疊合型PBL連接件推出試驗及承載力研究

郭江然,史慶軒,2,馬 格,李騰飛,楊楓竹

(1. 西安建筑科技大學 土木工程學院,陜西 西安 710055; 2. 西安建筑科技大學 結構工程與抗震教育部重點實驗室,陜西 西安 710055; 3. 中國啟源工程設計研究院有限公司,陜西 西安 710016)

0 引言

20世紀80年代末,LEONHARDT等[1]提出了一種在組合結構中應用的剪力鍵。將開孔鋼板焊在工字鋼上翼緣,鋼筋從開孔中穿過,在型鋼上澆筑混凝土樓板,然后利用孔中混凝土榫和孔中鋼筋傳遞混凝土板和型鋼之間的縱向剪力,同時抵抗兩者之間的豎向掀起作用,這種連接件被命名為Perfobond Leiste (PBL)連接件。由于PBL連接件具有施工方便、抗剪性能好、疲勞性能優越等特點[2-5],因此被廣泛應用于組合結構和混合結構中。已有研究中PBL連接件主要分為2種形式:插入型PBL連接件[6-8]和疊合型PBL連接件[9-12],其中插入型主要應用于混合結構和橋梁施工中,疊合型在民用建筑等組合結構中的應用較為廣泛。對比2種類型PBL連接件力學性能[13-14],可以看出當開孔鋼板具有足夠的厚度時,PBL連接件的破壞形式為貫穿鋼筋的彎剪破壞,試件具有良好的延性,性能優于較薄的開孔鋼板連接件,同時混凝土榫受到的約束大小對連接件的荷載-滑移曲線特征和承載力均有顯著影響,其中混凝土榫受到的約束較小的疊合型PBL連接件承載力比較低,且荷載達到峰值后,連接件承載力迅速降低,荷載-滑移曲線下降明顯。因此混凝土榫受到的約束狀態對疊合型PBL連接件受力機理的影響值得深入研究。

準確計算抗剪承載力、分析荷載-滑移曲線特征是設計PBL連接件的關鍵。OGUEJIOFOR等[15]對考慮端部混凝土承壓作用的疊合型PBL連接件進行了推出試驗和數值模擬分析,得出了連接件抗剪承載力為混凝土榫、貫穿鋼筋和端部混凝土三部分抗剪作用疊加的結論。MEDBERRY等[16]通過對疊合型PBL連接件的推出試驗提出了考慮鋼板和混凝土之間粘結滑移的連接件承載力計算公式。胡建華等[17]完成了44個疊合型PBL連接件的推出試驗,得到了PBL連接件的抗剪承載力除受混凝土榫和貫穿鋼筋影響外,還與混凝土板中橫向鋼筋的配筋率有關的結論。AHN等[18]重點研究了混凝土強度和開孔鋼板布置方式2個參數。發現PBL連接件的破壞與端部承壓及混凝土榫破壞有關。雙排連接件的單孔抗剪承載力比標準單孔連接件低20%。楊勇等[19]開展了8個疊合型PBL連接件的推出試驗,提出了考慮端部混凝土承壓作用的PBL連接件的抗剪承載力計算公式。

可以看出,大量學者對PBL連接件的受剪性能分析集中在材料特性和構造尺寸等因素,尚未深入研究混凝土榫受到的約束大小對連接件受力機理的影響。ZOU等[20-21]完成了13組插入型PBL連接件的推出試驗,通過改變普通鋼筋實現約束強弱的改變。并在計算抗剪承載力時考慮不同因素與承載力和滑移之間的非線性關系。朱偉慶等[22-23]基于已有學者的關于單孔PBL連接件的試驗研究,重點研究了混凝土包裹、試件底面摩擦和貫穿鋼筋對混凝土榫的側向約束,得到了開孔鋼板厚度大于9mm的PBL連接件一般發生雙面剪切破壞的結論,提出了物理意義明確的抗剪承載力計算公式,并根據單孔PBL連接件在進入塑性狀態后所受側向約束力的不同,荷載-滑移曲線被劃分為三類。然而量化分析疊合型PBL連接件中橫向鋼筋約束狀態對抗剪承載力影響的研究還較少,且已有研究多針對單孔PBL連接件,對于多孔疊合型PBL連接件承載力的研究還比較欠缺,從而導致了PBL連接件在組合結構中的推廣應用受限。

