带约束构造的栓钉连接件组合板界面抗剪性能试验研究.pdf

钢混凝土组合梁在负弯矩区混凝土受拉开裂的问题，将引起组合梁刚度的降低，承载力下降，成为制约组合结构发展应用的重要原因之一。针对该问题提出一种基于带约束构造栓钉连接件的组合板构造措施，即在组合梁负弯矩区混凝土翼缘板增加附加钢板，附加钢板和钢梁上分别焊接带约束构造的栓钉连接件，两者相互咬合交错布置在混凝土板两侧。通过双界面抗剪性能试验验证在负弯矩区采用附加钢板帮助混凝土受拉的可行性以及该组合板构造措施抑制混凝土板受拉开裂的有效性，并对组合板中带约束构造栓钉连接件的界面抗剪性能进行研究。研究结果表明：带约束构造的栓钉连接件能将裂缝约束在6倍栓钉直径范围内，避免混凝土板纵向贯通劈裂裂缝，充分发挥混凝土受压强度高的优点，且约束构造能有效提高栓钉的抗剪刚度；证明在负弯矩区采用附加钢板替代混凝土板及其内的受拉钢筋受拉切实可行，带约束构造的栓钉连接件能降低纵向抗剪横向钢筋的用量；提出带约束构造栓钉连接件的抗剪刚度计算公式以及能评价不同长径比栓钉的材料利用效率和抗剪效率的剪切刚度比剪切角理论曲线，建议带约束构造的栓钉连接件弹性抗剪刚度极限值，为此类剪力连接件的工程应用奠定良好的试验和理论基础。关键词：栓钉连接件；受力性能；界面抗剪性能；抗剪刚度中图分类号：TU398.9 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）07-2629-14Interface shear behavior of stud shear connectors composite plate with constrained measureQI Jingjing1,WU Jidong1,JIANG Lizhong2,CAO Hua3,XIE Zuwei1,L Weirong1,HUANG Zhi1(1.School of Civil Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China;2.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;3.Hunan Architectural Design Institute Limited Company,Changsha 410012,China)Abstract:The problem of concrete cracking of composite beam during application will decrease of the member stiffness and bearing capacity,and become one of the important reasons restricting the development and 收稿日期：2022-07-24基金项目：湖南省自然科学基金资助项目(2021JJ30261，2019JJ50185，2018JJ2129)；湖南省教育厅重点项目(20A184)；国家自然科学基金资助项目(51578235)；湖南省研究生科研创新项目(CX20210993)通信作者：吕伟荣(1974)，男，江西余干人，教授，博士，从事组合结构科研与教学；Email：LDOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20221461铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月application of composite structure.In order to solve the problem of concrete slab in negative bending moment zone of composite structure,a composite platec measure based on stud connector with constraint was proposed.By adding an additional steel plates to the concrete flange plate in the negative bending moment area of the composite beam,the