剪力連接件靜載和疲勞試驗(yàn)研究

1、福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 JOURNAL OF FUZHOU UNIVERSITY1999年第27卷第6期Vol.27No.61999剪力連接件靜載和疲勞試驗(yàn)研究宗周紅車惠民摘要:共進(jìn)行了9只栓釘連接件和6只帶孔鋼板連接件的疲勞和靜載破壞試驗(yàn)研究,分析了混凝土材料類型和強(qiáng)度等級(jí)、連接件類型、橫向配筋等參數(shù)對(duì)連接件疲勞性能和極限承載力的影響,建立了相應(yīng)的疲勞強(qiáng)度與極限承載力計(jì)算公式.關(guān)鍵詞:剪力;連接件;疲勞;承載力中圖分類號(hào):TU323文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-2243(199906-0061-06Experimental Study of Shear Connectorunder S

2、tatic and Fatigue LoadingZONG Zhou-hong1,CHE Hui-min2(1.College of Civil Engineering and Architectures ,Fuzhou University,FjianFuzhou350002,China;2.College of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,SichuanChengdu610031;ChinaAbstract:This paper briefly summarizes the results of tests conduct

3、ed on 9 stud-connector push-out specimens and 6 perforated-plate-connector push-out specimens under static and fatigue loading.The test specimens were designed to study the effect of a number of parameters on the behavior of fatigue and the shear capacity of the connection.These were the type and th

4、e compressive strength of concrete,the number and the position of transverse reinforcements.The expressions of calculating the fatigue strength and shear capacity of stud and perforated plate connector are proposed.Keywords:shear;connector;fatigue;shear capacity在組合梁中連接件傳遞鋼與混凝土板之間縱向剪力和抵抗混凝土板與鋼梁之間的掀起,

5、保證截面上不同材料共同發(fā)揮作用.栓釘是應(yīng)用較多的一種連接件,人們對(duì)其靜力行為已有較多的認(rèn)識(shí),但對(duì)其疲勞性能尚未認(rèn)識(shí)全面;在組合梁或預(yù)應(yīng)力組合梁負(fù)彎矩區(qū),混凝土板處于受拉狀態(tài),采用鋼纖維混凝土可以大大改善負(fù)彎矩區(qū)的受力性能,而鋼纖維混凝土中連接件的受力性能研究尚未見(jiàn)報(bào)道.隨著組合結(jié)構(gòu)在中高層建筑和橋梁結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用,全面地研究不同類型剪力連接件的疲勞性能、荷載-滑移規(guī)律與極限承載力是在所必然的.1試驗(yàn)概況按照標(biāo)準(zhǔn)試件共設(shè)計(jì)了15只剪力連接件,其中栓釘連接件9只,帶孔鋼板6只.表1和 圖1分別為連接件的主要參數(shù)和構(gòu)造詳圖.圖1連接件構(gòu)造詳圖表1連接件推出試驗(yàn)試件連接件 類型試件編號(hào)混凝土抗壓強(qiáng)度f(wàn)

6、 cu/MPa混凝土劈拉強(qiáng)度f(wàn) cu/MPa每側(cè)縱筋數(shù)量每側(cè)橫筋數(shù)量鋼材特性/MPa栓釘SA-137.60 3.05210210鋼筋10:f y=319.3f u=436.1E=2.035105型鋼25a:f y=314.8f y=435.2E=1.906105 SB-137.60 3.05210310SC-137.60 3.05210310SA-2*47.60 3.41210210SB-2*47.60 3.41210310SC-2*47.60 3.41210310SRA40.35 4.37210210SRB*40.35 4.37210310SRC*40.35 4.37210310帶孔 鋼板C

7、S-139.53 3.33410210栓釘(16:f y=325.8f y=405.5 CB-139.53 3.33410310CC-139.53 3.33410310CA-260.00 3.70410210CB-2*60.00 3.70410310CC-2*60.00 3.70410310注:1A型試件中橫向鋼筋在連接件上下方各一,B型試件橫筋上二下一,C型試件橫筋上一下二2SRASRC為鋼纖維混凝土(1%體積比摻量試件,其余為普通混凝土試件3所有鋼筋網(wǎng)片均為綁扎而非焊接;且?guī)?者為疲勞試件試驗(yàn)在西南交通大學(xué)秦峰電液伺服加載系統(tǒng)上進(jìn)行的.疲勞試驗(yàn)同類型試件2個(gè)一組,同時(shí)進(jìn)行疲勞,達(dá)到200萬(wàn)

