混凝土受拉状态下栓钉的承载力试验方法

混凝土受拉状态下栓钉的承载力试验方法

1钢-混凝土-铁-钢-墙体的裂近10年来，钢-混凝土组合结构在中国得到了迅速发展，并且在铁路桥的应用越来越广泛。结构形式从最初的单一支臂梁改为连续梁、钢-中梁连续梁（芜湖桥上层）、下承式梁组合梁。未来10年，高速铁路在中国得到了快速发展，上述形式的联合结构桥梁将得到广泛应用。在连续结合梁、连续钢桁结合梁的中支座附近和整个下承式桁梁结合梁中,混凝土板处于受拉状态.连续结合梁早期出现时,为防止混凝土开裂,曾采取如下措施:1)在负弯矩区不设连接件,即钢与混凝土不结合,或设柔性连接件,主要用于抵抗钢与混凝土的竖向分离,而允许钢与混凝土间产生较大的滑移.这种方法或多或少降低了负弯矩区梁的刚度和承载力,使其承载力与外荷载引起的内力不协调.2)采用各种方法,对负弯矩区混凝土施加预应力,如中支座顶落法、张拉法等.这些方法的缺点是:随着混凝土的收缩徐变,预应力会损失,而且在给混凝土施加预应力时,不经意中对钢梁也施加了预应力.近年来,设计中出现了用高配筋代替预应力、用裂纹宽度限值代替拉应力限值的转变,在连续结合梁的负弯矩区采用高配筋(3%以上),允许混凝土开裂,裂纹宽度控制在0.2mm以下.现有组合结构规范(如BS5400和ECCS等)在混凝土受压状态下对连接件的静、动承载力都有规定(尽管具体数值差别较大),而且还规定了测连接件承载力的试验方法.笔者也曾做过许多试验研究,成果已用于芜湖长江大桥等.但对于混凝土受拉状态下的连接件既没有规定承载力,也没有规定承载力测试方法.有些文献中建议混凝土受拉区的连接件承载力取受压状态下的80%,笔者认为缺乏依据.我国铁路结合梁中,钢构件大多采用14MnNbq,混凝土为C50,连接件为《22栓钉.为研究铁路结合梁混凝土受拉状态下《22栓钉的承载能力,作者采用反向推出法,做了多组对比试验,为设计提供依据.2混凝土配筋率.反向推出试验,是使上、下两个钢构件中间相隔一段距离,而两侧的混凝土则上下相连.中间空腹内放置千斤顶,将上、下两个钢构件反向推出,见图1所示.为比较栓钉的排列、混凝土的配筋率等对栓钉极限承载力的影响,试件分为A、B、C3种.其中A试件每个钢构件每侧2个栓钉横向排列,B试件竖向排列,C试件则有4个栓钉,排成2排2列.混凝土的配筋率分为2类,第1类试件约30%,用下标1表示;第2类试件约2%,用下标2表示.图2为B1试件,其余试件与此类似,只是栓钉排列和配筋率不同.试验概况见表1.试验时,每排栓钉所在的横向截面上都装上4个千分表.每个千分表底座固定在钢构件上,指针指在一个小钢片上,该小钢片固定在混凝土板上,以此测钢与混凝土之间的滑移u.还用机测测了每块混凝土板两侧内、外边缘的应变.但混凝土开裂后,该读数变得无意义.荷载分级施加.每级荷载施加半小时后读数.但最后达到极限状态时,荷载、滑移不再一一对应,荷载在减小,而滑移在增加.极限荷载是指加载过程中达到的最大荷载.3混凝土板上、下表面裂纹实测所得的极限荷载和平均单钉的承载力列于表1.各试件的P-u曲线见图3～7.P-u曲线中P为总荷载,u为栓钉所在截面钢与混凝土的相对位移,即滑移值.u的取值,A试件为每个截面4个表的平均值,B、C试件为2个截面8个表的平均值.表2为各组试件的单钉荷载p与滑移u的关系,p与u都取各组试件的平均值.图8是各组试件的平均p-u曲线,p为单钉荷载,其中虚线为《22栓钉单向推出试验(混凝土受压)的p-u曲线.由这些曲线可见,当荷载P在200KN(σc平均=1.75MPa)以下时,P-u大致成线性关系,200KN以后曲线逐渐变弯,300KN以后位移u的增加明显加速.当P=350KN(σc平均=3.07MPa)时,混凝土板表面已有可见横向裂纹.裂纹首先出现在栓钉所在截面内侧.随着荷载的增加,横向裂纹逐渐由混凝土板的内侧向外扩展,裂纹数量也不断增加,但裂纹宽度发展较缓慢.直至试验结束,A试件混凝土外侧表面始终无裂纹出现,而B、C试件混凝土外表面也有较多的横向裂纹.C试件横向裂纹最多,且内、外、左、右贯通;B试件外侧也有横向裂纹,但没有贯通.接近极限荷载时,试件上、下两端混凝土板中出现了斜裂纹.A试件斜裂纹只出现在内侧的顶面,外侧没有.而B、C试件则内侧、外侧和顶面都有斜裂纹.与横向裂纹不同,这些斜向裂纹宽度的增加很快.从上述图、表可见:极限荷载C最大,B次之,A最小;单钉承载力则B最大,A次之,C最小;配筋率3%的A1、B1试件承载力分别比配筋率2%的A2、B2试件稍大,但差别较小;所有反向推出试验的单钉承载力都小于单向推出试验,但在单钉荷载p为C试件25KN其余试件50KN以下时,反向推出试验的曲线斜率(即栓钉刚度)大致与单向推出试验的相同,约为575KN/mm.4混凝土受拉状态1)混凝土受拉情况下,栓钉的极限承载力是由混凝土的破坏控制的,与混凝土中的应力水平、应力分布、应力集中程度和裂纹等因素密切相关,而栓钉的布置形式对上述因素有直接影响,从而也对栓钉的承载能力有所影响.但无论如何,混凝土受拉状态下栓钉的承载力明显地比混凝土受压时小.当单钉荷载小于25KN时,混凝土受拉状态下的栓钉刚度与混凝土受压状态下的基本相同,对《22栓钉、C50混凝土可取K=575KN/mm.2)按取最小值90%的原则,混凝土受拉情