為進一步研究約束狀態對疊合型PBL連接件受力性能的影響,提出考慮橫向鋼筋約束的多孔PBL連接件抗剪承載力計算公式。本文首先對7組PBL連接件進行推出試驗,觀察連接件試件的破壞模式,獲得連接件的抗剪承載力和荷載-滑移規律。試驗參數主要為開孔直徑和數量、孔中是否配置貫穿鋼筋和貫穿鋼筋直徑以及橫向鋼筋約束狀態。然后在本文試驗結果和已有疊合型PBL連接件的研究結果的基礎上,量化分析主要參數與連接件抗剪承載力的關系,建立抗剪承載力計算模型,引入孔洞影響系數,提出多孔PBL連接件抗剪承載力計算公式,驗證公式的準確性和適用性。

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

本文參照Eurocode 4[24]中推出的試件設計了7組PBL連接件進行試驗。試件的構造形式如圖1所示。試件采用的混凝土等級為C60,鋼材等級為Q345。為保證PBL連接件的延性[14],在截面尺寸為HW250 mm×250 mm×9 mm×14 mm的H型鋼翼緣兩側焊接厚度為16 mm的開孔鋼板?？字胸灤╀摻畈捎肏RB400級鋼筋,不同試件采用貫穿鋼筋的直徑有16 mm和20 mm這2種,屈服強度分別為443.68 MPa和443.19 MPa。板中橫向鋼筋采用HRB400級鋼筋,屈服強度為508.2 MPa,直徑為10 mm。試驗的主要研究參數包括開孔孔徑、是否配置貫穿鋼筋、貫穿鋼筋直徑、開孔數目及橫向鋼筋布置形式,具體如表1所示。橫向鋼筋約束狀態根據混凝土的體積配箍率進行區分,體積配箍率的改變通過改變箍筋配置形式實現。普通約束鋼筋和分段約束鋼筋形式分別如圖1(c)和(d)所示,通過設置分段約束鋼筋,混凝土板被分為多個獨立的約束區域。為消除端部混凝土的承壓作用,在開孔鋼板底部布置70 mm高的泡沫。同時在鋼板表面涂抹潤滑油來消除鋼材與混凝土之間的黏結作用。

圖1 推出試件構造示意圖Fig. 1 Structural diagram of push-out specimens

表1 推出試件基本參數Table 1 Parameters of push-out specimens

1.2 試驗加載與測量方案

試驗在500 t壓力試驗機上進行,加載裝置如圖2(a)和(b)所示,試件采用單調靜力加載。加載方案參考Eurocode 4[24],采用位移加載方式,首先進行預加載,然后再以0.2 mm/min的速率勻速加載。當承載力下降至極限載荷的80%以下或位移達到加載極限時停止加載,確保整個加載過程不少于15 min。加載時在型鋼頂部設置厚鋼板避免試件受力不均勻。試驗中主要測量內容包括荷載、型鋼與混凝土之間的相對滑移、貫穿鋼筋軸向應變。其中荷載由放置在試件與壓力機之間的力傳感器測量;相對滑移由試件上前后對稱布置的4個位移計測量,如圖2(c)所示,測量完成后取4個位移計的均值作為滑移最終值;貫穿鋼筋的軸向應變采用在開孔鋼板兩側對稱布置的應變片測量,如圖2(d)所示。

圖2 試驗加載裝置及測量布置Fig. 2 Loading equipment and instrumentation arrangement

1.3 試驗破壞過程和破壞形態

推出試件典型的外部破壞形態如圖3所示,由圖可知,PBL連接件的混凝土板在加載中首先出現沿開孔鋼板的豎向開裂,并逐漸延伸到板的邊緣,隨著加載的進行,混凝土板外側出現以開孔鋼板為中心而發展的水平裂縫或斜裂縫,頂部出現若干裂縫,型鋼與板之間發生輕微分離。