additional steel plates and steel beams were welded with stud connectors with constraint structures respectively.The two were interlocked and staggered on both sides of the concrete plate.The feasibility of using additional steel plates to help concrete tensile in negative bending moment region and the effectiveness of this composite plate measure to prevent concrete slabs from opening crack were verified by double interface shear test.The interfacial shear performance of stud connector with constraint structure were studied.The results show that the stud connector with constraint structure can restrain the cracks within the range of 6 times the diameter of the stud,avoid longitudinal penetrating cracks of concrete slab,and give full play to the advantages of high compressive strength of concrete material.The constraint structure can effectively improve the shear stiffness of the stud.It is proved that it is feasible to use additional steel plate to replace the concrete plate and the tensile steel bar in the negative moment zone,and the stud connector with constraint structure can reduce the amount of transverse steel bar.A formula for calculating shear stiffness of stud connectors with constraint structures is proposed,and a shear stiffness ratio-shear angle curve is proposed to evaluate material utilization efficiency and shear efficiency of stud connectors with different length-diameter ratios.It is suggested that the maximum elastic shear stiffness of stud connector with constraint structure.It lays a good experimental and theoretical foundation for the engineering application of this kind of shear connector.Key words:stud connector;mechanical performance;interfacial shear behavior;shear stiffness 钢混凝土组合构件因其能兼顾钢结构和混凝土结构的优点，表现出比钢结构和混凝土结构更优越的力学性能，具有显著的技术经济效益和社会效益。然而，在其使用过程中组合梁负弯矩区混凝土板受拉开裂，将会引起组合梁刚度降低，承载力下降，导致钢筋钢梁锈蚀，严重影响结构的寿命和耐久性，成为制约组合结构发展应用的重要原因之一。