带平钢板-栓钉组合连接件的钢板组合梁静力性能研究

　　摘要：提出了一种适用于钢板组合梁(SPCCT梁)的平钢板-栓钉组合连接件(PSCC)，有望提高钢板组合梁的施工效率与便利性。为了解该型连接件钢板组合梁(SPCCT梁)的受力性能，开展了1根SPCCT梁的静力性能试验;采用经试验验证的ANSYS有限元模型，研究了PSCC对SPCCT梁受力性能的影响。结果表明：SPCCT梁具有较高承载力和塑性变形能力，试验梁最终呈剪切破坏形态;相较于使用栓钉连接的SPCCT梁，PSCC可使有板托SPCCT梁的极限承载力提高27.43%，延性性能提升214.02%，使无板托SPCCT梁的极限承载力提高10.97%，延性性能提升53.28%;对SPCCT梁设计时，钢板处的抗剪连接程度应大于工字钢上翼缘处。相关研究可为SCCT梁在实际工程的推广应用提供参考借鉴。

　　关键词

　　桥梁工程;组合梁;组合连接件;承载力;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

　　连接件作为钢板组合梁的重要组成，其构造及施工方式极大影响着钢板组合梁的施工效率与便利性。

　　栓钉凭借较好的连接性能与施工便利性成为钢板组合梁中应用最广泛的连接件[1]，但单一的栓钉不利于快速施工且后期混凝土板存在易开裂等问题[2]。施工中，可将钢板组合梁做成装配式梁，即将连接件预先焊接于钢梁上，然后将预留连接件孔的预制混凝土板安装在钢梁上，并向预留孔现浇混凝土形成装配式梁[3];但由于其预留孔通常较大，对混凝土板削弱明显，导致力学性能会劣于现浇梁[4]。此外，还有学者提出将钢梁分成横向两E型槽钢，两者通过螺栓连接，混凝土板可连同槽钢预制连接，以此免于现浇混凝土，所构成的组合梁具有较好的整体性与抗弯性能[5];但在预制板制作、钢梁钻孔、组合梁拼装精度上要求较高，从而不利于施工。为节省底模及减少施工缝数量，可将桥面板做成组合桥面板，现阶段主要有两种形式：叠合混凝土板(下层为预制板，上层为现浇板)和钢板-混凝土组合板，其中叠合混凝土板综合了预制和现浇桥面板的优势，但板内钢筋构造复杂[6];钢板-混凝土组合板中的钢板又分为压型钢板(平行或垂直钢梁)与平钢板，能起防坠落及受拉钢筋的作用。

　　在力学性能方面，Long等[7]、周现伟等[8]和池善庆[9]分别研究了钢-压型钢板组合梁、钢-平钢板组合梁的受力性能，结果表明：其钢板组合梁较于普通钢板组合梁表现出更好的延性;主要在组合梁弹性阶段以后起增大刚度的作用，极限承载力随之提高，且平钢板所提供的刚度更大;压型钢板的板肋垂直于钢梁时的组合梁与钢-平钢板组合梁的破坏形式相似。在构造方面，相较于平钢板，压型钢板的制作较复杂，后期维护不方便且不够美观，使得钢-压型钢板组合梁存在一定局限性。

　　为提高钢板组合梁的施工效率及便利性，本文参考《钢-混凝土组合桥面板技术规程》(DB 51/T1991-2015)[10]，提出将其中的开孔钢板替换成栓钉，形成适用于钢板组合梁的平钢板-栓钉组合连接件(plate-stud combination connector, PSCC)。为研究该型连接件钢板组合梁(I-beam-flat steel plate concrete combined T-beam, SPCCT梁)的静力性能，制作并完成1根SPCCT梁两点对称加载试验，在此基础上，利用ANSYS有限元软件研究PSCC的优越性。

　　1 试验

　　1.1 试验设计

　　试验设计的SPCCT梁如图1所示，施工方法为在预先焊有栓钉的工字钢梁两侧上翼缘焊接预制栓钉的钢板(有板托)，再将钢筋网绑扎置于钢板上端，最后支模现浇混凝土并养护28d。试件总长2500mm，净跨2300mm;梁高505mm、梁宽750mm。上翼缘两侧设有25mm×25mm板托，PSCC中钢板厚4mm，钢板与钢梁处的栓钉规格分别为Φ10×40mm、Φ16×80mm，整体布置如图2所示。

　　

　　