圖3 推出試件的外部破壞模式Fig. 3 Outer failure modes of push-out specimens

推出試件的內部破壞模式如圖4所示。由圖可知,所有試件的開孔鋼板保持完整,幾乎沒有變形,混凝土榫發生雙面剪切破壞,破壞面較為完整?？字杏胸灤╀摻畹脑嚰?其開孔鋼板與鋼筋之間的混凝土受壓擠出,孔中鋼筋發生彎剪變形,如圖4(a)～(c)所示。除此之外,內部混凝土榫剪切面平滑度和孔中貫穿鋼筋彎剪變形的程度受到橫向鋼筋約束的影響。

圖4 推出試件的內部破壞模式Fig. 4 Internal failure modes of push-out specimens

2 試驗結果分析

2.1 荷載-滑移曲線和承載力分析

所有試驗試件的荷載-滑移曲線如圖5所示,可以看出加載初期,連接件處在彈性階段,曲線比較陡峭,試件的抗剪剛度很大。當曲線出現明顯屈服拐點時,試件的滑移量均小于2 mm,符合剛性連接件的設計思想。當試件進入屈服狀態后,不同試件的荷載-滑移曲線開始表現出差異。不同于以往疊合型PBL連接件在峰值后荷載很快降至極限承載力的80%這一特征,由于本文采用的橫向鋼筋強度較高,除未配置橫向鋼筋的試件RP-2-50-16N外,所有試件的荷載-滑移曲線在峰值荷載后均下降緩慢,即使位移加載到很大時,試件都沒有下降到極限承載力的80%,且隨著位移的增加,曲線甚至出現了二次強化效應,說明試件維持荷載的能力優越。單孔連接件RP-1-50-16在曲線出現明顯屈服后一直沒有出現下降段,直到孔中貫穿鋼筋被剪斷,承載力突降。究其原因,板中橫向鋼筋的存在使混凝土榫受到的約束力增強,保證了混凝土榫和貫穿鋼筋均能充分發揮抗剪作用,疊合型PBL連接件的抗剪承載力和峰值后維持荷載的能力得到了明顯的提升。

圖5 荷載-滑移曲線Fig. 5 Load-slip curves of push-out specimens

2.2 貫穿鋼筋荷載-應變曲線

所有試件貫穿鋼筋的荷載-應變曲線如圖6所示。由圖可知,貫穿鋼筋在測點位置處上部受拉下部受壓,在加載初期,主要由混凝土榫承受荷載,在這一階段貫穿鋼筋基本不承受荷載,因此其應變值較小,隨著加載進行,貫穿鋼筋和開孔板之間的混凝土榫由于破壞逐漸退出工作,這一階段荷載主要由貫穿鋼筋承擔,因此其應變值迅速增加,如圖6所示,該階段曲線隨荷載的變化呈現非線性。PBL連接件的貫穿鋼筋荷載-應變曲線主要有以下規律:①鋼筋各個截面上的應變均達到屈服應變2215με,這意味著貫穿鋼筋已經屈服。②同一試件中下排貫穿鋼筋的應變值更大。說明滑移沿試件的豎直方向傳遞和累積,下排孔中貫穿鋼筋承受的荷載和應變值更高。③屈服前在貫穿鋼筋同一位置的上下測點的應變值接近,且鋼筋上測點為拉應變,下測點為壓應變,說明貫穿鋼筋受到拉-彎共同作用。