国内外研究人员从多角度采用各种措施以期预防组合梁负弯矩区混凝土板受拉开裂的问题。预防混凝土开裂的措施主要有：对负弯矩区混凝土施加预应力13，如中支座丁落法、张拉法等，胡少伟等4设计了3根连续组合梁和1根连续纯钢梁的抗弯性能试验，试验表明在混凝土翼板上施加预应力，能明显提高组合梁开裂荷载，增大弹性工作区域，并且减小界面滑移，增强组合梁的协同工作，而随着混凝土的收缩徐变，预应力会损失，在给混凝土施加预应力时，不经意中对钢梁也施加了预应力；部分组合梁法(即在负弯矩区不设连接件，钢与混凝土不结合)，主要用于抵抗钢与混凝土的竖向分离，允许钢与混凝土间产生较大的滑移，该方法或多或少降低了负弯矩区梁的刚度和承载力，且在设置连接件的分界处会造成很大的应力集中，使其承载力与外荷载引起的内力不协调5；预制桥面板施工采用先跨中，后支点的施工顺序，分布间断施工法，可有效的减小负弯矩区桥面板的恒载拉应力，提高负弯矩区混凝土桥面板的受力及使用性能；采用高强高性能混凝土67，通过在桥面板混凝土中掺入高模量、高强度复合纤维，减少混凝土收缩徐变阶段所产生的裂纹，从而提高混凝土桥面板的密实度和抗裂性能；采用抗拔不抗剪连接件，聂建国等89提出抗拔不抗剪新技术，并研发出相应的连接件构造形式，抗拔不抗剪新型连接件在几乎不削弱负弯矩区组合梁整体刚度和极限承载力的同时，可显著提高负弯矩区混凝土板的抗裂性能。综上所述，预防负弯矩区混凝土开裂的方法多种多样，各有优劣，在实际工程中经常需综合应用其中几种方法10，施工过程较复杂，经济效益不高。目前较为公认的构造简单、施工方便的为抗拔不抗剪技术，该技术在水平方向和正常使用时2630第 7 期戚菁菁，等：带约束构造的栓钉连接件组合板界面抗剪性能试验研究是“放”的思路，如能从“抗”的角度采用新思路，提出相应的构造措施解决负弯矩开裂问题，将更充分利用负弯矩区的混凝土，充分发挥钢和混凝土2种材料的材料性能，提高组合结构的耐久性和使用寿命。双钢板混凝土组合板(SCS组合板)是一种采用钢板代替受力钢筋外包与混凝土而形成的组合结构，构件截面中间为混凝土，内外两侧均为钢板，钢板与混凝土之间设置连接件，增加钢板与混凝土之间的截面连接，保证双钢板-混凝土共同工作11。与传统的钢筋混凝土结构或钢结构相比，SCS组合结构具有承载能力高、变形能力好，包裹并固定开裂混凝土，使整体结构在破坏后期仍然可控1213。研究表明，若能保证钢板与混凝土板的组合作用，则能利用钢板代替混凝土板受拉，充分提高材料的利用效率1416。本课题组前期研究提出带约束构造的栓钉剪力连接件(如图1)，并通过推出试验证实其优异的抗剪刚度和抗劈裂能力，能有效保证钢材与混凝土板的强连接组合作用17，鉴于双钢板混凝土组合板和带约束构造剪力连接件的上述力学性能特点，借鉴其思路用于组合梁负弯矩区，以期利用附加钢板代替混凝土受拉，保证钢材和混凝土的组合作用，控制负弯矩区混凝土的受拉开裂，充分提高材料的利用效率。本文提出一种组合梁负弯矩区带约束构造的栓钉连接件新型组合板，该新型组合板具体构造为在组合梁的负弯矩区混凝土翼缘板上增加一块附加钢板，该附加钢板采用带约束构造的栓钉连接件与钢梁上的剪力连接件交错布置咬合在混凝土板的两侧(如图2)，使混凝土板以承受交错布置的带约束构造栓钉连接件的剪压力为主。通过改进的剪力连接件双界面推出试验研究组合板中带约束构造的栓钉连接件能否将混凝土中的力有效地传递到附加钢板上，验证在混凝土的负弯矩区增加附加钢板形成组合板来解决混凝土板受拉的可行性，从而证明组合构件负弯矩区组合板构造措施抑制混凝土板受拉开裂的有效性。1 试验概况1.1试验目的为验证本文提出的基于带约束构造栓钉连接件的组合构件负弯矩区构造措施的有效性及效率，在推出试验的基础上改进设计双界面抗剪性能试验，通过试验研究附加钢板与钢梁之间采用带约束构造的栓钉连接件连接的界面抗剪刚度及受力性能。1.2试件设计本试验共设计了4个带约束构造和2个传统的栓钉抗剪连接件试件。该试件由钢梁、混凝土板和附加钢板3部分组成。钢梁翼缘两侧通过带约束构造的栓钉连接件连接混凝土板，同时在混凝土板的另一侧通过带约束构造的栓钉连接件连接附加钢板，钢梁和钢板的栓钉连接件交错布置相互咬合。整个构件外侧附加钢板落地，钢梁和混凝土板均悬空如图3所示。带约束构造的栓钉连接件是由普通栓钉通过焊接的方式与钢梁翼缘、钢板连接，其具体构造详见文献17，如图1和图2所示，试验构件的尺寸如表1所示。