俞智彪 谢雯雯 章延梁 陈圣宁 章虞杰
浙江交通职业技术学院 浙江 杭州 310000
摘要：开孔板抗剪连接件是钢-混凝土组合结构的重要组成部分。为研究缓刚型结合键开孔板连接件的抗剪性能，设计并制作了4个开孔板试件，通过改变橡胶圈厚度参数，进行了推出试验，得到抗剪承载力、抗剪刚度、剪切破坏模式及荷载滑移曲线。研究结果表明：设置缓刚型结合键可以有效地减小开孔板连接件的总体抗剪刚度，而屈服荷载与极限抗剪承载力明显降低。
关键词：开孔板连接件；推出试验；抗剪性能
Experimental Research on Shear Performance of Perforated Plate Connector of Slow-rigid Bonding Key
Abstract: The perforated plate shear connector is an important part of the steel-concrete composite structure. In order to study the shear resistance of the perforated plate connector of the slow-rigid coupling key, 4 test specimens of the perforated plate were designed and fabricated. By changing the thickness parameters of the rubber ring, the push-out test was carried out to obtain the shear capacity and the shear stiffness , Shear failure mode and load slip curve. The research results showed that the setting of slow-rigid coupling keys can effectively reduce the overall shear rigidity of the perforated plate connectors, while the yield load and ultimate shear capacity are significantly reduced.
Keywords: perforated plate connector; push-out test; shear performance
0. 引言
开孔板抗剪连接件是钢-混组合结构中传递剪力及变形的重要部位，其主要作用是承受并传递钢与混凝土之间的纵向剪力，并能抵抗混凝土板和型钢之间的掀起作用[1,2]。抗剪连接件的机械性能由混凝土销钉、穿孔钢筋和限制状态决定[3-4]。以前的大多数推出试验都集中在钢-混凝土组合梁和板的穿孔连接上，并且推出试验试样是根据 EuroCode4 (EC4) 标准中推荐的标准分离型试样制造的。其中，孔尺寸、孔形状、穿孔钢筋厚度、穿孔钢筋设置和混凝土强度等因素对连接件抗剪性能影响的研究和认识已比较成熟[5]。
连接件中通常会存在局部剪力集中的现象[6,7]。在开孔板中设置柔性材料，形成缓刚型结合键，是减小开孔板连接件的初始抗剪刚度的一种方式。在开孔板群靠近剪力作用位置的孔中设置柔性材料，采用橡胶套，橡胶套相对于混凝土和钢具有较低的弹性模量和硬度，减小前端开孔板的初始抗剪刚度，在加载早期阶段使得钢板和混凝土之间产生较大的相对滑移量，从使剪力能够更均匀地传递至后方开孔板中。当弹性材料充分发生挤压变形后，前端开孔可继续承担一定的剪力作用，减小了前端连接件的应力集中现象。但柔性材料的设置对结合部位抗剪性能的影响有待进一步探究。
1. 推出试验方案
1.1试验模型
试验设计制作4个插入式推出试件，橡胶圈的厚度分别为0 mm、2 mm、4 mm和 6 mm。表1和图1为试件的几何参数和构造，开孔钢板厚度为 20 mm。为了防止加载过程中钢板发生屈曲，在顶部钢板和开孔钢板之间焊接六个三角形肋板。同时在每个肋板下布置50 mm 高的泡沫塑料避免肋板与混凝土块接触。试件浇筑前在开孔钢板下放置 50 mm 高的木块来去除端部承压作用。在以往的试验研究中，一些学者使用润滑油或粘贴泡沫来去除钢板与混凝土之间的粘结力和摩擦力。然而在实际应用中它们存在并对钢与混凝土之间的连接性能有一定贡献。因此在本章研究中试件没有涂抹润滑油，以反映连接件真实的抗剪性能。
