位移降低了9.27%，但特征位移几乎没变化。欧洲的Eurocode-4 规范规定，极限位移大于6 mm 可以认为连接件具有较好的延性。由于UHPC 优异的力学性能使其在试件破坏时仅有小面积受压区压碎，且保证其对栓钉较强的锚固性能，使得UHPC 中的群钉连接件极限位移值均小于6 mm，且Smax/d 在0.20～0.23 的区间内，不满足欧洲规范对于栓钉延性的定义，因此在进行群钉连接件设计时应采用弹性理论而不是塑性理论。

表2 推出试验结果

3 拉剪试验结果

3.1 破坏形态

拉剪试验最终破坏时其中一侧混凝土板与钢梁分离，各试件的破坏形态如图6 所示，与推出试件破坏形态相似，栓钉从根部被剪断，UHPC 板整体完好。拉力的存在会削弱栓钉的抗剪承载力，试件破坏时栓钉下部被压碎的UHPC 面积较小。

图6 拉剪试件破坏形态

3.2 拉剪试件极限承载力和相对滑移

表3 所示为群钉连接件拉剪试验的结果，Pst为各拉剪试件的极限承载力，Pst-a为拉剪试件极限承载力均值，Su为极限承载力对应的相对滑移值。由表3可以看出，拉力的存在对试件的力学行为有一定的影响。与推出试件S19-80-4 相比，拉剪比为0.17时，极限承载力和对应的相对滑移值下降并不明显，拉剪比为0.27 时，拉剪试件的极限承载力仅为相同栓钉参数下推出试件极限承载力的0.74，极限荷载对应的相对滑移值也有一定程度的下降。

表3 拉剪试验结果

4 剪切荷载-滑移关系模型

已有部分关于群钉连接件力学性能的研究中给出了评价剪切荷载与相对滑移之间关系的计算式，但这些模型大多用来描述连接件在普通混凝土中的剪切荷载- 滑移关系，并不能很好的描述UHPC 中群钉连接件的力学行为。Xue 等[13]给出了群钉连接件在C50 混凝土中的荷载-滑移关系：

式中：P 和Ps分别为剪切荷载和极限剪切荷载，S 为相对滑移。

Su 等[17]提出了不同的群钉连接件在高强混凝土中的荷载-滑移关系：

Wang 等[22]提出描述大直径连接件在UHPC 中荷载-滑移关系的表达式：

可以看出，栓钉连接件在不同类型混凝土中的荷载- 滑移曲线形式相似，基于本文试验结果，提出群钉连接件在UHPC 中的剪切荷载- 相对滑移计算模型：

试验曲线与由式（1）至式（4）计算得到的荷载-滑移曲线对比如图7 所示。与试验曲线相比，由式（3）计算得到的曲线的初始刚度较小，由式（1）和式（2）得到的曲线的初始刚度偏大。此外，由式（1）至式（3）计算得到曲线的非线性段均位于试验曲线的下方，与试验曲线有一定的差距。从总体趋势来看，试验的荷载- 滑移曲线的线性段和非线性段均在式（4）对应曲线的附近，与已有研究中的公式相比，本文提出的式（4）能更好的描述UHPC 中群钉连接件的行为。

图7 荷载- 滑移关系模型与试验曲线对比

5 结 论

目前关于UHPC 板中群钉连接件受力性能的研究尚不完善，缺乏栓钉参数和拉剪复合作用对其性能影响的研究。基于这一现状，本文开展了装配式钢-UHPC 组合梁中群钉连接件的推出试验和拉剪试验，明确了栓钉高径比、栓钉间距和拉剪比对群钉连接件承载能力和延性的影响规律，并基于试验结果提出了UHPC 板中群钉连接件的荷载- 滑移关系计算式。得出以下结论：

（1）剪力和拉剪复合作用下群钉连接件的破坏模式均为栓钉剪断，破坏前栓钉有充分的塑性变形，栓钉下部受压区UHPC 出现不同程度的剥落，UHPC板整体完好。

（2）剪切荷载下，减小栓钉间距会降低群钉连接件的承载力，建议UHPC 中群钉连接件的各栓钉间距不小于4 倍的栓钉直径。栓钉的高径比对UHPC中群钉连接件抗剪承载力的影响很小。

（3）剪切荷载下，减小栓钉间距会降低群钉连接件的延性，但高径比由4.2 降至3.2 对连接件延性的影响很小，可在UHPC 桥面板较薄时采用短栓钉作为连接件；UHPC 中群钉连接件的相对滑移值不满足欧洲规范关于栓钉延性的要求，因此建议采用弹性理论进行设计。

（4）拉剪荷载下，拉剪比为0.27 时群钉连接件的极限承载力仅为剪切荷载下的0.74，对应的相对滑移值明显下降，拉剪比0.17 时，UHPC 中群钉连接件的极限承载力和相对滑移值下降程度很小，其对连接件力学行为的影响可忽略。

（5）本文提出的剪切荷载-滑移计算模型与试验所的曲线吻合较好，与已有模型相比，能更准确的描述UHPC 中群钉连接件的行为。