1.3试验加载及量测方案本试验采用湖南科技大学结构试验室500T长柱试验机对构件进行竖向加载，试验荷载采用为图1带约束构造的栓钉连接件立面图Fig.1Elevation of stud connector with restrained construction图2组合梁负弯矩区增加附加钢板Fig.2Add additional steel plate in negative bending moment area2631铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月200T的YN-TJ3柱式称重传感器测量，钢筋和栓钉的应变采用DH3821静态应变分析系统同步采集，界面的相对滑移则采用数显百分表采集。为保证试件在加载过程中均匀受力，加载前在构件底座和传感器底座垫上3 mm左右的细砂，将构件放置在长柱试验机的中心位置进行加载如图4所示。单位：mm(a)构件3D图；(b)构件立面图；(c)构件侧面图；(d)构件俯视图图3带约束构造的栓钉连接件构件三视图Fig.3Three views of stud connector component with constrained measure表1试验构件参数Table 1Test member parameters构件编号N19T19N22NW22T22N25栓钉直径d/mm及栓钉长径比1919222222255.265.264.554.554.554.0混凝土强度C40，C80C40C40，C80C40，C80C40C40，C80横向抗劈裂钢筋(拉钩及间距)5 C 8，(A6200)5 C 8(A6200)5 C 10，(A6200)5 C 10，5 C 10，(A6200)5 C 12，(A6200)高强细石砼直径3d/mm57666675螺旋筋直径6d/mm114132132150注：构件编号字母N表示带约束构造的栓钉试件；T表示传统栓钉试件；NW则为带约束构造的而无横向钢筋拉钩的栓钉试件；其中C40表示混凝土板的强度等级，C80表示栓钉外包高强细石混凝土的强度等级。2632第 7 期戚菁菁，等：带约束构造的栓钉连接件组合板界面抗剪性能试验研究本试验采用的是集中荷载静力加载，采用单调分级加载方式，加载阶段分为预加载和正式加载2个阶段。预加载阶段：荷载从0一直加到极限荷载的40%，等待35 min，待百分表和读数稳定后读数，然后卸载到极限荷载的5%，循环加载5次，通过预加载可使构件与长柱试验机的底板压实，还可以检测试验所用设备是否正常工作，为正式加载做准备。正式加载阶段：正式加载分为3个阶段加载，第1阶段从极限荷载的5%开始每级加载极限荷载的10%，加载至极限荷载的50%；第2阶段减少为每级加载极限荷载的 6.7%，加载至极限荷载的70%；第 3 阶段减少为每级加载极限荷载的 5%，直到构件破坏。加载过程中每级加载后需等待35 min待百分表数值稳定后再读数，且每级加载观察构件混凝土表面是否产生裂缝并用铅笔描出裂缝并记录荷载。本试验主要量测钢梁混凝土、钢板混凝土和钢梁钢板3个界面的相对滑移以及钢筋和栓钉的应力。钢梁混凝土界面的滑移测量是在混凝土内侧栓钉位置用 502 胶粘贴角钢，然后将百分表底座固定在钢梁上，指针则抵在角钢上。钢板混凝土界面的滑移测量是在混凝土外侧栓钉位置用 502 较粘贴角钢，然后将百分表底座固定在钢板上，指针则抵在角钢上。钢梁钢板界面的滑移测量是在钢梁和钢板上同一高度焊接一根角钢来量测钢梁钢板界面的滑移如图 5(a)。图 5(b)表示栓钉应变片、钢梁应变片、钢板应变片及钢筋应变片位置布置，构件在混凝土板中的横向钢筋网中的近钢翼缘侧横向钢筋(L)和近附加钢板侧横向钢筋(U)各贴5个应变片，由上到下分别编号为1-5。图4试验装置图Fig.4Test device diagram(a)百分表布置图；(b)栓钉、钢梁、钢板及横向钢筋应变片布置图图5试验量测方案图Fig.5Test measurement plan2633铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月1.4试验材料特性试验中钢梁和钢板采用Q335B的钢材，所使用的热轧 H 型钢钢梁截面为 HW250250914，钢板厚度为16 mm。本试验采用C40人工搅拌混凝土，其与构件在结构试验室通过28 d同条件养护之后的立方体标准混凝土试块抗压强度测试结果如表2所示。