超高性能混凝土開孔板連接件抗剪性能研究
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超高性能混凝土開孔板連接件抗剪性能研究
摘 要：為探討混凝土強(qiáng)度對開孔板連接件性能的影響，開展了6個(gè)開孔板連接件的插入式試驗(yàn)。通過分析連接件的破壞形態(tài)可知，所有的開孔板連接件中的貫穿鋼筋均在開孔鋼板和混凝土的界面處被剪斷。在加載過程中，普通混凝土板出現(xiàn)了明顯的表面裂縫，而超高性能混凝土板沒有出現(xiàn)裂縫，超高性能混凝土抗裂性能良好。通過分析開孔板連接件的推出試驗(yàn)情況以及荷載—滑移曲線可知，連接件具有良好的延性，超高性能混凝土能顯著提高開孔板連接件的承載能力和抗剪剛度。將開孔板連接件的插入式試驗(yàn)數(shù)值與其他學(xué)者的承載力公式預(yù)測的結(jié)果進(jìn)行對比可知，現(xiàn)有研究得到的承載力公式相對保守。選擇其中與超高性能混凝土開孔板連接件試驗(yàn)結(jié)果吻合良好的承載力公式進(jìn)行相關(guān)的系數(shù)修正，提高了公式的計(jì)算精度，可以更好地支撐超高性能混凝土開孔板連接件的研究與推廣工作。
關(guān)鍵詞：橋梁工程;超高性能混凝土;開孔板連接件;抗剪承載力;設(shè)計(jì)公式;
開孔板連接件(PBL連接件)作為連接鋼、混凝土不同材料的關(guān)鍵構(gòu)件，在組合結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。開孔板連接件由于具有承載高、剛度大、延性好等優(yōu)勢，在鋼—混結(jié)合段結(jié)構(gòu)內(nèi)通常被用于傳遞荷載。傳統(tǒng)的結(jié)合段中采用的是普通混凝土，已有結(jié)合段連接件的研究也多針對普通混凝土進(jìn)行。采用超高性能混凝土對于改善結(jié)合段受力、簡化施工具有重要作用，但目前在結(jié)合段中采用超高性能混凝土的案例還較少，針對超高性能混凝土連接件的試驗(yàn)研究也較為缺乏，且研究成果不夠完善、不夠充分。
對于采用普通混凝土的開孔板連接件目前已經(jīng)有較多研究報(bào)道，形成了多項(xiàng)成果。宗周紅[1]等通過一組普通混凝土開孔板連接件推出試驗(yàn)，研究得出貫穿鋼筋的布置和混凝土強(qiáng)度的變化對開孔板連接件承載力具有一定的影響；張清華[2]等通進(jìn)行開孔板連接件推出試驗(yàn)，結(jié)合理論分析，給出了計(jì)算開孔板連接件承載力的公式；肖林[3]等進(jìn)行了21個(gè)開孔板連接件的推出試驗(yàn)，取得了PBL連接件承載力、延性系數(shù)等力學(xué)性能的系統(tǒng)研究成果；端茂軍[4]等研究了超高性能混凝土開孔板連接件中鋼筋直徑、開孔間距和孔數(shù)對其承載力的影響；賀邵華[5]等通過一種數(shù)學(xué)的方法分析了普通混凝土開孔板連接件的承載能力；WU[6]等設(shè)計(jì)12個(gè)開孔板連接件推出試件，對混凝土強(qiáng)度、箍筋直徑和開孔數(shù)等影響因素展開研究，并提出了鋼纖維高強(qiáng)混凝土連接件承載力設(shè)計(jì)公式。
但是，目前對結(jié)合段中超高性能混凝土開孔板連接件還未形成成熟的設(shè)計(jì)方法，需要開展連接件試驗(yàn)來考察其抗剪性能，并對現(xiàn)有開孔板連接件承載力公式的適用性進(jìn)行調(diào)研比選，提出適用于本項(xiàng)目參數(shù)特征的超高性能混凝土開孔板連接件承載力設(shè)計(jì)公式。
本文采用歐洲規(guī)范(EC4)推薦形式實(shí)施插入式推出試驗(yàn)。
