閱讀 6287 次 高強高性能混凝土中栓釘受力性能研究
摘要:本文通過栓釘在混凝土中的受力和破壞機理的研究,指出栓釘的角焊縫設計和質量對栓釘的受力性能影響較大,并給出設計建議。結合相關實驗研究,給出栓釘在高強高性能混凝土承載力設計公式。...
高強高性能混凝土中栓釘受力性能研究
王耀峰 車順利
(1.陜西測繪局后勤服務中心 710054 西安
2.中國建筑西北設計研究院有限公司 710003 西安)
型鋼混凝土組合結構具有鋼筋混凝土結構和鋼結構各自的優點,該結構形式可以盡可能的發揮鋼材和混凝土材料各自的特點,因此獲得了廣泛的研究和應用。組合結構在受力性能及綜合指標方面具有優越性的同時,其力學行為也就更復雜。型鋼與混凝土共同工作的基礎是界面能夠傳遞剪力使二者的應力及變形協調,否則其相互間的組合作用將不能完全發揮,從而影響構件的受力性能,可見型鋼與混凝土界面會成為結構構件的薄弱區,“組合作用”的強弱具有決定性的作用。
高強高性能混凝土作為普通混凝土的替代產品,必將會在型鋼混凝土組合結構中得到應用。但如何實現型鋼與高強高性能混凝土的恰當組合就成為型鋼高強高性能混凝土構件設計的首要問題。栓釘作為常用的剪切連接方式,其在普通混凝土中的性能已有一定的研究,但其在高強高性能混凝土中的性能的研究報道卻很少。只有搞清楚高強高性能混凝土中栓釘受力性能,才能使設計人員在實際工程設計中有所依從,避免盲目性設計,從而有利于提高結構設計的可靠性與安全性。
一、栓釘的受力機理
研究表明,在荷載作用下栓釘連接件所受的剪力大部分作用在栓釘圓形焊縫上,栓釘根部的混凝土首先破壞,并迫使栓釘上部變形,栓釘受到了彎矩、軸力和剪力的聯合作用,這樣就導致栓釘連接件在工作中產生兩種破壞模式:①栓釘連接件本身被剪斷。當栓釘連接件本身尺寸較小、混凝土強度又較高時,連接件受力作用后,栓釘連接件達到極限抗剪強度而被剪斷。②栓釘周圍混凝土被壓碎。當栓釘直徑較大、抗剪強度較高,而周圍混凝土強度卻較低時,在外荷載達到較大值時,栓釘前面根部的混凝土會出現局部受壓而破碎或劈裂。
可見栓釘連接件在混凝土中的性能與混凝土性質有著密切關系。外荷載通過栓釘焊縫傳給栓釘根部,在栓釘根部混凝土產生局部壓力,并且發生了較大變形,使整個栓釘產生一個轉動的趨勢,而栓釘上端混凝土對栓釘的這種趨勢給予約束。隨著荷載的增加,當栓釘截面面積較大時,栓釘根部混凝土很快進入彈塑性工作狀態,而栓釘還是處于彈性工作狀態。隨著荷載的繼續增加,混凝土的塑性區由栓釘根部向上發展,相對滑移增加越來越快,非線性越來越明顯,接著混凝土達到了極限強度而被壓碎或劈裂,這時的承載力主要取決于混凝土強度。如果栓釘截面面積較小,而混凝土強度又較高,考慮栓釘根部混凝土受到栓釘、工字鋼及周圍混凝土的約束作用,提高了混凝土受壓強度,隨著荷載逐漸加大,栓釘連接件變形受到了限制,很快達到栓釘抗剪能力而被剪斷。
二、實驗研究
基于上述栓釘的受力機理,在試件設計中分別考慮了栓釘的直徑、混凝土強度等級、栓釘焊縫面積的大小以及焊接方法等幾個因素,部分試件參數見表1和圖1。為了確保混凝土的質量,實驗中對材料進行了精心選擇。栓釘的抗拉強度415Mpa,屈服強度345Mpa。實驗加載在100噸擬靜力液壓伺服作動器上進行(見圖2)。

