摘要：提出了一種適用于鋼板組合梁(SPCCT梁)的平鋼板-栓釘組合連接件(PSCC)，有望提高鋼板組合梁的施工效率與便利性。為了解該型連接件鋼板組合梁(SPCCT梁)的受力性能，開(kāi)展了1根SPCCT梁的靜力性能試驗(yàn);采用經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的ANSYS有限元模型，研究了PSCC對(duì)SPCCT梁受力性能的影響。結(jié)果表明：SPCCT梁具有較高承載力和塑性變形能力，試驗(yàn)梁最終呈剪切破壞形態(tài);相較于使用栓釘連接的SPCCT梁，PSCC可使有板托SPCCT梁的極限承載力提高27.43%，延性性能提升214.02%，使無(wú)板托SPCCT梁的極限承載力提高10.97%，延性性能提升53.28%;對(duì)SPCCT梁設(shè)計(jì)時(shí)，鋼板處的抗剪連接程度應(yīng)大于工字鋼上翼緣處。相關(guān)研究可為SCCT梁在實(shí)際工程的推廣應(yīng)用提供參考借鑒。

　　關(guān)鍵詞

　　橋梁工程;組合梁;組合連接件;承載力;延性

　　Study on static performance of steel plate composite beams with plate-stud combination connectors

　　LIN Shangshun, HU Zu’an, LIN Xin, XIE Guangdong

　　(School of Civil Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China)

　　Abstract

　　A plate-stud combination connector (PSCC) for I-beam-flat steel plate concrete combined T-beam (SPCCT) is proposed, which is expected to improve the construction efficiency and convenience of steel plate composite beams. To understand the stress performance of SPCCT with this type of connector, the static performance test of one SPCCT beam was carried out; and the effect of PSCC on the stress performance of SPCCT beam was investigated by using the experimentally verified ANSYS finite element model. Results show that: the SPCCT beam has high load carrying capacity and plastic deformation capacity, and the test beam finally shows shear failure pattern; compared with the SPCCT beam with bolted connections, the PSCC can increase the ultimate load carrying capacity of the SPCCT beam with plate joists by 27.43%, and increase the ductility performance by 214.02%, so that the ultimate load carrying capacity of SPCCT beam without plate supports is increased by 10.97%, and the ductility performance is increased by 53.28%; for the design of SPCCT beam, the degree of shear connection at the steel plate should be greater than that at the upper flange of the I-beam. The related research can provide reference for the popularization and application of SPCCT beam in practical engineering.

　　Keywords

　　bridge engineering; composite beams; combination connectors; bearing capacity; ductility

　　引言

　　連接件作為鋼板組合梁的重要組成，其構(gòu)造及施工方式極大影響著鋼板組合梁的施工效率與便利性。

　　栓釘憑借較好的連接性能與施工便利性成為鋼板組合梁中應(yīng)用最廣泛的連接件[1]，但單一的栓釘不利于快速施工且后期混凝土板存在易開(kāi)裂等問(wèn)題[2]。施工中，可將鋼板組合梁做成裝配式梁，即將連接件預(yù)先焊接于鋼梁上，然后將預(yù)留連接件孔的預(yù)制混凝土板安裝在鋼梁上，并向預(yù)留孔現(xiàn)澆混凝土形成裝配式梁[3];但由于其預(yù)留孔通常較大，對(duì)混凝土板削弱明顯，導(dǎo)致力學(xué)性能會(huì)劣于現(xiàn)澆梁[4]。此外，還有學(xué)者提出將鋼梁分成橫向兩E型槽鋼，兩者通過(guò)螺栓連接，混凝土板可連同槽鋼預(yù)制連接，以此免于現(xiàn)澆混凝土，所構(gòu)成的組合梁具有較好的整體性與抗彎性能[5];但在預(yù)制板制作、鋼梁鉆孔、組合梁拼裝精度上要求較高，從而不利于施工。為節(jié)省底模及減少施工縫數(shù)量，可將橋面板做成組合橋面板，現(xiàn)階段主要有兩種形式：疊合混凝土板(下層為預(yù)制板，上層為現(xiàn)澆板)和鋼板-混凝土組合板，其中疊合混凝土板綜合了預(yù)制和現(xiàn)澆橋面板的優(yōu)勢(shì)，但板內(nèi)鋼筋構(gòu)造復(fù)雜[6];鋼板-混凝土組合板中的鋼板又分為壓型鋼板(平行或垂直鋼梁)與平鋼板，能起防墜落及受拉鋼筋的作用。