　　试件设计参数见表1，钢筋均采用HRB400;其中纵筋分上、下两层布置，由于钢板能充当部分钢筋，故下层纵筋数量少于上层纵筋。钢材的力学性能如表2所示，其中t与d分别为板厚与钢筋直径，$f_y$与$f_u$分别为钢材的屈服强度和极限强度，$E_s$为钢材的弹性模量;混凝土均选用海工混凝土，其弹性模量、轴向抗压强度、立方体抗压强度分别为33845MPa、29.06MPa、38.24MPa;栓钉材质均为ML15AL，其屈服强度为320MPa、极限抗拉强度为460MPa。

　　

　　1.2 试验方案及测试方法

　　1.2.1 加载方案

　　加载装置如图3所示，试件采用简支边界条件。支座和两端加载位置分别垫厚20mm的钢板并采用砂浆修平，确保试件水平;竖向荷载P由量程2000kN的液压千斤顶提供，采用两点对称加载，通过分配梁将荷载分配至SPCCT梁的两加载点，两加载点相距0.8m。

　　

　　正式加载前，先对试件进行20kN预加载，以消除试件松动及对仪器工作状态校核，然后卸载。正式加载采用分级加载，每级加载完成后持荷5min，观察并记录裂缝的发展与分布，初始荷载为50kN，接近初裂荷载时(即裂缝宽度首次达到0.05mm时对应的荷载)，荷载降至20kN;试件屈服后，荷载降至10kN，直至试件完全破坏。

　　1.2.2 试验测点布置

　　位移测点布置见图4，位移计JD-1~JD-3用于测量试件挠度变化情况;千分表JD-4~JD-12用于测量钢板与混凝土板之间不同位置的相对滑移，并辅以钢梁上栓钉弯曲程度判定。钢梁与钢板应变测点布置见图5(a)，选取加载点和跨中共3个截面进行测量，以了解钢板在弯曲过程中对试验梁的作用效果;混凝土板应变测点布置见图5(b)，用于观察桥面板横、纵向应变发展情况，并判断平截面假定对SPCCT梁受力分析的适用性。

　　

　　

　　考虑到钢梁与钢板处栓钉在试件受力过程中所承受的剪力不同，为了解PSCC中两种栓钉对混凝土板的连接情况，待试验结束后将混凝土板凿除，根据栓钉弯曲程度以判断钢梁与混凝土板之间的相对滑移情况，为合理设计SPCCT梁抗剪连接程度提供参考依据。

　　2 试验现象

　　2.1 试件的损伤过程

　　图6为试验梁受力破坏情况，表现为加载点处混凝土被压碎且存在竖向裂缝，剪跨段混凝土板在端部和加载点之间被剪断，加载点附近的裂缝下宽上细，即试验梁最终呈剪切破坏形态;由于本试验设置的剪跨比偏小，在受弯剪区域，随着荷载的增加导致剪应力超过混凝土板的抗剪强度，箍筋不足以限制斜裂缝发展，最终致使斜裂缝逐渐扩展并贯穿混凝土板。

　　

　　试验梁的荷载-跨中挠度曲线见图7，试件的极限荷载$P_u$为____kN，极限挠度$delta_u$为37.5mm，其受力大致分为3个阶段。

　　

　　1. 弹性阶段(初始加载至A点)：试件处于弹性阶段，钢梁与桥面板整体受力良好，荷载与挠度基本呈线性关系。加载至0.15$P_u$时，由于钢板上的剪力连接度较小，加载点位于相邻栓钉的中间，导致栓钉对加载点区域的混凝土约束能力较弱，故混凝土裂缝首次出现于左加载点处，此时裂缝宽0.2mm，之后随着荷载增加，裂缝相继出现于跨中及右加载点。钢板与混凝土界面初步分离位置位于右加载点左侧，此时荷载为0.38$P_u$，但该处缝隙发展缓慢;之后分离缝隙出现于跨中，当加载至0.56$P_u$时，跨中分离缝隙达到3mm。

　　2. 弹塑性阶段：试件进入弹塑性阶段后，钢梁下翼缘受拉屈服，混凝土裂缝发展迅速，混凝土板和钢梁发生界面滑移，抗弯刚度逐渐减小，跨中挠度随荷载的增加而迅速增大。加载至0.82$P_u$时钢梁出现轻微抖动，并伴有钢板与混凝土的挤压声音，之后剪跨段靠近加载点位置产生纵向平行裂缝;加载至0.93$P_u$时裂缝斜向下发展至钢板与混凝土板界面处(见图8)，且界面滑移较明显，左端滑移量达到0.904mm;继续加载，左端约3/4剪跨段内的混凝土出现若干较宽的斜裂缝，裂缝由下向上延伸并伴随加载点附近上方混凝土被压碎，最终发展为剪跨段内相邻裂缝间存在较宽的界面分离缝隙，裂缝主要位于靠近加载点1/2剪跨段内(见图6)。

