混凝土受拉狀態(tài)下栓釘的承載力試驗方法

1鋼-混凝土-鐵-鋼-墻體的裂近10年來，鋼-混凝土組合結構在中國得到了迅速發(fā)展，并且在鐵路橋的應用越來越廣泛。結構形式從最初的單一支臂梁改為連續(xù)梁、鋼-中梁連續(xù)梁（蕪湖橋上層）、下承式梁組合梁。未來10年，高速鐵路在中國得到了快速發(fā)展，上述形式的聯合結構橋梁將得到廣泛應用。在連續(xù)結合梁、連續(xù)鋼桁結合梁的中支座附近和整個下承式桁梁結合梁中,混凝土板處于受拉狀態(tài).連續(xù)結合梁早期出現時,為防止混凝土開裂,曾采取如下措施:1)在負彎矩區(qū)不設連接件,即鋼與混凝土不結合,或設柔性連接件,主要用于抵抗鋼與混凝土的豎向分離,而允許鋼與混凝土間產生較大的滑移.這種方法或多或少降低了負彎矩區(qū)梁的剛度和承載力,使其承載力與外荷載引起的內力不協調.2)采用各種方法,對負彎矩區(qū)混凝土施加預應力,如中支座頂落法、張拉法等.這些方法的缺點是:隨著混凝土的收縮徐變,預應力會損失,而且在給混凝土施加預應力時,不經意中對鋼梁也施加了預應力.近年來,設計中出現了用高配筋代替預應力、用裂紋寬度限值代替拉應力限值的轉變,在連續(xù)結合梁的負彎矩區(qū)采用高配筋(3%以上),允許混凝土開裂,裂紋寬度控制在0.2mm以下.現有組合結構規(guī)范(如BS5400和ECCS等)在混凝土受壓狀態(tài)下對連接件的靜、動承載力都有規(guī)定(盡管具體數值差別較大),而且還規(guī)定了測連接件承載力的試驗方法.筆者也曾做過許多試驗研究,成果已用于蕪湖長江大橋等.但對于混凝土受拉狀態(tài)下的連接件既沒有規(guī)定承載力,也沒有規(guī)定承載力測試方法.有些文獻中建議混凝土受拉區(qū)的連接件承載力取受壓狀態(tài)下的80%,筆者認為缺乏依據.我國鐵路結合梁中,鋼構件大多采用14MnNbq,混凝土為C50,連接件為《22栓釘.為研究鐵路結合梁混凝土受拉狀態(tài)下《22栓釘的承載能力,作者采用反向推出法,做了多組對比試驗,為設計提供依據.2混凝土配筋率.反向推出試驗,是使上、下兩個鋼構件中間相隔一段距離,而兩側的混凝土則上下相連.中間空腹內放置千斤頂,將上、下兩個鋼構件反向推出,見圖1所示.為比較栓釘的排列、混凝土的配筋率等對栓釘極限承載力的影響,試件分為A、B、C3種.其中A試件每個鋼構件每側2個栓釘橫向排列,B試件豎向排列,C試件則有4個栓釘,排成2排2列.混凝土的配筋率分為2類,第1類試件約30%,用下標1表示;第2類試件約2%,用下標2表示.圖2為B1試件,其余試件與此類似,只是栓釘排列和配筋率不同.試驗概況見表1.試驗時,每排栓釘所在的橫向截面上都裝上4個千分表.每個千分表底座固定在鋼構件上,指針指在一個小鋼片上,該小鋼片固定在混凝土板上,以此測鋼與混凝土之間的滑移u.還用機測測了每塊混凝土板兩側內、外邊緣的應變.但混凝土開裂后,該讀數變得無意義.荷載分級施加.每級荷載施加半小時后讀數.但最后達到極限狀態(tài)時,荷載、滑移不再一一對應,荷載在減小,而滑移在增加.極限荷載是指加載過程中達到的最大荷載.3混凝土板上、下表面裂紋實測所得的極限荷載和平均單釘的承載力列于表1.各試件的P-u曲線見圖3～7.P-u曲線中P為總荷載,u為栓釘所在截面鋼與混凝土的相對位移,即滑移值.u的取值,A試件為每個截面4個表的平均值,B、C試件為2個截面8個表的平均值.表2為各組試件的單釘荷載p與滑移u的關系,p與u都取各組試件的平均值.圖8是各組試件的平均p-u曲線,p為單釘荷載,其中虛線為《22栓釘單向推出試驗(混凝土受壓)的p-u曲線.由這些曲線可見,當荷載P在200KN(σc平均=1.75MPa)以下時,P-u大致成線性關系,200KN以后曲線逐漸變彎,300KN以后位移u的增加明顯加速.當P=350KN(σc平均=3.07MPa)時,混凝土板表面已有可見橫向裂紋.裂紋首先出現在栓釘所在截面內側.隨著荷載的增加,橫向裂紋逐漸由混凝土板的內側向外擴展,裂紋數量也不斷增加,但裂紋寬度發(fā)展較緩慢.直至試驗結束,A試件混凝土外側表面始終無裂紋出現,而B、C試件混凝土外表面也有較多的橫向裂紋.C試件橫向裂紋最多,且內、外、左、右貫通;B試件外側也有橫向裂紋,但沒有貫通.接近極限荷載時,試件上、下兩端混凝土板中出現了斜裂紋.A試件斜裂紋只出現在內側的頂面,外側沒有.而B、C試件則內側、外側和頂面都有斜裂紋.與橫向裂紋不同,這些斜向裂紋寬度的增加很快.從上述圖、表可見:極限荷載C最大,B次之,A最小;單釘承載力則B最大,A次之,C最小;配筋率3%的A1、B1試件承載力分別比配筋率2%的A2、B2試件稍大,但差別較小;所有反向推出試驗的單釘承載力都小于單向推出試驗,但在單釘荷載p為C試件25KN其余試件50KN以下時,反向推出試驗的曲線斜率(即栓釘剛度)大致與單向推出試驗的相同,約為575KN/mm.4混凝土受拉狀態(tài)1)混凝土受拉情況下,栓釘的極限承載力是由混凝土的破壞控制的,與混凝土中的應力水平、應力分布、應力集中程度和裂紋等因素密切相關,而栓釘的布置形式對上述因素有直接影響,從而也對栓釘的承載能力有所影響.但無論如何,混凝土受拉狀態(tài)下栓釘的承載力明顯地比混凝土受壓時小.當單釘荷載小于25KN時,混凝土受拉狀態(tài)下的栓釘剛度與混凝土受壓狀態(tài)下的基本相同,對《22栓釘、C50混凝土可取K=575KN/mm.2)按取最小值90%的原則,混凝土受拉情