圖6 貫穿鋼筋荷載-應變曲線Fig. 6 Load-strain curves of perforating rebar

3 疊合型PBL連接件抗剪承載力

3.1 主要影響因素分析

由于本文試驗數據有限,結合國內外相關疊合型PBL連接件推出試驗和數值模擬數據以及本文7個試件的試驗研究結果,選取幾個對抗剪承載力影響較大的因素進行分析。

1)混凝土強度

PBL連接件的抗剪承載力與混凝土立方體抗壓強度基本呈線性相關,抗剪承載力隨混凝土抗壓強度的增大而增大,如圖7所示。

圖7 抗剪承載力與混凝土立方體抗壓強度的關系Fig. 7 Relationship between shear bearing capacity and concrete compression strength 圖8 抗剪承載力與開孔直徑的關系 Fig. 8 Relationship between shear bearing capacity and hole diameter

2)開孔孔徑

PBL連接件的抗剪承載力與開孔直徑的關系如圖8所示。由于本文數據有限,因此結合對已有試驗數據[4,8,10-12]的線性回歸,可以發現PBL連接件的抗剪承載力與開孔直徑為二次拋物線關系。這是因為,開孔鋼板厚度合適的情況下,試件最終為混凝土榫的雙面剪切破壞和貫穿鋼筋的彎剪變形,而混凝土榫的抗剪貢獻主要是混凝土榫沿開孔鋼板剪切面的抗剪作用,因此,在其他參數一定的情況下,PBL連接件抗剪承載力與開孔面積成正比,即與開孔直徑為二次拋物線關系。

3)貫穿鋼筋

PBL連接件的抗剪承載力和貫穿鋼筋直徑的關系,如圖9所示。由圖可知,通過對本文及已有文獻[4,7,11-12,17]中數據的線性回歸,可以發現PBL連接件的受剪承載力隨貫穿鋼筋直徑的變化較大,二者保持二次拋物線關系。究其原因,貫穿鋼筋在試驗中的抗剪貢獻主要是豎向剪切面的抗剪作用,由于鋼筋為理想彈塑性材料,因此在其他參數一定的情況下,PBL連接件抗剪承載力與貫穿鋼筋的截面面積呈正線性相關,也就是與貫穿鋼筋直徑為二次拋物線關系。同時,當貫穿鋼筋直徑太大時,孔洞容積過小,混凝土粗骨料難以進入孔洞,混凝土榫的承載力會被削弱,貫穿鋼筋承壓面積也會變小,貫穿鋼筋承載力的貢獻也會受到影響。因此,在孔中貫穿鋼筋直徑與鋼板上開孔尺寸匹配合理時,貫穿鋼筋直徑的增大才能有效提高PBL連接件的抗剪承載力。

圖9 抗剪承載力與貫穿鋼筋的關系Fig. 9 Relationship between shear bearing capacity and perforating rebar 圖10 抗剪承載力與橫向鋼筋影響系數的關系 Fig. 10 Relationship between shear bearing capacity and transverse reinforcement influence coefficient

4)橫向鋼筋

橫向鋼筋骨架的主要作用是加強對混凝土榫的約束作用,從而提高混凝土榫在多向軸壓下的抗壓強度,這一特性可以用約束混凝土的力學特性描述。為了準確的量化橫向鋼筋的約束作用,本文引入一個新的參數λ,定義為橫向鋼筋影響系數,用來表示橫向鋼筋對孔中混凝土榫的側向約束:

λ=1+μt·fy/fc

(1)

式中:μt為混凝土板中橫向鋼筋的體積配箍率;fy為孔中貫穿鋼筋的屈服強度;fc為混凝土軸心抗壓強度。

結合本文及文獻[3,6,17]的試驗結果,可以發現,疊合型PBL連接件的開孔鋼板埋置深度較淺,周圍混凝土對混凝土榫的約束較弱,因此破壞形態經常表現為混凝土板發生縱向劈裂破壞,試件提前失效,材料難以充分發揮強度。但當橫向鋼筋影響系數較大時,即體積配箍率及鋼筋強度較大時,橫向鋼筋骨架對PBL連接件的約束較強,連接件試件的破壞形態除混凝土板的裂縫發展外,決定承載力的破壞主要為孔中混凝土榫的雙面剪切破壞,貫穿鋼筋被剪斷。由于本文試驗試件采用的橫向鋼筋屈服強度較高,體積配箍率較大,因此孔中混凝土榫處在較強的側向約束下,尤其是單孔連接件RP-1-50-16,破壞時其貫穿鋼筋被剪斷,荷載-滑移曲線呈現出插入型PBL連接件的特征,說明通過改變橫向鋼筋配箍率及鋼筋強度來改變混凝土榫的約束狀態,可以明顯改善PBL連接件的受剪承載力。圖10反映了PBL連接件的極限承載力與系數λ的關系?？梢钥闯?當其他參數一定時,PBL連接件抗剪承載力隨橫向鋼筋影響系數λ的增大而提高,但兩者表現出非線性的關系。