　　

　　3. 塑性破坏阶段：当加载至B点时达到极限荷载$P_u$，此后试件进入塑性破坏阶段，加载点混凝土出现明显压碎，挠度发展加快，导致钢板发生外突屈曲(见图9)，之后荷载骤降;该阶段内试件跨中挠度随荷载减小而增大，直至C点，试件破坏完全丧失承载力，此时滑移量为1.74mm;在同侧支座到梁端处，钢板与混凝土的分离缝隙逐渐扩大，最大达到4.12mm。

　　

　　2.2 栓钉的破坏形态

　　栓钉的作用主要是抵抗SPCCT界面间的剪力和竖向掀起力，在SPCCT受力过程中，栓钉表现为一端固定，另一端为滑动的自由端，当承受拉力时易形成塑性铰，向端部弯曲。钢板上的栓钉受剪弯曲后，如图10所示，钢梁上的栓钉继续受力，但不足以承受界面剪力，致使在横截面处，钢板上方混凝土斜裂缝数量较多且宽度较大，而钢梁上方混凝土出现毛细裂缝且数量较少。

　　

　　由于界面剪力在栓钉上由底部向顶端呈抛物线形递减至0，因而界面在承受较大剪力时，刚度较小的钢板由于栓钉的变形而容易迅速屈服。对于钢梁上的栓钉，由于钢板和栓钉受剪变形，最大限度地分担了界面剪力峰值，同时钢梁较强的抗弯刚度及上翼缘栓钉较强的抗剪刚度，致使钢梁上翼缘处的栓钉并未发生明显变形。表明其栓钉的抗剪承载力与其焊接构件的刚度呈正相关。

　　2.3 界面相对滑移

　　图11为钢梁与混凝土板之间不同位置的界面相对滑移情况。荷载从加载至0.85$P_u$，荷载-滑移量大致呈正比例关系;加载至0.5$P_u$过程中整体滑移量较小;继续加载，钢板处栓钉的屈服导致PSCC的抗剪性能减弱，滑移量随之明显增加;当荷载临近$P_u$时，试件右端剪跨段靠近加载点处钢板局部屈曲后导致此处滑移量突变。

　　

　　由于支座为钢梁提供了较大的摩擦力，且跨中及加载点附近的钢板与混凝土板出现了分离缝隙，导致靠近支座位置的滑移量很小。同时可以看出，加载点处由于荷载的施加会增大混凝土板与钢梁间的界面摩擦力，从而有效地抑制界面滑移，故SPCCT最大滑移位置出现于加载点附近。总体而言，SPCCT交界面滑移量较小，表明PSCC能有效连接钢梁与混凝土板，进而保证SPCCT具有较高承载力与延性。

　　2.4 SPCCT梁跨中应变

　　图12为SPCCT梁跨中截面应变沿梁高分布与发展情况，由图12可见，在加载过程中混凝土一直受压，钢梁受拉，表明SPCCT梁能较充分发挥混凝土的抗压及钢梁抗拉性能;在正常使用阶段，跨中截面的轴向应变沿梁高近似线性变化，表明试件基本符合平截面假定;加载初期，压应力主要由混凝土承受，钢板几乎不受力，故应变极小，而当加载至0.29$P_u$时混凝土与钢板之间应变斜率变化很小，表明混凝土板与钢板的受弯曲率基本相同，即PSCC与混凝土板整体工作性能较好;当钢梁下翼缘屈服时，其应变随荷载的增加而迅速加大，但由于上翼缘及钢板应变增幅较小，混凝土并未破坏，因此PSCC能与混凝土板较好地协同工作。

　　

　　3 与SCCT梁静力性能对比分析

　　3.1 有限元模型

　　由于本试验海工混凝土的力学性能与普通混凝土相似，故其本构关系采用EIVIND等[11]建议的二次抛物线(上升段)加水平段组成，即下降段按理想塑性变形考虑，其应力-应变关系为：

　　

　　钢筋采用双折线模型，即理想弹塑性模型;钢梁和钢板采用三折线模型模拟，其应力-应变关系为：

　　

