CN110274802A - 一种钢-混凝土组合结构、制备方法以及抗剪性能检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钢‑混凝土组合结构、制备方法以及抗剪性能检测方法，组合结构包括通过剪力钉群相连的钢构件和混凝土构件，在剪力钉群的根部沿着钉杆方向缠绕刚度较小的硅橡胶，检测方法首先制作试验试件、试验台整平、试件对齐、测点布置、试件预压、正式加载、读取试验数据。试验完成后，结合试验结果对比分析普通剪力钉群试件和外加硅胶垫的剪力钉群试件在破环形态、极限承载力、荷载‑滑移规律和剪切刚度等受力性能。本发明通过减小剪力钉群和混凝土构件之间的相对抗剪刚度，使单枚剪力钉的受力趋于均匀，有效地改善剪力钉群的受力不均匀，提高剪力钉群的极限抗剪承载力，最终达到延长组合结构使用寿命的目的。

Description

一种钢-混凝土组合结构、制备方法以及抗剪性能检测方法
技术领域
本发明属于结构工程领域，涉及一种钢混组合结构，具体涉及一种钢-混凝土组合结构、制备方法以及抗剪性能检测方法。
背景技术
剪力连接键用于传递钢-混凝土结合面之间的剪力，其形式的选择很大程度上决定了组合结构的整体性能。尽管各种不同类型的剪力连接件被先后提出，但剪力钉仍然是使用最为广泛的剪力连接件。剪力钉在组合结构中起着传递剪力，抵抗钢板和混凝土之间的相对滑移和防止钢板掀起的作用。国内外学者对剪力钉的静力行为进行了大量的研究，通过单钉连接件的剪切刚度、抗剪强度及荷载-滑移曲线对剪力钉的受力性能进行分析，已经得出了可以指导工程设计的相关理论和计算方法。然而在实际工程中，由于结构构造或传力需要，剪力钉往往需要大量布置来传递钢-混凝土结合面的剪力，即剪力钉是以剪力钉群参与组合结构受力的。一些传递荷载大，受力状态复杂的关键部位，如斜拉索锚固区，组合桁架节点，剪力钉布置密集，甚至可能出现剪力钉间距无法满足构造要求。剪力钉的群钉效应和抗剪承载力受其刚度及剪力钉布置等多方面因素相互耦合的影响，群钉的力学性能与单钉存在较为明显的差异。作为钢－混凝土结合面的主要传力构件，剪力钉的剪应力和变形分布是不均匀的，因而对结合面的剪力传递、剪应力分布以及对结合面钢和混凝土的受力会产生一定的影响，容易引起混凝土局部开裂，严重时甚至造成构件的破坏。采用设计规范中的剪力钉布置方案进行结构设计时，在荷载作用下，距离荷载端较近的剪力钉受力会大于距离荷载端较远的剪力钉，结构会因为边缘焊钉被剪断而失效。因此，如何提出一种改善组合结构中剪力钉群受力不均匀的方法，并以试件试验的方式证明其可行性，用于提高结构的抗剪承载力和延长结构使用寿命是本技术领域目前仍未解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于：克服上述背景技术的不足，在不影响工程建设成本的前提下，提供一种便于操作，简单可行的方法，用于改善组合结构中剪力钉群受力的不均匀，有效的提高结构的承载力，并以试件试验的方式证明该方法的可行性。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种钢-混凝土组合结构，包括钢构件和混凝土构件，所述钢构件和混凝土构件之间通过剪力钉群相连，其特征在于：每个剪力钉两端分别为根部端和钉帽端，所述根部端焊接在钢构件上，剪力钉的钉杆埋在混凝土内，在浇注混凝土前先在剪力钉群的钉杆上缠绕硅胶垫。通过减小剪力钉群和混凝土构件之间的相对抗剪刚度，允许钢构件和混凝土构件出现一定范围内的相对滑移，改善了现有技术无法解决的剪力钉群因刚度较大而导致的受力不均匀，降低了边缘位置剪力钉的疲劳破坏甚至被直接剪断的可能性，有效的提高了结构的承载力，最终达到延长结构使用寿命的目的。
作为改进，所述硅胶垫从剪力钉群的根部开始缠绕，钉杆上缠绕长度为剪力钉总长度的1/4-3/4。