本次试验构件中横向钢筋采用的是HRB400型钢筋，试件中包含了8，10以及12 mm 3种直径钢筋，每种不同直径钢筋从试件中选出2根，在万能试验机上进行材性试验，试验结果如表3所示。2 试验分析2.1破坏状态由6组试件的界面抗剪性能试验结果可知：除N22构件为钢板侧栓钉剪断外如图6(a)，其余5个构件均为钢梁侧栓钉剪断如图6(b)所示。所有构件均在钢梁下排栓钉位置最先出现横向裂缝(图6(c)然后向钢板侧混凝土扩散。随着荷载的增加混凝土板裂缝进一步扩展，最终栓钉剪断构件破坏。双界面推出试验结果如表 4 所示，N19，N22 和N25构件其极限承载力较极限承载力设计值分别提高了40%，27%和9%。构件破坏后在栓钉周围虽均出现细微裂缝，但带约束构造的栓钉连接件能将裂缝很好地约束在6d范围内(图6(d)。构件T19和 T22在上下排栓钉之间形成了贯通的纵向裂缝(图 6(e)，而构件 N19，N22 和 NW22 只在栓钉周围出现没有贯通的纵向裂缝，即使 N25构件出现了贯通的横向裂缝也未出现贯通的纵向裂缝(图6(f)。剪力连接件在混凝土翼缘板中的受力十分复杂，由文献18可知，混凝土板中栓钉所受纵向剪力与混凝土压力以及横向钢筋拉力三者互相平衡。当横向拉力大于混凝土的开裂应力时，混凝土板会出现纵向裂缝，而由横向钢筋应变结果和前期有限元而分析结果可知，当采用带约束构造的栓钉剪力连接件，能有效降低混凝土板中横向钢筋和混凝土受拉的应力水平，因此，约束构造能抑制栓钉之间出现贯通的纵向裂缝，能有效阻断已发生或潜在的纵向劈裂及劈裂裂缝的发展，保障组合构件界面剪力的传力要求。由表4可知：1)栓钉长径比对剪力连接件的抗剪承载力和抗剪刚度的提高均有较大影响。由 19 mm 和22 mm组的构件对比可知，栓钉长径比分别为5.26和4.55，带约束构造的栓钉连接件的抗剪承载力为传统栓钉抗剪承载力的 1.11和 1.23倍；但带约束构造的栓钉连接件的抗剪刚度为传统栓钉抗剪刚度的 1.42和 1.50倍，约束构造对抗剪刚度的提高更为有效和显著，且不随着栓钉长径比的降低而降低，剪撬效应最不利的情况下(栓钉最小长径比4.0)，约束构造的效果也不会降低。表3钢筋拉伸试验结果Table 3Test results of bar stretch钢筋型号HRB400直径/mm81012屈服强度/MPa441501604552458461平均屈服强度/MPa471578459.5抗拉强度/MPa662679697704661662平均抗拉强度/MPa670.5700.5661.5延伸率0.160.160.160.160.160.16表2混凝土材性试验结果Table 2Concrete material properties test results组别第1组第2组时间28 d28 d破坏力值/kN1 094.501 017.10998.071 027.80900.47982.84强度值/MPa48.6445.2044.3545.6840.0243.68强度平均值/MPa46.0643.132634第 7 期戚菁菁，等：带约束构造的栓钉连接件组合板界面抗剪性能试验研究2)N19和N22分别与同直径传统推出试验17对比可知：在混凝土板整体零正应力状态下，界面剪切性能试验带约束构造的栓钉连接件抗剪刚度分别为传统推出试验带约束构造的栓钉连接件抗剪刚度的 0.93和 0.92倍。混凝土板整体零正应力状态对带约束构造的栓钉连接件抗剪刚度的影响在8%以内，仍具备强韧的界面抗剪刚度。这为在负弯矩区尽可能采用附加钢板受拉，降低混凝土板受拉破坏提供必要的基础保障。2.2荷载滑移曲线本试验主要量测了每级荷载下的3种滑移量值分别为：钢梁翼缘与附加钢板之间的滑移S，钢梁翼缘与混凝土板之间的界面滑移S1以及附加钢板与混凝土板之间的界面滑移S2。通过同栓钉直径构件组在每级荷载下3种界面的荷载滑移曲线来研究带约束构造的栓钉连接件界面抗剪性能，将每组直径的栓钉绘制出其3种界面的荷载滑移曲线如图7所示。通过以上6组试件(图7)的荷载滑移曲线对比可知，不同类型不同直径的构件在竖向集中荷载的作用下具有相同的变化趋势，在试件加载初期，滑移较小，主要由混凝土与其两边的钢梁、钢板之间的黏接力和摩擦力来承担荷载，试件抗滑移能力较强，荷载滑移曲线基本呈线性关系。