混凝土材料的性能指標(biāo)通過相關(guān)的規(guī)范由試驗(yàn)獲得。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度為118.7 MPa, 普通混凝土的抗壓強(qiáng)度為53.3 MPa。
貫穿鋼筋的材料為HRB400,其機(jī)械性能按照規(guī)范取值，選取的直徑為25 mm, 長度為500 mm。
開孔板連接件中的開孔鋼板試件為Q345b, 開孔鋼板長580 mm, 寬230 mm, 板厚為25 mm, 孔徑為60mm。試件混凝土內(nèi)布置直徑為16 mm的縱、橫分布HRB400鋼筋，貫穿鋼筋通長布置，不間斷。混凝土板的尺寸為500 mm×500 mm×400 mm。具體尺寸布置如圖1所示；鋼筋的材性參數(shù)見表1。
圖1 推出試件布置 下載原圖
單位：mm
表1 鋼筋的材性參數(shù) 導(dǎo)出到EXCEL
材料類型
直徑/mm
屈服強(qiáng)度/MPa
極限抗拉強(qiáng)度/MPa
HRB400
25
447
669
HRB400
16
452
624
開孔板連接件組裝好后，在正式澆筑混凝土之前，開孔鋼板上已經(jīng)反復(fù)涂抹幾次潤滑油，以消除開孔鋼板和混凝土之間的黏結(jié)作用。因此，在開孔板連接件加載前不需要考慮開孔鋼板和混凝土之間的黏結(jié)作用。所有的PBL連接件試件的加載均在2 000 kN的通用試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試件加載如圖2所示。開孔鋼板和混凝土板之間的相對滑移用LVDT位移傳感器進(jìn)行測量。開孔板連接件的正式加載符合歐洲規(guī)范EC4對推出試驗(yàn)加載建議的規(guī)定。首先，對開孔板連接件以5 kN/s的速率施加PBL連接件極限荷載的40%,然后降至極限荷載的5%,這樣為一個(gè)循環(huán)加載，共持續(xù)25個(gè)循環(huán)。然后單調(diào)加載，直至試件發(fā)生破壞。
圖2 推出試驗(yàn)加載裝置 下載原圖
普通混凝土和超高性能混凝土的PBL連接件的插入式試件共6個(gè)(普通混凝土PBL連接件的編號依次為P1-0-1-1、P1-0-1-2、P1-0-1-3,超高性能混凝土PBL連接件的編號依次為P1-1-1-1、P1-1-1-2、P1-1-1-3),在試件加載的初期位移變化較小，荷載變化較大。在超高性能混凝土開孔板連接件的試驗(yàn)中，在連接件達(dá)到極限荷載時(shí)，貫穿鋼筋被剪斷，連接件被破壞。在普通混開孔板連接件的試驗(yàn)中，在連接按件達(dá)到極限荷載時(shí)，連接件中鋼筋被剪斷或者混凝土榫被壓碎，連接件破壞。普通混凝土開孔板連接件中的貫穿鋼筋在被剪斷后，混凝土板出現(xiàn)了開裂裂縫，此裂縫由混凝土板的底部貫穿到混凝土板的頂部。超高性能混凝土連接件在達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，混凝土部分無裂縫，表觀并未出現(xiàn)明顯變化，如圖3所示。
為了降低混凝土強(qiáng)度離散性對試驗(yàn)結(jié)果的影響，每種構(gòu)造的試件均制作3組進(jìn)行測試。PBL連接件推出試驗(yàn)的荷載—滑移曲線如圖4、圖5所示。由荷載—滑移曲線可知，同一組的PBL連接件承載力具有較大的離散性。在普通混凝土PBL連接件的試驗(yàn)值中，其中有一個(gè)試件的極限承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另外兩個(gè)試件的極限承載力。在超高性能混凝土PBL連接件中，有一個(gè)試件加載前期的荷載遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另外兩個(gè)試件的荷載。
圖3 開孔板連接件破壞后的狀態(tài) 下載原圖
圖4 普通混凝土開孔板連接件荷載—滑移曲線 下載原圖