8、次后進(jìn)行破壞試驗(yàn).2連接件的疲勞性能試驗(yàn)中,隨著疲勞次數(shù)的增加,帶孔鋼板連接件CB-2、CC-2中在鋼與混凝土的交界面頂邊緣可以觀察到明顯的錯(cuò)開縫隙,而在試件SRB、SRC中則沒(méi)有看到,說(shuō)明鋼纖維混凝土板中連接件的疲勞抗力要高一些.試件相對(duì)滑移量測(cè)表明:界面相對(duì)滑移量很小,隨疲勞次數(shù)增加變化也很小;在剪切作用方向上橫向鋼筋較多時(shí)相對(duì)滑移要小一些,即B型試件的相對(duì)滑移大于C型試件的相對(duì)滑移;相對(duì)滑移的變化主要集中在前50萬(wàn)次,以后則趨于穩(wěn)定;同是栓釘連接件,在普通混凝土中的滑移量與鋼纖維混凝土中的相對(duì)滑移量相差不大.在經(jīng)歷200萬(wàn)次疲勞荷載作用后,界面上產(chǎn)生了一定量的相對(duì)滑移,但未發(fā)生連接件焊縫

9、疲勞破壞.對(duì)栓釘連接件疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)分析,得出下列公式:logN=22.25-8.06 logR(1式中:N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù);R為疲勞強(qiáng)度,取 R=4P Rd/d2,d為栓釘直徑,P Rd為單個(gè)栓釘?shù)钠诤奢d.試驗(yàn)結(jié)果和回歸計(jì)算結(jié)果如表2所示,兩者吻合較好.表2栓釘連接件疲勞試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果試件編號(hào)疲勞壽命P test/kNP cal/kNP cal/P testSB-2 2.010619.5119.140.981SC-2 2.010619.5119.140.981SRB 2.010619.5119.140.981SRC 2.010619.5119.140.981注:帶孔鋼板連接件僅

10、有2個(gè),無(wú)法進(jìn)行回歸分析3連接件的荷載-滑移規(guī)律3.1破壞機(jī)制柔性連接件栓釘和剛性連接件帶孔鋼板的破壞機(jī)制不同.栓釘在推出試件中處于彎剪受力狀態(tài),栓釘處混凝土裂縫為橫向發(fā)展;只有當(dāng)相對(duì)滑移較大時(shí),栓釘跟部靠近鋼翼緣的混凝土板才出現(xiàn)斜裂縫;栓釘周圍混凝土被擠壓和拉裂后,裂縫很快發(fā)展,以裂縫寬度較大或栓釘在焊縫處剪斷(圖2b為破壞標(biāo)志.帶孔鋼板連接件中帶孔鋼板主要受剪切作用,在剪力方向上鋼板端部混凝土受到?jīng)_切作用,裂縫首先在鋼板下端混凝土處產(chǎn)生,并形成縱向劈裂縫,裂縫形狀與大小和橫向鋼筋的數(shù)量及位置有關(guān)(圖2a,以混凝土縱向劈裂破壞為標(biāo)志. 圖2連接件試件的裂縫分布砸開混凝土發(fā)現(xiàn),在栓釘連接件中,

11、在受剪方向上栓釘焊縫周圍的混凝土被擠壓成粉末狀,栓釘基本上呈彎斜狀,如同受均布荷載的懸臂梁,或者在跟部焊縫處被剪斷.而帶孔鋼板幾乎沒(méi)有變形,其中的圓孔仍為圓孔.3.2荷載-滑移曲線荷載-滑移規(guī)律取決于混凝土類型和強(qiáng)度等級(jí)、橫向鋼筋位置和數(shù)量以及連接件類型等,總體而言,荷載-滑移曲線在上升段大體上呈線性,栓釘連接件較鋼板連接件的屈服延性稍好一些.1混凝土類型和強(qiáng)度等級(jí)由圖3(a可知,在栓釘連接件中,混凝土強(qiáng)度越高,承載力越大,相應(yīng)的滑移量也大一些;而鋼纖維混凝土中SRA連接件的承載力要比普通混凝土中SA-1連接件承載力高出約26.6%,兩者的荷載-滑移規(guī)律基本一致.在帶孔鋼板連接件中(圖3b,混

12、凝土強(qiáng)度的影響不太明顯,強(qiáng)度高者其滑移延性稍好一些. 圖3混凝土類型及強(qiáng)度對(duì)連接件性能的影響2橫向鋼筋實(shí)際組合結(jié)構(gòu)混凝土板中的橫向鋼筋起架立作用,還用于抵抗混凝土收縮、徐變及溫度應(yīng)力.研究表明,不論是剛性連接件還是柔性連接件,增加橫向鋼筋的配筋率將大大改善連接件的受力性能:提高承載力,減少相對(duì)滑移,防止混凝土板過(guò)早產(chǎn)生縱向劈裂破壞.由圖4可知,橫向鋼筋對(duì)帶孔鋼板連接件的影響更為顯著.在帶孔鋼板連接件中,CB-1較CA-1承載力高5.4%,而CC-1較CB-1承載力又高8.4%. 圖4橫向鋼筋數(shù)量及位置對(duì)連接件性能的影響3連接件類型很明顯,帶孔鋼板連接件的承載力要高于栓釘連接件,而相應(yīng)的滑移量要