由于栓钉连接件周围包裹的高强混凝土、碳纤维布以及螺旋箍筋能有效地抑制混凝土的开裂及内部裂缝的扩展，在受力初期栓钉和钢筋均处在弹性阶段。随着荷载的持续增长，栓钉连接件根部混凝土受压，产生应力集中现象，栓钉逐渐屈服，滑移的增长速度加快，但是由于栓钉周围的约束构造限制了裂缝的扩展，所以此阶段混凝土表面没有任何裂缝或者只出现些许裂缝，当荷载接近极表4试验结果Table 4Test results of this experiment试件编号T19N19T22N22NW22N25平均单钉极限荷载P/kN100.4110110135121140极限推出荷载V/kN802.9878.2876.61 080.49661 120.1受剪承载力设计值Vu/kN634.7634.7851.2851.2851.21 099.8单钉抗剪刚度K/(kNmm1)63.790.575.3113.2100.3118.3(a)钢板侧栓钉剪断；(b)钢梁侧栓钉剪断；(c)N22钢梁翼缘侧下排栓钉位置；(d)N22附加钢板侧上排栓钉；(e)T22钢梁翼缘侧砼；(f)N25钢梁翼缘处栓钉裂缝图6试件试验现象Fig.6Specimen test phenomenon2635铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月限荷载时，荷载滑移曲线趋于水平。在进入塑性阶段后，荷载滑移曲线的斜率逐渐减小，此时荷载滑移曲线呈现非线性关系，滑移增长速度明显增加而荷载增长速度相对减慢。从图中同一直径的试件可知：有约束构造的构件的初始刚度较传统栓钉构件的初始刚度有较大提升，且刚度退化较少。整个过程中有约束构造的构件的荷载滑移曲线始终在传统栓钉构件的上方且前者的极限荷载都较后者高。由图7(a)可知，N19，N22，NW22和N25构件在破坏时的钢梁与钢板的滑移基本保持在3 mm左右，而T19和T22构件在破坏时的钢梁与钢板的滑移均超过了4 mm，且同直径的栓钉的极限承载力也是带约束构造的构件更高，由此可知约束构造能使构件拥有更好的整体刚度且提高其极限承载力。N22与NW22在加载的前期2个曲线基本是重合的，但 NW22在达到某一个值后突然破坏，而N22能够在后期展现出更好的延性使承载力进一步提高，由此可见在横向钢筋之间增加拉钩能使构件弹塑性阶段的承载力提高 12%，有利于界面抗剪延性开展，使构件能够更好地发挥其后期的延性进一步提高其极限承载力。由图7(b)可知，传统栓钉构件T19和T22在整个过程中钢梁混凝土的滑移始终大于钢板混凝土的滑移且最终滑移量相差接近1 mm，最后构件是钢梁侧栓钉剪断破坏。而有约束构造构件N19，N22，NW22和N25，除N25外其余构件整个过程中钢梁混凝土的滑移始终小于钢板混凝土的滑移。N22在整个过程中钢梁混凝土的滑移始终小于钢板混凝土的滑移且最终滑移量相差大于1 mm，所以最后构件是钢板侧栓钉剪断破坏。由此可见自带约束构造的栓钉连接件能将钢梁上的力通过钢梁侧栓钉、混凝土、钢板侧栓钉传递到钢板侧，显然能够带动栓钉间更多的混凝土受力，从而证实在组合梁负弯矩区采用增加附加钢板来替代混凝土板及其内的受拉钢筋受拉是可行的。而对于试件N25，由于随着栓钉直径增大其剪力连接件抗剪效率反而降低，钢板侧栓钉传力相对钢梁侧栓钉较小，因此钢板侧滑移小于刚梁侧滑移。弹性状态下负弯矩区附加钢板能承受的拉力水平由附加钢板与混凝土板界面刚度及钢梁翼缘与砼板界面刚度确定；当受拉区进入塑性状态，中和轴下移，负弯矩区附加钢板能承受的拉力水平由附加钢板与混凝土板界面抗剪连接度及钢梁翼缘与混凝土板界面抗剪连接度确定。2.3试件荷载应变曲线本试验针对各试件混凝土板中的横向钢筋应力状态进行分析。通过试验得到混凝土板中2层横向钢筋的荷载应变曲线，以 22 mm 直径栓钉为例，如图8所示。由图8(a)和8(b)可知，对于带约束构造的栓钉连接件，即使单钉剪力达到137.5 kN，剪断时应变约 为 1 300 个 微 应 变，横 向 钢 筋 应 力 不 超 过268 MPa，此时横向钢筋应力仍不会屈服。由图(a)钢梁翼缘附加钢板(P-S)；(b)钢梁翼缘砼板(P-S1)、附加钢板砼板(P-S2)图7所有构件荷载-滑移曲线Fig.7All member load-slip curves2636第 7 期戚菁菁，等：带约束构造的栓钉连接件组合板界面抗剪性能试验研究8(c)和8(d)可知，对于传统栓钉连接件，单钉剪力达到约 100 kN 时，横向钢筋达到 1 8002 000个微应变，横向钢筋应力达到设计值并屈服。