　　在力學(xué)性能方面，Long等[7]、周現(xiàn)偉等[8]和池善慶[9]分別研究了鋼-壓型鋼板組合梁、鋼-平鋼板組合梁的受力性能，結(jié)果表明：其鋼板組合梁較于普通鋼板組合梁表現(xiàn)出更好的延性;主要在組合梁彈性階段以后起增大剛度的作用，極限承載力隨之提高，且平鋼板所提供的剛度更大;壓型鋼板的板肋垂直于鋼梁時(shí)的組合梁與鋼-平鋼板組合梁的破壞形式相似。在構(gòu)造方面，相較于平鋼板，壓型鋼板的制作較復(fù)雜，后期維護(hù)不方便且不夠美觀，使得鋼-壓型鋼板組合梁存在一定局限性。

　　為提高鋼板組合梁的施工效率及便利性，本文參考《鋼-混凝土組合橋面板技術(shù)規(guī)程》(DB 51/T1991-2015)[10]，提出將其中的開(kāi)孔鋼板替換成栓釘，形成適用于鋼板組合梁的平鋼板-栓釘組合連接件(plate-stud combination connector, PSCC)。為研究該型連接件鋼板組合梁(I-beam-flat steel plate concrete combined T-beam, SPCCT梁)的靜力性能，制作并完成1根SPCCT梁兩點(diǎn)對(duì)稱加載試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，利用ANSYS有限元軟件研究PSCC的優(yōu)越性。

　　1 試驗(yàn)

　　1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　試驗(yàn)設(shè)計(jì)的SPCCT梁如圖1所示，施工方法為在預(yù)先焊有栓釘?shù)墓ぷ咒摿簝蓚?cè)上翼緣焊接預(yù)制栓釘?shù)匿摪?有板托)，再將鋼筋網(wǎng)綁扎置于鋼板上端，最后支模現(xiàn)澆混凝土并養(yǎng)護(hù)28d。試件總長(zhǎng)2500mm，凈跨2300mm;梁高505mm、梁寬750mm。上翼緣兩側(cè)設(shè)有25mm×25mm板托，PSCC中鋼板厚4mm，鋼板與鋼梁處的栓釘規(guī)格分別為Φ10×40mm、Φ16×80mm，整體布置如圖2所示。

　　

　　

　　試件設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，鋼筋均采用HRB400;其中縱筋分上、下兩層布置，由于鋼板能充當(dāng)部分鋼筋，故下層縱筋數(shù)量少于上層縱筋。鋼材的力學(xué)性能如表2所示，其中t與d分別為板厚與鋼筋直徑，$f_y$與$f_u$分別為鋼材的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度，$E_s$為鋼材的彈性模量;混凝土均選用海工混凝土，其彈性模量、軸向抗壓強(qiáng)度、立方體抗壓強(qiáng)度分別為33845MPa、29.06MPa、38.24MPa;栓釘材質(zhì)均為ML15AL，其屈服強(qiáng)度為320MPa、極限抗拉強(qiáng)度為460MPa。

　　

　　1.2 試驗(yàn)方案及測(cè)試方法

　　1.2.1 加載方案

　　加載裝置如圖3所示，試件采用簡(jiǎn)支邊界條件。支座和兩端加載位置分別墊厚20mm的鋼板并采用砂漿修平，確保試件水平;豎向荷載P由量程2000kN的液壓千斤頂提供，采用兩點(diǎn)對(duì)稱加載，通過(guò)分配梁將荷載分配至SPCCT梁的兩加載點(diǎn)，兩加載點(diǎn)相距0.8m。