作为改进，所述钢构件为工字型钢，所述混凝土构件分布在工字型钢两侧的翼缘板上，所述剪力钉群焊接在工字型钢的翼缘板上。
作为改进，所述硅胶垫缠绕在剪力钉的钉杆上后通过纤维布固定。
本发明还提供了一种钢-混凝土组合结构制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、选取一个工字型钢，对工字型钢表面进行清洁除锈处理；
步骤2、在工字型钢两侧翼缘板上焊接剪力钉群；
步骤3、在剪力钉群的钉杆上缠绕硅胶垫，并用纤维布固定；
步骤4、在工字型钢两侧支模板，按构造要求布置混凝土块的钢筋；
步骤5、在工字型钢两侧的模板内浇筑混凝土试块，养护试块，混凝土固化后即得到钢-混凝土组合结构。
作为改进，所述工字型钢的屈服强度不低于400MPa，抗拉强度不低于500MPa。
作为改进，所述剪力钉群的钉杆上硅橡胶缠绕长度为剪力钉总长度的1/4-1/2。
一种上述钢-混凝土组合结构的抗剪性能检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、利用权利要求5所述方法制备钢-混凝土组合结构的试件，制得试件的工字型钢顶部高程高于两侧的混凝土试块，工字型钢底部高程也高于两侧混凝土试块底部高程，预留工字型钢相对于两侧混凝土试块向下剪切运动的空间；
步骤b、在试验台上铺设细砂垫层，在细砂垫层上覆盖橡胶垫；
步骤c、利用起重机将试件转运至试验台上，调整试件位置与试验加载机对正；
步骤d、在试件的钢-混凝土结合面处安装测量工字型钢与混凝土试块之间相对滑移量的百分表；
步骤e、在试件的工字型钢顶部放置找平钢板，利用试验加载机对找平钢板进行施压，完成预加载，预压完成后对百分表进行初读数；
步骤f、初读数完成后，对试件进行正式加载施压；
步骤g、对试件进行分级加载，记录加载过程中载荷和百分表测得的相对滑移量数据，直至剪力钉群全部断裂或者试件一侧的剪力钉群全部被间断时停止加载，并记录试件破坏时的最大载荷；
步骤h、确认试件被破坏时的最大荷载后立即卸载，等待卸载完毕，观测试件的破坏形态，查看试件断裂面并拍照保存，将残破的试件清理出试验台；
步骤i、分析试验数据，根据载荷和相对滑移量数据绘制荷载-滑移曲线图，由荷载和滑移的关系式计算剪力钉群的抗剪刚度。
作为优选，步骤d中，先通过激光测距仪找出试件的中心位置，在中心位置所处的水平面与钢-混凝土结合面的交界处安装固定4个已经校准好的百分表，用于测出型钢与混凝土块之间的相对滑移量。
作为优选，步骤g中，每级载荷稳定后对百分表进行读数，开始时以每级200KN的加载力递增加载，加载至1800KN后，按照每级载荷100KN进行加载。
本发明在群钉根部缠绕硅胶垫能降低剪力钉和混凝土构件的相对抗剪刚度，有效的改善了群钉受力不均匀的现象，使用此种新型抗剪连接件的试件较普通剪力钉群试件的抗剪承载力有较大提升，且提升的幅度和硅胶垫的厚度无关，而是与硅胶垫的高度呈正相关，但硅胶垫的高度不能超过剪力钉全长的二分之一，这是因为硅胶垫的高度设置过大会影响剪力钉与混凝土构件的粘结。
本发明有益效果是：
1.安装简单，便于施工。
2.材料普通且容易获取，对工程建设成本影响不大。
3.广泛适用于使用剪力钉群作为连接件的钢-混凝土组合结构。根据设计要求，硅胶垫的长度可以进行任意调整，只需满足长度不超过焊钉总长的二分之一即可。
4.改善了群钉受力不均匀的现象，有效的提高了结构的抗剪承载力，减少了单位面积使用剪力钉的数量，优化了剪力钉的布置方案。
附图说明
图1为本发明实施例中制备的钢-混凝土组合结构试件示意图。
图2为本发明实施例中工字型钢上剪力钉群安装示意图。
图3为本发明进行钢-混凝土组合结构中群钉受力分析试验流程图。
图4为本发明实施例中焊接剪力钉群的工字钢正视图。
图5为图4中侧视图。
图6为图1中俯视图。
图7为硅胶垫剪力钉群试件的破坏形态示意图。
图8是普通剪力钉群试件的破坏形态。
1-工字型钢，2-混凝土试块，3-找平钢板，4-剪力钉，5-硅胶垫，6-纤维布。