3.2 計算公式的提出

圖11為PBL連接件的受力狀態圖,從圖中可以直觀的觀察到PBL連接件抗剪承載力的主要組成部分。圖中,虛線代表沿開孔處的剪切面,PBL連接件的抗剪承載力Vu可分為兩部分:第一部分為開孔部位混凝土榫的提供的抗剪作用Vc,第二部分為貫穿鋼筋提供的抗剪作用Vs?；诖?孔中有無貫穿鋼筋的PBL連接件的抗剪承載力分別表示為:

圖11 PBL連接件的受力狀態Fig. 11 Stress of PBL connector

Vu=Vc+Vs

(2)

Vu,NS=Vc,NS

(3)

式中:Vu為孔中有貫穿鋼筋的單孔PBL連接件抗剪承載力;Vc為孔中混凝土榫的抗剪承載力;Vs為孔中貫穿鋼筋的抗剪承載力;Vu,NS為孔中未配置貫穿鋼筋的單孔PBL連接件抗剪承載力,只有孔中混凝土榫的抗剪承載力Vc,NS,Vu,NS僅受橫向鋼筋的約束,與貫穿鋼筋無關。

圖11(c)為孔中混凝土榫的多向受壓狀態圖,可以看出混凝土榫處在貫穿鋼筋σ1、開孔鋼板σ2、周圍混凝土σ3的三向圍壓下,因此混凝土榫的強度在一定程度上有所提高,在文中引入孔中混凝土榫的強度提高系數α1和α2,除此之外,混凝土榫還受到板中橫向鋼筋提供的側向約束力Fr,約束力的貢獻由橫向鋼筋影響系數λ表示,且橫向鋼筋約束對承載力的提高是非線性的,因此引入橫向鋼筋約束的影響系數ω。通過分析3.1節中對PBL連接件抗剪承載力的主要影響因素,并考慮抗剪承載力與這些因素之間的關系,可以得到以下混凝土榫提供的抗剪承載力計算公式為:

(4)

Vc,NS=α2λωd2fcu

(5)

式中:α1與α2為孔中混凝土榫的強度提高系數;ω為橫向鋼筋約束的影響系數;ds為孔中貫穿鋼筋的直徑。

圖11(d)為貫穿鋼筋的受力情況,貫穿鋼筋承受豎向荷載發生彎剪變形,因此局部混凝土對鋼筋的支撐作用在一定程度上可以限制貫穿鋼筋的豎向變形,并且將貫穿鋼筋對混凝土榫的約束作用包含在貫穿鋼筋的抗剪作用中,因此引入鋼筋強度增強系數α3,根據承載力影響因素分析,其承載力由鋼筋直徑ds及鋼筋屈服強度fy決定,考慮到這些因素與連接件抗剪承載力的關系,貫穿鋼筋提供的受剪承載力可表示為:

(6)

式中α3為貫穿鋼筋強度提高系數。

對于多孔PBL連接件,由于開孔板上相鄰孔洞破壞之后將發生應力重分布,因此需對混凝土榫和貫穿鋼筋所承擔的抗剪作用進行折減[19],在式(2)和式(3)的單孔承載力基礎上乘以孔洞數目n,再引入孔洞影響系數η進行折減,其中孔洞影響系數與孔洞數目、直徑和孔洞間距有關,最終可以得到多孔PBL連接的抗剪承載力的計算公式為:

Vu,a=nηVu

(7)