　　

　　正式加載前，先對(duì)試件進(jìn)行20kN預(yù)加載，以消除試件松動(dòng)及對(duì)儀器工作狀態(tài)校核，然后卸載。正式加載采用分級(jí)加載，每級(jí)加載完成后持荷5min，觀察并記錄裂縫的發(fā)展與分布，初始荷載為50kN，接近初裂荷載時(shí)(即裂縫寬度首次達(dá)到0.05mm時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載)，荷載降至20kN;試件屈服后，荷載降至10kN，直至試件完全破壞。

　　1.2.2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

　　位移測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4，位移計(jì)JD-1~JD-3用于測(cè)量試件撓度變化情況;千分表JD-4~JD-12用于測(cè)量鋼板與混凝土板之間不同位置的相對(duì)滑移，并輔以鋼梁上栓釘彎曲程度判定。鋼梁與鋼板應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖5(a)，選取加載點(diǎn)和跨中共3個(gè)截面進(jìn)行測(cè)量，以了解鋼板在彎曲過(guò)程中對(duì)試驗(yàn)梁的作用效果;混凝土板應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖5(b)，用于觀察橋面板橫、縱向應(yīng)變發(fā)展情況，并判斷平截面假定對(duì)SPCCT梁受力分析的適用性。

　　

　　

　　考慮到鋼梁與鋼板處栓釘在試件受力過(guò)程中所承受的剪力不同，為了解PSCC中兩種栓釘對(duì)混凝土板的連接情況，待試驗(yàn)結(jié)束后將混凝土板鑿除，根據(jù)栓釘彎曲程度以判斷鋼梁與混凝土板之間的相對(duì)滑移情況，為合理設(shè)計(jì)SPCCT梁抗剪連接程度提供參考依據(jù)。

　　2 試驗(yàn)現(xiàn)象

　　2.1 試件的損傷過(guò)程

　　圖6為試驗(yàn)梁受力破壞情況，表現(xiàn)為加載點(diǎn)處混凝土被壓碎且存在豎向裂縫，剪跨段混凝土板在端部和加載點(diǎn)之間被剪斷，加載點(diǎn)附近的裂縫下寬上細(xì)，即試驗(yàn)梁最終呈剪切破壞形態(tài);由于本試驗(yàn)設(shè)置的剪跨比偏小，在受彎剪區(qū)域，隨著荷載的增加導(dǎo)致剪應(yīng)力超過(guò)混凝土板的抗剪強(qiáng)度，箍筋不足以限制斜裂縫發(fā)展，最終致使斜裂縫逐漸擴(kuò)展并貫穿混凝土板。

　　

　　試驗(yàn)梁的荷載-跨中撓度曲線見(jiàn)圖7，試件的極限荷載$P_u$為_(kāi)___kN，極限撓度$delta_u$為37.5mm，其受力大致分為3個(gè)階段。

　　

　　1. 彈性階段(初始加載至A點(diǎn))：試件處于彈性階段，鋼梁與橋面板整體受力良好，荷載與撓度基本呈線性關(guān)系。加載至0.15$P_u$時(shí)，由于鋼板上的剪力連接度較小，加載點(diǎn)位于相鄰栓釘?shù)闹虚g，導(dǎo)致栓釘對(duì)加載點(diǎn)區(qū)域的混凝土約束能力較弱，故混凝土裂縫首次出現(xiàn)于左加載點(diǎn)處，此時(shí)裂縫寬0.2mm，之后隨著荷載增加，裂縫相繼出現(xiàn)于跨中及右加載點(diǎn)。鋼板與混凝土界面初步分離位置位于右加載點(diǎn)左側(cè)，此時(shí)荷載為0.38$P_u$，但該處縫隙發(fā)展緩慢;之后分離縫隙出現(xiàn)于跨中，當(dāng)加載至0.56$P_u$時(shí)，跨中分離縫隙達(dá)到3mm。