因此，组合梁中采用带约束构造的栓钉连接件，可较大地降低现有钢结构设计标准19中抗纵向剪撬劈裂的横向钢筋用量，其用量按纵向剪力的 10%15%配置横向钢筋就足以满足抗纵向剪切的受力要求。多余的横向钢筋将去承受组合梁梗肋处板的面外弯矩，为加大组合梁混凝土翼缘板的跨度奠定受力基础。3 带约束构造的栓钉连接件抗剪刚度研究3.1抗剪刚度公式基于推出试验和带约束构造的栓钉连接件界面抗剪性能试验结果可知，影响栓钉连接件抗剪刚度的因素较多，而目前国内外对栓钉的抗剪刚度计算标准不统一，如欧洲钢混组合结构设计标准中采用0.7倍极限承载力对应的割线刚度，日本规范规定为最大抗剪承载力的1/3处的割线刚度以及0.8 mm割线法，上述计算方法无法反应栓钉在受力全过程中的刚度退化。钢混凝土组合桥梁设计规范20中6.3.1条条文说明中单个抗剪连接件的抗剪刚度公式(式(1)能较好地反应出栓钉全过程的受力及其刚度退化规律。本文参考文献20中单个抗剪连接件抗剪刚度K的公式形式(式(1)所示)，并结合试验数据考虑带约束构造的栓钉连接件抗剪刚度提高的力学性能引入其抗剪承载力修正系数得到公式(2)，拟合各构件试验的荷载滑移曲线数据得到其和a的值，在同类构件中考虑栓钉长径比对修正系数的影响拟合出与其长径比r的公式如式(3)和(4)(其中式(3)为推出试验修正系数公式，式(4)为界面抗剪性能试验修正系数公式)，各系数计算结果如表5所(a)N22钢梁侧；(b)N22钢板侧；(c)T22钢梁侧；(d)T22钢板侧图8各构件横向钢筋荷载-应变曲线Fig.8Reinforcement load-strain curves of each member2637铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月示。试验拟合的抗剪刚度公式与试验获得的荷载滑移曲线对比图、不同推出试验修正系数与长径比r的关系如图9和图10所示。VVu=S0.5+0.97S(1)VVu=Sa+S(2)式中：Vu为构件极限抗剪承载力设计值按钢结构设计标准(GB 500172017)19中14.3.1的栓钉抗剪承载力公式计算，V为构件的承载力，S为该承载力时对应的滑移值。=-0.035+0.307r(3)=-0.032+0.320r(4)由此可得：1)试验拟合的抗剪刚度公式与试验获得的荷载滑移曲线吻合度良好，如图9所示，符合栓钉抗剪刚度的基本规律。表5曲线拟合的公式系数Table 5Formula coefficients for curve fit单界面双界面编号19N22N25NN19N22N25a0.2700.2920.4720.4670.3330.4361.5901.3461.2041.6601.4091.257r5.2634.5454.0005.2634.5454.000注：表中19N，22N和25N为推出试验构件(简称“单界面”试验)；N19，N22和N25为带约束构造的栓钉连接件界面抗剪性能试验(简称“双界面”试验)。(a)19N；(b)N19图9各构件荷载滑移曲线Fig.9Load-slip curves of each member(a)推出试验(“单界面”)；(b)界面抗剪性能试验(“双界面”)图10修正系数与长径比r的关系Fig.10Relationship between correction factor and aspect ratio r2638第 7 期戚菁菁，等：带约束构造的栓钉连接件组合板界面抗剪性能试验研究2)对比试验拟合的抗剪刚度公式(2)与文献中公式(1)的参数，其修正系数均大于规范值1，而a的值均小于规范值0.5，可知带约束构造的栓钉连接件在其承载力提高的同时还减小了构件的滑移，因此其在抗剪受力的全过程具备显著的抗剪刚度优势。3)文 献 20 中 公 式(1)是 按 标 准 推 出 试 验(150 mm板厚)获得的抗剪刚度数据，本文推出试验是建立在板厚均为120 mm的基础上，从试验数据和拟合公式来看，即使减小板厚，约束构造仍能有效提高栓钉的抗剪刚度。4)由表5中参数的变化规律可见随着长径比的减小，公式中的也呈现线性降低的趋势，可知长径比的减小会降低带约束构造的栓钉连接件的抗剪效率。5)由图 10可知，当长径比 r在 45.3 之间变化时，栓钉抗剪承载力Vu值的修正系数在1.21.6之间，与长径比r基本呈线性增大关系。