Vu,NS,a=nηVc,NS

(8)

式中:Vu,a與Vu,NS,a分別為孔中有無貫穿鋼筋的多孔PBL連接件抗剪承載力;η為孔洞影響系數,η=nd/(n-1)l,n為單側開孔數量,l為孔洞間距。

為了得到更為準確可靠的極限承載力計算公式,需要大量的、不同設計參數及參數水平的試驗數據。本文中對國內外疊合型PBL連接件推出試驗實測的受剪承載力數據進行了統計,得到40組數據如表2所示?；诒?的試驗數據,通過回歸分析擬合系數α1、α2和ω得到多孔PBL連接件的抗剪承載力計算公式為:

表2 疊合型PBL連接件推出試驗數據匯總Table 2 Push-out test results of superposed PBL connectors

(9)

Vu,NR,a=1.08nηλ1.22d2fcu

(10)

式中,當PBL連接件是標準單孔連接件時,孔洞影響系數η=1.0。

3.3 公式的驗證

為進一步驗證本文所提公式的有效性,本文式(9)和式(10)的計算結果如表2所示,并與各國學者以及規范[26]中提出的具有代表性的PBL連接件抗剪承載力公式計算結果進行對比,對比結果如圖12和表3所示。結合圖表可以看出:①采用本文考慮橫向鋼筋約束效應的非線性影響的計算公式所得結果與試驗結果更接近,總體標準差系數為0.184,平均值為0.987。其他計算公式對同一試件的計算結果存在較大差異,與試驗實測值之間誤差較大;②已有計算公式中抗剪承載力與主要參數以線性關系為主,不能體現試件承載力隨主要參數變化的非線性規律;③本文所提公式基本符合承載力變化規律,物理意義明確。且該式可適用于有、無貫穿鋼筋的構件,也考慮了多孔耦合作用對PBL連接件抗剪承載力的影響,應用范圍更加廣泛。

圖12 計算結果與試驗值對比Fig. 12 Comparison of calculation results with test results

表3 各抗剪承載力公式計算值與試驗值對比Table 3 Comparison of calculation values of each shear capacity equation with test values

4 結論

本文通過對疊合型PBL連接件的推出試驗和國內外推出試驗的匯總主要得到以下結論:

1)開孔鋼板厚度較大的PBL連接件內部的破壞模式為雙面剪切破壞,鑿開混凝土板后,可以發現開孔鋼板保持完整,基本沒有變形,混凝土榫形成比較完整的剪切斷裂面,貫穿鋼筋發生彎剪變形,且內部混凝土榫剪切面平滑度和孔中貫穿鋼筋彎剪變形的程度取決于橫向鋼筋約束的強弱。

2)荷載-滑移曲線峰值后的變化趨勢主要取決于混凝土榫受到的約束力的大小。約束狀態越強的連接件的承載力在峰值后下降緩慢,曲線基本保持穩定,出現二次強化效應,試件的持荷能力優越。單孔疊合型PBL連接件在孔中貫穿鋼筋被剪斷前,承載力沒有出現下降,荷載-滑移曲線與插入型PBL連接件的曲線特征幾乎一致。

3)PBL連接件的抗剪承載力主要由孔中混凝土榫剪切面的豎向抗剪及貫穿鋼筋豎向銷栓力組成,同時孔中混凝土榫受到貫穿鋼筋及橫向鋼筋的側向約束,間接提高了混凝土榫的抗剪承載力。通過對現有大量試驗數據分析,提出考慮橫向鋼筋約束非線性貢獻的多孔疊合型PBL連接件抗剪承載力計算公式,該式可適用于孔中有、無貫穿鋼筋的PBL連接件,也考慮了多孔耦合作用對PBL連接件抗剪承載力的影響,物理意義明確,適用范圍更加廣泛。

4)在組合結構中使用約束較弱的疊合型PBL連接件時或在開孔孔徑受限制的構件中,可以通過增加混凝土板的體積配筋率提高混凝土榫受到的約束力來改善連接件的力學性能。