　　2. 彈塑性階段：試件進(jìn)入彈塑性階段后，鋼梁下翼緣受拉屈服，混凝土裂縫發(fā)展迅速，混凝土板和鋼梁發(fā)生界面滑移，抗彎剛度逐漸減小，跨中撓度隨荷載的增加而迅速增大。加載至0.82$P_u$時(shí)鋼梁出現(xiàn)輕微抖動(dòng)，并伴有鋼板與混凝土的擠壓聲音，之后剪跨段靠近加載點(diǎn)位置產(chǎn)生縱向平行裂縫;加載至0.93$P_u$時(shí)裂縫斜向下發(fā)展至鋼板與混凝土板界面處(見(jiàn)圖8)，且界面滑移較明顯，左端滑移量達(dá)到0.904mm;繼續(xù)加載，左端約3/4剪跨段內(nèi)的混凝土出現(xiàn)若干較寬的斜裂縫，裂縫由下向上延伸并伴隨加載點(diǎn)附近上方混凝土被壓碎，最終發(fā)展為剪跨段內(nèi)相鄰裂縫間存在較寬的界面分離縫隙，裂縫主要位于靠近加載點(diǎn)1/2剪跨段內(nèi)(見(jiàn)圖6)。

　　

　　3. 塑性破壞階段：當(dāng)加載至B點(diǎn)時(shí)達(dá)到極限荷載$P_u$，此后試件進(jìn)入塑性破壞階段，加載點(diǎn)混凝土出現(xiàn)明顯壓碎，撓度發(fā)展加快，導(dǎo)致鋼板發(fā)生外突屈曲(見(jiàn)圖9)，之后荷載驟降;該階段內(nèi)試件跨中撓度隨荷載減小而增大，直至C點(diǎn)，試件破壞完全喪失承載力，此時(shí)滑移量為1.74mm;在同側(cè)支座到梁端處，鋼板與混凝土的分離縫隙逐漸擴(kuò)大，最大達(dá)到4.12mm。

　　

　　2.2 栓釘?shù)钠茐男螒B(tài)

　　栓釘?shù)淖饔弥饕堑挚筍PCCT界面間的剪力和豎向掀起力，在SPCCT受力過(guò)程中，栓釘表現(xiàn)為一端固定，另一端為滑動(dòng)的自由端，當(dāng)承受拉力時(shí)易形成塑性鉸，向端部彎曲。鋼板上的栓釘受剪彎曲后，如圖10所示，鋼梁上的栓釘繼續(xù)受力，但不足以承受界面剪力，致使在橫截面處，鋼板上方混凝土斜裂縫數(shù)量較多且寬度較大，而鋼梁上方混凝土出現(xiàn)毛細(xì)裂縫且數(shù)量較少。

　　

　　由于界面剪力在栓釘上由底部向頂端呈拋物線形遞減至0，因而界面在承受較大剪力時(shí)，剛度較小的鋼板由于栓釘?shù)淖冃味菀籽杆偾?duì)于鋼梁上的栓釘，由于鋼板和栓釘受剪變形，最大限度地分擔(dān)了界面剪力峰值，同時(shí)鋼梁較強(qiáng)的抗彎剛度及上翼緣栓釘較強(qiáng)的抗剪剛度，致使鋼梁上翼緣處的栓釘并未發(fā)生明顯變形。表明其栓釘?shù)目辜舫休d力與其焊接構(gòu)件的剛度呈正相關(guān)。

　　2.3 界面相對(duì)滑移

　　圖11為鋼梁與混凝土板之間不同位置的界面相對(duì)滑移情況。荷載從加載至0.85$P_u$，荷載-滑移量大致呈正比例關(guān)系;加載至0.5$P_u$過(guò)程中整體滑移量較小;繼續(xù)加載，鋼板處栓釘?shù)那?dǎo)致PSCC的抗剪性能減弱，滑移量隨之明顯增加;當(dāng)荷載臨近$P_u$時(shí)，試件右端剪跨段靠近加載點(diǎn)處鋼板局部屈曲后導(dǎo)致此處滑移量突變。