13、小一些(表3,兩者均與混凝土的局部承壓強(qiáng)度和混凝土的抗拉強(qiáng)度有關(guān).通過(guò)比較還發(fā)現(xiàn),鋼纖維混凝土中栓釘連接件的承載力和帶孔鋼板連接件的承載力十分接近,而鋼纖維混凝土中連接件的開裂后延性又好于帶孔鋼板連接件,這一點(diǎn)很有實(shí)用價(jià)值.表3推出試件的極限荷載與滑移量試件編號(hào)極限荷載P u/kN相對(duì)滑移/mmSB-1352.8 5.10CB-1411.2 4.48SRB416.7 4.23SB-2367.6 4.37CB-2452.6 4.14SC-2397.2 3.53CC-2465.8 3.814疲勞的影響由于在疲勞階段界面上產(chǎn)生了相對(duì)滑移,因此,荷載-滑移曲線在開始時(shí)呈現(xiàn)下凹特性,但疲勞對(duì)極限承載力的

14、影響不很明顯(圖5. 圖5疲勞對(duì)連接件性能的影響4連接件極限承載力計(jì)算GBJ17-88中規(guī)定的栓釘承載力計(jì)算公式為(h/d4: (2式中:A d為栓釘截面面積,A d=d2/4,h、d分別為栓釘高度和直徑;E c、fc分別為混凝土彈性模量和軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;f為栓釘抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度.上述規(guī)定偏于保守,聶建國(guó)等(1996建議將限制值f放寬為f u,即: (3式中:f u為栓釘抗拉極限強(qiáng)度.歐洲規(guī)范4(EC.4根據(jù)大量的推出試驗(yàn)結(jié)果在可靠度分析的基礎(chǔ)上得出栓釘抗剪承載力為下列兩式計(jì)算的較小者: (4式中:f uk、f ck分別為栓釘連接件標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度和混凝土圓柱體標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度;為栓釘長(zhǎng)度影響系數(shù),=

15、0.2(h d+11.0,且h3d,d19mm;v為連接件抗力分項(xiàng)系數(shù),v=1.25;E cm為混凝土彈性模量平均值.從以上分析可以知道,栓釘或帶孔鋼板連接件的極限承載力不僅與混凝土類型和強(qiáng)度等級(jí)有關(guān),而且還與橫向鋼筋的數(shù)量及布置方式有關(guān);上述諸公式一方面沒(méi)有考慮橫向鋼筋的影響,另一方面用連接件截面面積與混凝土特性相乘,物理意義不甚明確.因此,本文采用下列較全面的和物理意義明確的回歸計(jì)算模型: (5式中:1為混凝土類型影響系數(shù),普通混凝土1=1.0,鋼纖維混凝土1=1.25;2為橫向鋼筋位置影響系數(shù),通常情況下取2=1.0,當(dāng)與受剪相反方向的橫向鋼筋較多時(shí)取2=1.5;1、2為回歸系數(shù):帶孔鋼

16、板,1=0.0029,2=0.75;栓釘,1=0.0018,2=0.55;A c每個(gè)連接件所分配的受剪混凝土面積;其中栓釘,A c=d c.,d c為混凝土板厚,為連接件縱向間距;帶孔鋼板:A c為混凝土縱向面積減去鋼板面積.A tr、f y分別為受剪方向橫向鋼筋的截面面積和屈服強(qiáng)度;f c為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度.表4給出了栓釘連接件承載力的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值之對(duì)比.由表4可知,GBJ17-88規(guī)定的栓釘承載力計(jì)算值偏于保守,導(dǎo)致實(shí)際結(jié)構(gòu)中連接件布置太密,增加施工難度和結(jié)構(gòu)成本;EC.4的計(jì)算結(jié)果稍好于GBJ17-88及而修改后(公式3的計(jì)算結(jié)果,但鋼纖維混凝土中的連接件承載力仍相差較大;本文建議

17、的公式崐計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合.表4連接件極限承載力實(shí)測(cè)值和計(jì)算值之對(duì)比(單位:kN試件編號(hào)實(shí)測(cè)公式(2公式(3公式(4公式(5SA-183.5045.0257.3465.2079.83SB-188.2045.0257.3465.2086.71SC-184.9545.0257.3465.2093.58SA-286.8545.0257.3465.2089.96SB-291.9045.0257.3465.2096.84SC-299.3045.0257.3465.20103.71SRA105.6845.0257.3465.2099.31SRB104.1845.0257.3465.20106.19