6)本文得出的抗剪刚度公式与钢混凝土组合桥梁设计规范206.3.1条中的传统栓钉抗剪刚度公式比较，该公式考虑了长径比r对栓钉抗剪刚度的影响，公式参数取值更明确，能综合反应栓钉与混凝土之间的相互作用及剪撬影响，更具有广泛适用性。3.2剪切刚度比剪切角曲线剪力连接件的抗剪刚度能反应连接件在钢混凝土结合面上抵抗剪切力而发生变形(即界面滑移)的能力。滑移过大将导致构件刚度降低，挠度增大，因此现行的各组合结构规范通常对剪力连接件的滑移进行限制，以保证钢混凝土界面共同工作。如公路钢混组合桥梁设计与施工规范21第9.3.3条规定在正常使用极限状态下，组合构件的界面滑移限值为0.2 mm。然而，现行的各规范中均只是对栓钉的滑移进行限制，但针对不同长度、不同直径的栓钉而言，单一考虑滑移无法对栓钉的界面状态进行准确判定，为能对不同栓钉长度和栓钉直径(即栓钉的长径比)构件的受力状态进行比较分析，引入栓钉滑移 s与栓钉长度 l的比值，将其定义为栓钉剪切角(图11)，以期评价不同长径比下栓钉连接件的界面受力状态。由于栓钉扩大头一般位于混凝土翼缘板形心轴以上，带约束构造的栓钉连接件可简化为内含钢制栓钉的圆截面短梁进行计算。由钢结构设计标准14.3.119条中的单钉抗剪承载力设计值公式5可得，栓钉连接件在该力的作用下的滑移s(式(6)，其中栓钉连接件的抗剪刚度K和惯性矩按式(7)和式(8)计算所得，可得栓钉连接件的极限剪切角设计值计算式(9)。Nvc=0.7Asfu=0.7(d2)2fu(5)s=NvcK=0.7()d22fu12Esd464l3=11.2ful33Esd2(6)K=12EsIl3(7)I=d464(8)=sl=11.2ful33Esd2l=11.2fu3Es(ld)2(9)栓钉连接件的抗剪承载力可由式(10)计算。为比较不同栓钉对于材料的利用效率，引入栓钉抗剪承载力与钢结构设计标准19中的栓钉抗剪承载力设计值的比即剪切刚度比，如式(11)所示。Nv=Ks=12Esd464l3l=12Esd464l2(10)=NvNvc=12Esd464l20.7()d22fu=3Es2.8fu(dl)2(11)由式(9)和(11)可知栓钉的极限剪切角设计值和剪切刚度比与长径比有关，因此引入剪切刚度比剪切角曲线(如图 11)，横坐标为剪切角(式(12)，纵坐标为剪切刚度比(式(13)，使其能评价不同长径比下栓钉连接件的界面变形状态，且通过比较单位剪切角下的剪切刚度比来衡量材料的利用效率及抗剪效率。根据试验数据绘出各构件的剪切刚度比剪切角曲线如图12所示。剪切角()=滑移(s)栓钉长度(l)(12)2639铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月剪切刚度比()=单钉剪力(Nv)单钉抗剪承载力设计值(Ncv)(13)由图12可知，当剪切刚度比相同时，同栓钉直径构件带约束构造的栓钉连接件比传统栓钉连接件的剪切角更小，说明带约束构造的栓钉连接件能够使栓钉拥有更高的材料利用效率和抗剪效率。当剪切角相同时，随着栓钉直径增大其剪切刚度比反而有所降低，说明增大栓钉直径对抗剪刚度是不利的，将降低材料的利用效率和抗剪效率。因此栓钉抗剪刚度应考虑栓钉长径比的影响进行修正。由试验结果可知，剪切角在 0.01之前栓钉连接件处于弹性状态，建议将剪切角为 0.01 时即100 mm长栓钉取 1 mm滑移量时对应的剪力定义为栓钉的抗剪刚度弹性极限值，其弹性抗剪刚度极限值如表6所示。由表6可知：带约束构造的栓钉连接件相较于传统栓钉在相同剪切角下，剪切刚度比较大，说明带约束构造的栓钉连接件具有更好的刚度且刚度退化更小，针对大直径栓钉应适当增加板厚或者增加混凝土强度使其与栓钉直径匹配。传统栓钉增加约束构造后，栓钉抗剪刚度的弹性极限值可大幅度提高。4 结论1)带约束构造的栓钉连接件能将裂缝约束在6 d范围内，且带约束构造的栓钉连接件的刚度退化更小，约束构造对栓钉的抗剪刚度提高更为有效和显著。试验表明在负弯矩区构造措施中带约束构造的栓钉连接件交错布置，能充分发挥混凝土材料受压强度高的优点，证实在负弯矩区采用附加钢板来替代混凝土板及其内的受拉钢筋受拉是可行的。2)在横向钢筋中增加拉钩能使构件的极限承载力提高 12%，有利于界面抗剪延性的开展，使构件能更好地发挥其进入弹塑性后的延性。采用带约束构造的栓钉连接件能有效降低现有钢结构设计标准中抗纵向剪撬劈裂