　　

　　由于支座為鋼梁提供了較大的摩擦力，且跨中及加載點(diǎn)附近的鋼板與混凝土板出現(xiàn)了分離縫隙，導(dǎo)致靠近支座位置的滑移量很小。同時(shí)可以看出，加載點(diǎn)處由于荷載的施加會(huì)增大混凝土板與鋼梁間的界面摩擦力，從而有效地抑制界面滑移，故SPCCT最大滑移位置出現(xiàn)于加載點(diǎn)附近?？傮w而言，SPCCT交界面滑移量較小，表明PSCC能有效連接鋼梁與混凝土板，進(jìn)而保證SPCCT具有較高承載力與延性。

　　2.4 SPCCT梁跨中應(yīng)變

　　圖12為SPCCT梁跨中截面應(yīng)變沿梁高分布與發(fā)展情況，由圖12可見(jiàn)，在加載過(guò)程中混凝土一直受壓，鋼梁受拉，表明SPCCT梁能較充分發(fā)揮混凝土的抗壓及鋼梁抗拉性能;在正常使用階段，跨中截面的軸向應(yīng)變沿梁高近似線性變化，表明試件基本符合平截面假定;加載初期，壓應(yīng)力主要由混凝土承受，鋼板幾乎不受力，故應(yīng)變極小，而當(dāng)加載至0.29$P_u$時(shí)混凝土與鋼板之間應(yīng)變斜率變化很小，表明混凝土板與鋼板的受彎曲率基本相同，即PSCC與混凝土板整體工作性能較好;當(dāng)鋼梁下翼緣屈服時(shí)，其應(yīng)變隨荷載的增加而迅速加大，但由于上翼緣及鋼板應(yīng)變?cè)龇^小，混凝土并未破壞，因此PSCC能與混凝土板較好地協(xié)同工作。

　　

　　3 與SCCT梁靜力性能對(duì)比分析

　　3.1 有限元模型

　　由于本試驗(yàn)海工混凝土的力學(xué)性能與普通混凝土相似，故其本構(gòu)關(guān)系采用EIVIND等[11]建議的二次拋物線(上升段)加水平段組成，即下降段按理想塑性變形考慮，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為：

　　

　　鋼筋采用雙折線模型，即理想彈塑性模型;鋼梁和鋼板采用三折線模型模擬，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為：

　　

　　有限元模型的混凝土采用SOLID65單元;鋼梁與PSCC中的平鋼板采用SHELL181單元;栓釘采用COMBIN39單元;混凝土底面與鋼板頂面之間采用面-面接觸的TARGE170和CONTA173單元，其中界面摩擦系數(shù)取0.5，黏結(jié)力取0.1MPa[13]。SPCCT梁有限元模型如圖13(a)所示，為比較實(shí)際工程中常見(jiàn)的僅栓釘連接的鋼板組合梁(SCCT梁)及無(wú)托板的SPCCT梁(SPCCT-T)的靜力性能，建立3個(gè)SCCT梁的有限元模型(模型中各位置的栓釘數(shù)量不變)，如圖13(b)~(d)所示，有托板的SCCT梁編號(hào)命名為SCCT，無(wú)托板的SCCT梁編號(hào)命名為SCCT-T。

　　

　　3.2 模型驗(yàn)證

　　圖7為SPCCT梁試驗(yàn)值與有限元模型(FEM)計(jì)算值的荷載-跨中撓度曲線，由圖7可知，SPCCT梁的試驗(yàn)值與FEM值的屈服荷載($F_y$)之比為_(kāi)___、與彈性剛度($E_y$)之比為0.923、與極限荷載($F_u$)之比為_(kāi)___、與極限撓度($Delta_u$)之比為_(kāi)___，即模擬的特征值與試驗(yàn)結(jié)果最大相差在10%以內(nèi)，表明SPCCT梁的試驗(yàn)值與FEM值在加載中總體吻合良好。