18、SRC106.6545.0257.3465.20113.06注:公式(4計(jì)算時(shí)未考慮抗力分項(xiàng)系數(shù)5結(jié)語(yǔ)1連接件疲勞試驗(yàn)顯示,沒(méi)有發(fā)生栓釘或鋼板連接件的疲勞破壞,實(shí)測(cè)相對(duì)滑移量值較小,其變化幅度也小,栓釘疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好,疲勞強(qiáng)度計(jì)算公式可用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì).2栓釘連接件破壞以栓釘受彎剪破壞或焊縫被剪斷為主,帶孔鋼板連接件以混凝土板縱向劈裂破壞為主.普通混凝土中帶孔鋼板連接件的極限承載力要高于栓釘連接件,鋼纖維混凝土中栓釘連接件的承載力和帶孔鋼板連接件相近,而栓釘連接件在非彈性階段的延性要好于帶孔鋼板連接件.3混凝土強(qiáng)度對(duì)栓釘連接件的影響要大于帶孔鋼板連接件,橫向鋼筋數(shù)量及位置對(duì)

19、帶孔鋼板連接件的影響要大于栓釘連接件,疲勞對(duì)極限承載力影響不大.4連接件極限承載力的計(jì)算可采用本文建立的公式,該式考慮因素全面,物理意義明確,計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合.基金項(xiàng)目:鐵道部科技發(fā)展項(xiàng)目(95G33作者簡(jiǎn)介:宗周紅(1966-,男,講師,博士.作者單位:宗周紅福州大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,福建福州350002車惠民西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都610031參考文獻(xiàn):1宗周紅.預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土組合梁靜動(dòng)載行為研究D。西安:西南交通大學(xué), 1998。2聶建國(guó),沈聚敏.鋼-混凝土組合梁剪力連接件實(shí)際承載力的研究J。建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),1996,17(2:21-29。3Oguejiofor E

20、C,Hosain M U.A parametric study of perfobond rib shear connector J,Can J Civ,1994,21,614-625。4Eurocode 4(EC.4,Part 2:Bridge.Third Draft.1997.5GBJ17-88.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范S。收稿日期:1999-03-19 剪力連接件靜載和疲勞試驗(yàn)研究作者:宗周紅, 車惠民, ZONG Zhou-hong, CHE Hui-min作者單位:宗周紅,ZONG Zhou-hong(福州大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,福建福州,350002, 車惠民,CHE Hui-min(西南交通

21、大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都,610031刊名: 福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版英文刊名:JOURNAL OF FUZHOU UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION年,卷(期:1999,27(6被引用次數(shù):25次參考文獻(xiàn)(5條1.GBJ 17-1988.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范2.Eurocode 4(EC.4,Part 2:Bridge.Third Draft 19973.Oguejiofor E C;Hosain M U A parametric study of perfobond rib shear connector 19944.聶建國(guó);沈聚敏鋼-混凝土組合梁剪力連接件實(shí)

22、際承載力的研究 1996(025.宗周紅預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土組合梁靜動(dòng)載行為研究學(xué)位論文 1998引證文獻(xiàn)(25條1.張興虎.徐靖.姜維山新型鋼-混凝土組合梁抗剪性能試驗(yàn)期刊論文-建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2010(12.蔡軍偉.楊勇.周丕健.謝標(biāo)云采用輕骨料砼的開孔鋼板連接件受力性能期刊論文-廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 2010(13.伏榮.唐志雄重復(fù)荷載下PBL連接件非線性有限元分析期刊論文-中國(guó)西部科技 2010(84.肖林.李小珍.衛(wèi)星PBL剪力鍵靜載力學(xué)性能推出試驗(yàn)研究期刊論文-中國(guó)鐵道科學(xué) 2010(35.王春生.王丁.王茜.俞欣.王欣欣鋼橋塔塔-基連接的有限元分析期刊論文-建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2010(26.黃翔.李力.岳磊某大跨徑斜拉橋鋼-混結(jié)合段PBL剪力鍵承載力研究期刊論文-橋梁建設(shè) 2010(37.許燕.劉平.王儀ECC混凝土應(yīng)用于開孔鋼板連接件試驗(yàn)研究期刊論文-混凝土 2010(38.曹玉玲波形鋼腹板組合梁疲勞性能研究進(jìn)展期刊論文-中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品 2010(189.張興虎.楊威.姜維山.李亞莉組合梁新型連接件抗剪性能試驗(yàn)研究期刊論文-西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 2010(410.許燕.曹大富.王儀.劉平開孔鋼板