　　有限元模型的混凝土采用SOLID65单元;钢梁与PSCC中的平钢板采用SHELL181单元;栓钉采用COMBIN39单元;混凝土底面与钢板顶面之间采用面-面接触的TARGE170和CONTA173单元，其中界面摩擦系数取0.5，黏结力取0.1MPa[13]。SPCCT梁有限元模型如图13(a)所示，为比较实际工程中常见的仅栓钉连接的钢板组合梁(SCCT梁)及无托板的SPCCT梁(SPCCT-T)的静力性能，建立3个SCCT梁的有限元模型(模型中各位置的栓钉数量不变)，如图13(b)~(d)所示，有托板的SCCT梁编号命名为SCCT，无托板的SCCT梁编号命名为SCCT-T。

　　

　　3.2 模型验证

　　图7为SPCCT梁试验值与有限元模型(FEM)计算值的荷载-跨中挠度曲线，由图7可知，SPCCT梁的试验值与FEM值的屈服荷载($F_y$)之比为____、与弹性刚度($E_y$)之比为0.923、与极限荷载($F_u$)之比为____、与极限挠度($Delta_u$)之比为____，即模拟的特征值与试验结果最大相差在10%以内，表明SPCCT梁的试验值与FEM值在加载中总体吻合良好。

　　图14为SPCCT梁极限荷载下混凝土板、钢板(带板托)损伤FEM的von Mises应力云图，其中混凝土抗压强度和钢材屈服强度均已在破坏位置处充分发挥。由图14(a)可知，模拟的混凝土损伤与试验破坏形态类似;图14(b)显示，靠近加载点处，外侧钢板发生局部向下屈曲，与试验现象相符。

　　

　　图15为钢板、工字钢上翼缘与混凝土之间的界面剪应力云图，由图15可知：工字钢上翼缘的剪应力总体小于钢板;结合图____可知，Y方向上，跨中与梁端的剪应力最小，加载点与支座间及跨中靠近加载点位置处的剪应力较大;Z方向上，工字钢上翼缘或钢板越靠近托板处的剪应力越大;因此其剪应力分布与试验现象相符。综上所述并结合图7可知，建立的FEM能较好地模拟SPCCT受力过程，具有较高的精度。

　　

　　3.3 有限元计算值比较

　　图16为组合梁的FEM荷载-挠度对比曲线图，由图16可知，在弹性阶段，SPCCT梁主要由钢梁下翼缘受拉，混凝土受压，此时PSCC受力较小，主要抵抗混凝土板与钢梁的纵向(梁长方向)滑移，但随着荷载逐渐增加，PSCC受力也随之增大，最终使得PSCC能有效分担混凝土板和钢梁的应力，进而提高SCCT的屈服荷载;在弹塑性阶段，中和轴上移，混凝土由于PSCC中钢板的存在，使得桥面板塑性变形能力增强。

　　

　　由FEM计算结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梁的极限承载力，并对其延性提升效果显著，但对其弹性刚度提升较小;由于板托处存在钢板，能帮助此处(平钢板与钢梁上翼缘之间)的混凝土受力，故SCCT-T的力学性能优于SCCT;相较于无板托的SCCT梁，PSCC在有板托的SCCT梁中所提升的力学性能更明显(极限承载力多提升16.46%)。

　　

　　4 结论

　　1. SPCCT梁受力呈弯剪破坏特征，其交界面整体滑移较小，最大滑移位置位于加载点附近。其中的PSCC具有良好的连接性能，使得SPCCT梁具有较高的承载力和较好的延性。

　　2. 采用ANSYS建立的SPCCT梁有限元模型得到的屈服荷载、弹性刚度、极限荷载、极限挠度等FEM值与试验值的误差均在10%以内，具有较高精度，能较好地模拟SPCCT梁的受力过程。

　　3. SPCCT梁在受力过程中，其钢板上的剪应力总体上大于工字钢上翼缘，因此在设计SPCCT梁时，考虑钢板上的抗剪连接程度应大于工字钢上翼缘。

　　4. PSCC能有效提高SCCT梁的受力性能，并对其延性提升显著;相较于无板托SCCT梁，PSCC对有板托SCCT梁的极限承载力能多提升16.46%，而对弹性刚度的提升相差很小。

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　　论文《 带平钢板-栓钉组合连接件的钢板组合梁静力性能研究》发表在《福建理工大学学报》，本文仅共展示，来自网络平台。