圖5 超高性能混凝土開孔板連接件荷載—滑移曲線 下載原圖
荷載—滑移曲線分為3個(gè)階段：在彈性階段，PBL連接件剛度十分大，開孔鋼板和混凝土板之間幾乎沒有滑移，試件中的應(yīng)力較小，荷載線性增長較快；在塑性階段，試件中應(yīng)力逐漸增大，混凝土板中的裂縫逐漸發(fā)展，連接件的剛度降低，使得荷載—位移曲線的斜率降低；在屈服強(qiáng)化階段，荷載—位移曲線的斜率進(jìn)一步降低。由于普通混凝土強(qiáng)度低，裂縫發(fā)展迅速，連接件的剛度迅速降低，連接件達(dá)到極限荷載時(shí)，當(dāng)連接件破壞時(shí)，荷載—滑移曲線迅速下降。由于超高性能混凝土抗裂性好，鋼纖維和混凝土之間黏結(jié)性好，并且開孔鋼板和鋼筋延性好，所以在連接件達(dá)到極限荷載之前持續(xù)時(shí)間很長，當(dāng)連接件破壞時(shí)，荷載—位移曲線迅速下降。
本文的抗剪剛度計(jì)算采用鄭雙杰[7]等提出在相對滑移在0.2 mm所對應(yīng)的割線斜率為開孔板連接件的抗剪剛度ks計(jì)算方法�？辜魟偠染唧w的計(jì)算公式為：
ks=V0.20.2?????????(1)ks=V0.20.2?????????(1)
式中：V0.2為相對滑移0.2 mm所對應(yīng)的開孔板連接件的剪力。具體的計(jì)算結(jié)果見表2。
表2 試件參數(shù)結(jié)果 導(dǎo)出到EXCEL
T試件編號
混凝土類型
屈服位移Sy/mm
極限位移Su/mm
延性系數(shù)μ
抗剪剛度kskN?mm?1抗剪剛度kskΝ?mm-1
P1-0-1-1
普通混凝土
1.54
61.00
39.61
192.45
P1-0-1-2
1.80
40.48
22.49
1 588.65
P1-0-1-3
5.13
42.66
8.32
137.50
平均值
2.82
48.05
23.47
164.97
P1-1-1-1
超高性能混凝土
1.10
26.69
24.26
2 483.90
P1-1-1-2
0.69
21.43
31.06
3 619.05
P1-1-1-3
0.47
20.10
42.77
2 480.35
平均值
0.75
22.74
32.70
2 861.10
延性系數(shù)：
μ=SuSy?????????(2)μ=SuSy?????????(2)
式中：Su為極限滑移值；Sy為開孔板連接件達(dá)到屈服狀態(tài)的位移。
由表2可知，這6個(gè)試件的延性系數(shù)均較好。采用超高性能混凝土后，開孔板連接件抗剪剛度顯著提高�；炷恋碾x散性導(dǎo)致普通混凝土PBL連接件中有一個(gè)試件的承載力異常過大，因此在計(jì)算普通混凝土PBL連接件抗剪剛度及抗剪承載力平均值時(shí)，將離散性很大的數(shù)值舍去。
由表3可知，在推出試驗(yàn)中，超高性能混凝土PBL連接件的承載力是普通混凝土PBL連接件的1.2倍。因此，提高混凝土的強(qiáng)度等級能夠顯著地提高PBL連接件的承載力。
表3 推出試驗(yàn)承裁能力及滑移量 導(dǎo)出到EXCEL
試件
試件承載能力/kN
平均值/kN
與平均值比值
最大滑移量/mm
普通混凝土
P1-0-1-1
943.75
725.14
1.30
61.00
P1-0-1-2
666.46
0.92
40.48
P1-0-1-3
783.81
1.08
42.66
超高性能混凝土
P1-1-1-1
818.48
903.18
0.91
26.69
P1-1-1-2
929.31
1.03
21.43
P1-1-1-3
861.78
0.95
20.10
對現(xiàn)有PBL連接件承載力公式進(jìn)行調(diào)研，分析基于常規(guī)混凝土PBL連接件提出的計(jì)算公式對于超高性能混凝土PBL連接件的適用性，同時(shí)也對比既有超高性能混凝土PBL連接件承載力計(jì)算公式的精度。梳理對比各經(jīng)典公式如下。