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1.2 材料属性
为获得混凝土的材料属性，在浇筑试件混凝土时制作3组150×150×150 mm立方体和 150×150×300 mm棱柱体混凝土试块。材性试验表明混凝土立方体抗压强度为52.1 MPa；轴心抗压强度为43.0 MPa；立方体劈裂强度为4.6 MPa；弹性模量为 40.6 GPa。试验中使用了邵氏硬度为61°的天然橡胶，橡胶材性试块的拉伸强度和破坏伸长率分别为 20.7 MPa 和 549%。钢板和孔中钢筋的名义屈服强度分别为345 MP和400 MPa；分布钢筋的名义屈服强度为335 MPa。通过9根同一批生产钢筋的拉伸试验测得钢筋的屈服强度和抗拉强度分别为479.0 MPa和597.6 MPa。
1.3 加载与测试装置
图2为试件的安装与测试。在开孔钢板的两侧焊接两个短钢筋，并在混凝土浇筑前包裹 50 mm高的泡沫塑料，以获得开孔板连接件在圆孔处的滑移。泡沫塑料在试件加载前移除，使得短钢筋下方的空间不小于 50 mm。在混凝土块与短钢筋之间安装精度为1/1000 mm 的接触式位移计。此外，在加载钢板的上表面铺设 2 mm 厚石灰垫层来避免加载偏心。
采用20000 kN的伺服液压系统进行加载。加载过程包括由力控制的循环预加载和由位移控制的单调加载。在预加载过程中，荷载在5%到40%的预估极限荷载间循环变化。预加载和正式加载的加载速度分别为2 kN/s和0.2 mm/min。
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图2 试件安装与测试
为了揭示缓刚型结合键的抗剪机理，在开孔钢板和孔中钢筋上布置应变片，如图3所示。在与圆孔中心竖向距离 60 mm 的开孔板水平横截面上布置5个单向应变片，方向平行于加载方向。在每个孔中钢筋上布置了5个应变片，其中3个平行于钢筋纵向布置在孔中钢筋的上边缘或下边缘，而另外两个垂直于钢筋纵向布置在孔中钢筋的侧面。
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图3 钢板与孔中钢筋上应变片布置图
3. 结果分析与讨论
3.1破坏模态
图4为混凝土块的裂缝分布情况。开裂发生在混凝土块顶面和与开孔钢板垂直的侧面，而在与开孔板平行的侧面上没有发现裂缝。顶面上的裂缝开始于钢板边缘，侧面上的裂缝总是沿着竖向。因此，裂缝总是沿着开孔钢板的边缘，主要是由于粘结力破坏引起。
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(a) PB (b) RPB-3
图4 混凝土块裂缝分布
加载后将混凝土块切开以观测内部的破坏模态，如图5所示。随着滑移的增加，孔中混凝土的上半部分被压实，靠近加载侧的橡胶圈被完全压坏，橡胶圈侧翼发生了较大变形并被剪断。传统开孔板连接件孔中混凝土的剪切面平行于钢板，而橡胶圈开孔板连接件孔中混凝土的剪切面与钢板呈一定倾斜角。原因是橡胶圈增大了孔中混凝土的跨度，导致了孔中混凝土一定程度的弯曲受力模式和下半部分受拉开裂。另外，在钢板与混凝土剪切面上发现滑移痕迹，表明钢板在滑动过程中与混凝土之间存在一定摩擦力。
(a) PB试件剪切面 (b) RPB试件剪切面
图5 开孔板连接件剪切面
试件的最终破坏模态是孔中钢筋断裂。无论是否设置橡胶圈，孔中钢筋的破坏模态为具有颈缩的拉剪断裂，如图 6(a)所示。孔中钢筋在钢板两侧可能形成两个断裂面，也可能只形成一个断裂面，而在另一侧发生了较大的拉剪变形。图 6(b)展示了混凝土块内部的孔中钢筋形状，表明弯曲变形相对于钢板附近的剪切变形较小。
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图6 孔中钢筋破坏模态
3.2 剪力-滑移曲线
试验结果如表2所示，其中屈服荷载定义为在开裂荷载之后塑性阶段的峰值荷载，对应的滑移为屈服滑移。总体抗剪刚度定义为屈服荷载与屈服滑移的比值。抗剪承载力和极限滑移分别代表导致试件最终破坏的荷载和滑移。与传统开孔板连接件相比，采用2 mm、4 mm 和6 mm 厚橡胶圈的试件的屈服滑移分别增长了304%、509%和745%。由于橡胶圈降低了孔中钢筋和孔壁对孔中混凝土的约束作用，缓刚型结合键的屈服荷载约为普通开孔板连接件的70%。而对应的极限抗剪承载力降低约为15%，原因是孔中钢筋是影响抗剪承载力的主要因素，其贡献在两种开孔板连接件中是相同的。图7给出了总体抗剪刚度与橡胶圈厚度的关系，表明设置缓刚型结合键可以有效地减小开孔板连接件的总体抗剪刚度。