　　圖14為SPCCT梁極限荷載下混凝土板、鋼板(帶板托)損傷FEM的von Mises應(yīng)力云圖，其中混凝土抗壓強(qiáng)度和鋼材屈服強(qiáng)度均已在破壞位置處充分發(fā)揮。由圖14(a)可知，模擬的混凝土損傷與試驗(yàn)破壞形態(tài)類似;圖14(b)顯示，靠近加載點(diǎn)處，外側(cè)鋼板發(fā)生局部向下屈曲，與試驗(yàn)現(xiàn)象相符。

　　

　　圖15為鋼板、工字鋼上翼緣與混凝土之間的界面剪應(yīng)力云圖，由圖15可知：工字鋼上翼緣的剪應(yīng)力總體小于鋼板;結(jié)合圖____可知，Y方向上，跨中與梁端的剪應(yīng)力最小，加載點(diǎn)與支座間及跨中靠近加載點(diǎn)位置處的剪應(yīng)力較大;Z方向上，工字鋼上翼緣或鋼板越靠近托板處的剪應(yīng)力越大;因此其剪應(yīng)力分布與試驗(yàn)現(xiàn)象相符。綜上所述并結(jié)合圖7可知，建立的FEM能較好地模擬SPCCT受力過(guò)程，具有較高的精度。

　　

　　3.3 有限元計(jì)算值比較

　　圖16為組合梁的FEM荷載-撓度對(duì)比曲線圖，由圖16可知，在彈性階段，SPCCT梁主要由鋼梁下翼緣受拉，混凝土受壓，此時(shí)PSCC受力較小，主要抵抗混凝土板與鋼梁的縱向(梁長(zhǎng)方向)滑移，但隨著荷載逐漸增加，PSCC受力也隨之增大，最終使得PSCC能有效分擔(dān)混凝土板和鋼梁的應(yīng)力，進(jìn)而提高SCCT的屈服荷載;在彈塑性階段，中和軸上移，混凝土由于PSCC中鋼板的存在，使得橋面板塑性變形能力增強(qiáng)。

　　

　　由FEM計(jì)算結(jié)果可得各有限元比值如表3所示，由表3可知：PSCC能有效提高SCCT梁的極限承載力，并對(duì)其延性提升效果顯著，但對(duì)其彈性剛度提升較小;由于板托處存在鋼板，能幫助此處(平鋼板與鋼梁上翼緣之間)的混凝土受力，故SCCT-T的力學(xué)性能優(yōu)于SCCT;相較于無(wú)板托的SCCT梁，PSCC在有板托的SCCT梁中所提升的力學(xué)性能更明顯(極限承載力多提升16.46%)。

　　

　　4 結(jié)論

　　1. SPCCT梁受力呈彎剪破壞特征，其交界面整體滑移較小，最大滑移位置位于加載點(diǎn)附近。其中的PSCC具有良好的連接性能，使得SPCCT梁具有較高的承載力和較好的延性。

　　2. 采用ANSYS建立的SPCCT梁有限元模型得到的屈服荷載、彈性剛度、極限荷載、極限撓度等FEM值與試驗(yàn)值的誤差均在10%以內(nèi)，具有較高精度，能較好地模擬SPCCT梁的受力過(guò)程。

　　3. SPCCT梁在受力過(guò)程中，其鋼板上的剪應(yīng)力總體上大于工字鋼上翼緣，因此在設(shè)計(jì)SPCCT梁時(shí)，考慮鋼板上的抗剪連接程度應(yīng)大于工字鋼上翼緣。

　　4. PSCC能有效提高SCCT梁的受力性能，并對(duì)其延性提升顯著;相較于無(wú)板托SCCT梁，PSCC對(duì)有板托SCCT梁的極限承載力能多提升16.46%，而對(duì)彈性剛度的提升相差很小。

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