(1)Hosaka[8]等提出抗剪承載力公式，由貫穿鋼筋和混凝土榫組成。
Qu=1.45[(d2?ds2)fc+ds2fy]?26.1?????????(3)Qu=1.45[(d2-ds2)fc+ds2fy]-26.1?????????(3)
式中：Qu為PBL連接件的抗剪承載力，kN;d為開孔直徑，mm。
(2)賀邵華[9]等提出的普通混凝土PBL連接件的抗剪承載公式，由開孔鋼板和混凝土之間的黏結(jié)、混凝土榫和貫穿鋼筋構(gòu)成。
Vu=τbAb+1.06π(D2?ds2)4fcu+2.09πds24fy?????????(4)τb=?0.022fcu+0.306fcu???√?0.573?????????(5)Vu=τbAb+1.06π(D2-ds2)4fcu+2.09πds24fy?????????(4)τb=-0.022fcu+0.306fcu-0.573?????????(5)
式中：τb為鋼板和混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度，MPa; Ab為鋼板和混凝土之間的接觸面積，mm2;D為開孔直徑，mm; ds為貫穿鋼筋的直徑，mm; fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，MPa; fy為鋼筋的屈服強(qiáng)度，MPa。
(3)賀邵華[10]等提出的超高性能混凝土PBL連接件承載力公式。
Vu=(0.04+0.04VfLfφf)Abfcu???√+(1.06+0.07VfLfφf)π(D2?ds2)4fcu+2.09πds24fy?????????(6)Vu=(0.04+0.04VfLfφf)Abfcu+(1.06+0.07VfLfφf)π(D2-ds2)4fcu+2.09πds24fy?????????(6)
式中：Vf為鋼纖維的體積含量，取3.3%; Lf為鋼纖維平均長度，選取13 mm; φf為鋼纖維的標(biāo)準(zhǔn)化直徑，取0.22 mm。
(4)鄭雙杰[11]等提出的抗剪承載力公式，由混凝土榫和鋼筋的貢獻(xiàn)組成。
Vu=1.76αA(A-As)fc+1.58Asfy (7)
αA=3.8(As/A)23?????????(8)αA=3.8(As/A)23?????????(8)
式中：As為貫穿鋼筋的面積；A為開孔面積；fc為圓柱體抗壓強(qiáng)度，fc=0.83 fcu。
(5)Vianna[12]等提出的混凝土的的抗壓強(qiáng)度大于30 MPa的開孔板連接件抗剪承載力公式。
qu=31.8+1.9×10?3×(hsctscfck)+0.53×10?3×(Atrfy)?0.6×10?6×(Ascfck???√)?????????(9)qu=31.8+1.9×10-3×(hsctscfck)+0.53×10-3×(Atrfy)-0.6×10-6×(Ascfck)?????????(9)
式中： hsc為開孔鋼板連接件的高度，mm; tsc為開孔鋼板件的厚度，mm; fck為連接件的圓柱體抗壓強(qiáng)度，MPa; Atr為貫穿鋼筋的面積，mm2;Asc為混凝土榫橫截面面積，mm2;fy為鋼筋的屈服強(qiáng)度，MPa。
(6)JSCE[13]提出的抗剪承載力公式。
Vu=1.45[(D2?ds2)fc′+ds2fy]?106.1×103?????????(10)73.2×103<(D2?ds2)fc′+ds2fy<488×103Vu=1.45[(D2-ds2)fc′+ds2fy]-106.1×103?????????(10)73.2×103<(D2-ds2)fc′+ds2fy<488×103
式中：fc′為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度，MPa; 其余符號的含義同上。