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试件的荷载-滑移曲线如图8所示，其中滑移为两个位移计测得滑移的平均值。不设置橡胶圈的试件PB的荷载-滑移曲线包含四个阶段。初始阶段为刚度较大的线性阶段，试件主要依靠钢板与混凝土之间的粘结力抵抗施加荷载。当荷载增加到时试件发生开裂，第一阶段结束。粘结力发生损伤以后，荷载主要由孔中混凝土和孔中钢筋承担。进一步，伴随着孔中混凝土的剪切破坏施加荷载达到屈服荷载。随着滑移的增长，由于粘结应力降低试件的荷载出现一定下坠。在孔中混凝土形成剪切破坏面后，尽管钢板与混凝土之间保留了一些残余粘结力，剪切面上留存一定机械摩擦力，荷载主要由钢筋来承担。随着滑移进一步增加，在强化阶段荷载近似线性增加到抗剪承载力，直到孔中钢筋形成剪切破坏面。最后孔中钢筋发生剪切断裂，荷载-滑移曲线中荷载急剧下降。与试件PB相比，缓刚型结合键在加载初期孔中混凝土和孔中钢筋承担了较小荷载。注意到四个试件的开裂荷载接近，表明在初始阶段荷载主要由钢板与混凝土之间的粘结力来承担。随后在粘结力损伤后荷载急剧下降。随着橡胶圈厚度的增加，屈服荷载和屈服滑移分别降低和增大。原因是具有较小刚度的橡胶圈推迟了开孔板连接件开始抵抗剪力时的滑移，同时降低了圆孔孔壁和孔中钢筋对孔中混凝土的约束作用。在强化阶段，极限滑移随着橡胶圈厚度的增大而增加，而增加量受到孔中钢筋变形能力限制。
(a) 总体曲线 (b)加载早期阶段
图8 试验荷载-滑移曲线
3.3 钢板荷载-应变关系
图 9为试件PB和RPB-3在加载早期开孔钢板的荷载-应变关系。竖向受压应变随着施加荷载的增加线性增长。由于应变片损坏，开裂后的阶段在图中省略。与孔中钢筋距离相等的应变片测得应变值应较为接近，应变值的差异可能是由加载不均匀或试件几何尺寸误差导致。
(a) PB (b) RPB-3
图9 开孔钢板上荷载-应变关系
从图9可知，应变片 SP2和 SP4的平均应变相对较大，其次是应变片SP1和SP5的平均应变。布置于开孔板中心线上的应变片SP3的应变最小。因为应变片SP2（SP4）和 SP1（SP5）到中心线的距离分别为60 mm和150 mm，圆孔附近的竖向应变通过与竖向呈约45°角的路径传递到圆孔。开孔板边缘的竖向应变值小于圆孔附近核心荷载传递区域的应变值。应变片SP3的应变值较小，没有因为孔中混凝土与孔壁之间的接触压力而增加，证明在加载早期阶段开孔板上的应变主要由粘结应力引起，荷载主要由粘结力承担。
3.4孔中钢筋荷载-应变关系
图10为孔中钢筋的荷载-应变关系。在加载早期阶段，由于荷载主要由钢板与混凝土之间的粘结力承担，孔中钢筋的应变较小。然而，在开裂荷载后钢筋应变随着滑移的增加显著增加。在五个应变片中，SR3的拉应变增长最快，随后是SR1的压应变和SR2的拉应变。应变片 SR1 和 SR2 反映了孔中钢筋的受弯特性。随着滑移进一步增加应变片 SR4 和 SR5 的应变增大，SR4 为压应变而 SR5 为拉应变，表明试件 PB 的剪切面距离圆孔中心 10 mm 到 15 mm。注意到在加载过程中SR5 从压应变转变为拉应变。原因是随着滑移和变形的发展，剪切面相对孔中钢筋的位置发生移动。与试件 PB 相比，在试件 RPB-3 中应变片 SR4 和 SR5 均为压应变，表明缓刚型结合键的剪切面更加远离中心线。如上文所述，橡胶圈增大了孔中混凝土跨度与直径的比值，使得孔中混凝土和孔中钢筋的受弯特性更加显著。
(a) PB (b) RPB-3
图10 孔中钢筋荷载-应变关系
4. 结论
本文开展了4个插入式推出试验来研究缓刚型结合键的抗剪性能，分析了试件的破坏模态、荷载-滑移曲线、开孔钢板和孔中钢筋的荷载-应变曲线。
(1) 抗剪推出试验结果表明，初始阶段荷载主要由钢板与混凝土之间的粘结力来承担；粘结力发生损伤以后，荷载主要由孔中混凝土和孔中钢筋承担；在孔中混凝土形成剪切破坏面后，荷载主要由钢筋来承担；最终孔中钢筋发生剪切断裂。
(2)设置缓刚型结合键可以使开孔板连接件的总体抗剪刚度减小，同时使其屈服荷载与极限抗剪承载力降低。
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