三、實驗結果及分析
通過對實驗數據整理,不同規格栓釘所對應的荷載-滑移曲線如圖3所示。由于栓釘的變形能力受其底部約束的影響,在高強高性能混凝土中栓釘的最大滑移變形量明顯偏小。對于在C80的高強高性能混凝土中,隨著栓釘截面的增加,試件的變形量減小。尤其是當栓釘規格為φ22時,其變形量遠遠小于6mm,試件趨于脆性破壞。為了改善試件的變形性能,通過理論分析和實驗研究,設計了試件SRC-S5,即在保持總間距不變的條件下,縮小相鄰栓釘的間距。實驗表明改進后的試件變形性能大大增加,且承載力下降不多。在圖4反映了混凝土強度等級對栓釘承載力的影響,可見隨著凝土強度等級的提高,承載力有所上升,但相比混凝土強度的變化,承載力提高有限。

栓釘在高強高性能混凝土中破壞形式同在普通混凝土中差別也較大。其在高強高性能混凝土的剛性約束下,栓釘的變形破壞主要集中在栓釘焊腳底部約10mm的范圍內,其變形和破壞過程可用圖5來描述。

圖5a表明,試件受力后,混凝土的壓力直接作用于栓釘焊縫前側;在圖5b中,隨著荷載的增加,栓釘前混凝土的壓力增加,這時栓釘底部焊縫區承擔了大部分荷載,此時的混凝土受力狀態并非三軸受力狀態,因而其極限承載力提高不多。由于高強高性能混凝土的作用,栓釘的變形集中發生在焊縫附近,栓釘變形范圍外呈剛性狀態。與此同時,栓釘變形處出現混凝土鍥形區,其由塑性混凝土和強化混凝土組成。對于圖5c,隨著變形的發展,作用力合力點上移。若荷載繼續增加,后續混凝土在力的作用下會越過栓釘。栓釘右側附近混凝土與型鋼之間僅存摩擦力作用,其作用大小與骨料表面的性能密切相關。隨著塑性混凝土的增多,該區域高度增加,相應的栓釘的承載力范圍也得到提高,變形能力增加,從而相應的承載力也提高了。圖5d狀態下,作用力合力點仍會出現稍許上移,但試件的主要受力區仍集中在栓釘底部區域,即混凝土鍥形區高度范圍。隨著變形的加劇,栓釘底部發生塑性變形。若混凝土強度較低,栓釘會產生附加變形,破壞經常會發生在焊腳附近。實驗表明,混凝土采用C100或栓釘采用φ16的試件,其破壞基本上由栓釘破壞控制。為此,實驗還分別考察了不同的焊縫尺寸和施焊方法對栓釘性能的影響。實驗表明,隨著焊縫尺寸的增加和焊縫質量的提高,栓釘在高強高性能混凝土中的承載力有不同程度的提高,可見栓釘焊縫尺寸和焊縫質量的好壞也是影響栓釘在高強高性能混凝土性能的重要方面。
基于上述栓釘受力機理的分析和實驗研究,最終歸納出高強高性能混凝土中栓釘的承載力公式如下:

式中:fu為栓釘材質的抗拉強度;d為栓釘的直徑;hf,bf分別為焊腳的高度和寬度;fc為混凝土抗壓強度設計值。由于式(1)為實驗數據擬合而來,建議實際工程使用中采取適當的安全系數,建議取1.3。
四、小結
為了提高栓釘在高強高性能混凝土中的變形能力,改善組合構件的受力性能,可采用增加栓釘的焊腳尺寸、采用雙栓釘密焊以及采用高強鋼材與栓釘連接等方式。另一方面,對栓釘的幾何形狀和尺寸進行優化,如采用異性栓釘如Y型、螺旋形、p型等,也可實現栓釘受力性能的改善。本文的研究內容可為型鋼高強高性能混凝土構件設計提供設計借鑒和參考。
參考文獻:
[1] 王連廣.鋼與混凝土組合結構理論與計算[M].科學出版社,2005
[2] Roeder,C.W., Chmielowski.R., and Brown,C.B. Shear Connector Requirements for Embedded Steel Sections[J]. Journal of Structural Engineering, ASCE, 1999, 125(2):142~151.
(本文來源:陜西省土木建筑學會 文徑網絡:文徑 尹維維 編輯 劉真 審核)
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