(7)Al-Darzi[14]等提出的PBL連接件承載力公式。
Vu=255.31+7.62×10?4hsctscfc′+0.53×10?3Atrfy?0.6×10?6Ascfc′??√?????????(11)Vu=255.31+7.62×10-4hsctscfc′+0.53×10-3Atrfy-0.6×10-6Ascfc′?????????(11)
式中：Asc為混凝土榫的橫截面面積；其余符號含義同上。
由于本試驗(yàn)試件消除了開孔鋼板和混凝土之間黏結(jié)以及端部承壓的影響，所以在計(jì)算連接件承載力不考慮這兩項(xiàng)的影響。開孔板連接件承載力預(yù)測值與試驗(yàn)承載力的對比見表4。
通過對上述公式預(yù)測的試驗(yàn)值與本文的試驗(yàn)值的對比分析發(fā)現(xiàn)，鄭雙杰等提出的公式與本超高性能混凝土開孔板連接件試驗(yàn)的擬合結(jié)果較好，可通過對其提出的承載力公式進(jìn)行相關(guān)系數(shù)的修正，提高公式的計(jì)算精度。結(jié)合本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)對該承載力公式中混凝土部分的計(jì)算系數(shù)進(jìn)行修正，提出修正后的超高性能混凝土開孔板連接件抗剪承載力公式如下。
表4 PBL連接件承載力預(yù)測值與試驗(yàn)值的比值 導(dǎo)出到EXCEL
試件編號
預(yù)測值/試驗(yàn)值
Hosakat
賀邵華
鄭雙杰
Vianna
JSCE
Al-Darzi
P1-0-1-1
0.71
0.87
0.72
0.19
0.63
0.38
P1-0-1-2
0.83
1.02
0.84
0.22
0.74
0.44
P1-0-1-3
0.59
0.72
0.60
0.15
0.52
0.31
平均值
0.71
0.87
0.72
0.19
0.63
0.38
P1-1-1-1
0.96
0.97
1.01
0.18
0.88
0.38
P1-1-1-2
0.85
0.85
0.89
0.15
0.78
0.34
P1-1-1-3
0.91
0.92
0.96
0.17
0.84
0.36
平均值
0.91
0.91
0.95
0.17
0.83
0.36
Vu=1.92αA(A-As)fc+1.58Asfy (12)
αA=3.8(AsA)23?????????(13)αA=3.8(AsA)23?????????(13)
式中：As為貫穿鋼筋的面積；A為開孔面積；fc為圓柱體抗壓強(qiáng)度，fc=0.83 fcu。
將本文提出的開孔板連接件承載力公式的計(jì)算結(jié)果與文中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果吻合良好。具體對比如圖6所示。
圖6 試驗(yàn)值與計(jì)算值的對比 下載原圖
本文分析對比了普通混凝土(C55)和超高性能混凝土(UHPC)連接件的插入式試驗(yàn)結(jié)果，形成以下結(jié)論。
(1)在普通混凝土(C55)和超高性能混凝土(UHPC)推出試驗(yàn)中，均表現(xiàn)出貫穿鋼筋被剪斷的特征。在貫穿鋼筋破壞時(shí)，普通混凝土表面出現(xiàn)了明顯的裂縫，而超高性能混凝土表面無裂縫且無明顯的變化。
(2)使用超高性能混凝土?xí)r，開孔板連接件抗剪剛度和承載力都有提高。超高性能混凝土開孔板連接件實(shí)測承載力是普通混凝土開孔板連接件的1.2倍左右。
(3)通過既有開孔板連接件承載力公式的對比校核可知，鄭雙杰等提出的公式計(jì)算結(jié)果與本文試驗(yàn)結(jié)果吻合相對較好。在此基礎(chǔ)上修正給出了適用于本項(xiàng)目參數(shù)特征的超高性能混凝土開孔板連接承載力計(jì)算公式，用于支撐設(shè)計(jì)。