具体实施方式
为使本发明的目的，技术优点更加清晰，下面结合附图对本发明进行详细完整的讲解和描述。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图所示，本发明一种钢-混凝土组合结构，包括钢构件和混凝土构件，所述钢构件和混凝土构件之间通过剪力钉群相连，每个剪力钉两端分别为根部端和钉帽端，所述根部端焊接在钢构件上，剪力钉的钉杆埋在混凝土内，在浇注混凝土前先在剪力钉群的钉杆上缠绕硅胶垫，缠绕后纤维布固定固定在钉杆上。本实施例中，所述钢构件为工字型钢，所述混凝土构件分布在工字型钢两侧的翼缘板上，所述剪力钉群焊接在工字型钢的翼缘板上。所述硅胶垫从剪力钉群的根部开始缠绕，钉杆上缠绕长度为剪力钉总长度的1/4-3/4。
剪力钉作为使用最为广泛的剪力连接件，用于传递组合结构中钢-混凝土界面之间的剪力，由于剪力钉在组合结构是以群钉的方式存在的，在荷载作用下必然出现受力不均匀的现象。将刚度较小的硅胶垫置于剪力钉与混凝土之间，能够减小剪力钉和混凝土之间的相对抗剪刚度，使得群钉的应力分配更加均匀，有效地提高了结构的抗剪承载力和延长结构的使用寿命。
为了达到最优的抗剪性能和结构性能，所述硅胶垫包覆的长度为剪力钉的钉杆总长的二分之一并用普通纤维布固定。
上述钢-混凝土组合结构试件制备方法如下：
步骤1.选取高度为660mm，厚度24mm的工字型钢，用打磨机、砂纸等工具对工字型钢构件进行除锈工作，工字型钢的屈服强度为420MPa，抗拉强度为535MPa。
步骤2.在工字型钢翼缘板外侧上焊接群钉。选择直径22mm长度200mm的剪力钉焊接在型钢翼缘板两侧，剪力钉按4排×2列布置，且各排、各列的间距均为125mm，剪力钉的屈服强度为350MPa，抗拉强度为449MPa。
步骤3.从靠近焊接点开始沿着群钉的钉杆方向缠绕一周硅胶垫，并用普通纤维布固定。
步骤4.在工字型钢两侧支模板，按构造要求布置混凝土块的钢筋。
步骤5.在工字型钢两侧翼缘板外侧浇筑2块600mm×615mm×260mm混凝土块，混凝土采用C50。
步骤6.养护混凝土，待混凝土块达到其设计强度时，即得到钢-混凝土组合结构试件，之后可以进行钢-混凝土组合结构中套有硅胶垫剪力钉群的推出试验。需要说明的是为了提高试验便捷性，制得试件的工字型钢顶部高程高于两侧的混凝土试块，工字型钢底部高程也高于两侧混凝土试块底部高程，预留工字型钢相对于两侧混凝土试块向下剪切运动的空间；但是该要求并不是必须要求，可以通过在试件两侧混凝土试块底部加垫块的方式，也可以获得剪切运动的空间。
试验在MTS电液伺服加载系统上进行，设备型号为MTS-6000KN，试验目的在于获取各组试件极限抗剪承载力、对比分析套有硅胶垫的剪力钉群和普通剪力钉群受力性能的差异，得出在剪力钉群的根部缠绕硅胶垫能改善组合结构中剪力钉群受力不均匀的结论。该试验需要制备5组试验进行对比，其中第一组试件为普通剪力钉群连接的钢-混凝土组合结构，并用S1命名；第二组试件在剪力钉群的根部沿着钉杆方向缠绕高50mm、厚4mm的硅胶垫，并用SRS1命名；第三组试件在剪力钉群的根部沿着钉杆方向缠绕高100mm、厚4mm的硅胶垫，并用SRS2命名；第四组试件在剪力钉群的根部沿着钉杆方向缠绕高150mm、厚4mm的硅胶垫，并用SRS3命名；第五组试件在剪力钉群的根部沿着钉杆方向缠绕高100mm、厚2mm的硅胶垫，并用SRS4命名。其中第二组至第五组均按照步骤1至步骤6方法制备，第一组也按照该方法制备，区别在于不加硅胶垫。试验过程分为：制作试验试件、试验台整平、试件对齐、测点布置、试件预压、正式加载、读取试验数据和分析试验结果。试验完成后，结合试验结果对比分析普通剪力钉群试件和外加硅胶垫的剪力钉群试件在破环形态、极限承载力、荷载-滑移规律和剪切刚度等受力性能上的不同之处；分析结果表明，外加硅胶垫的剪力钉群试件破坏时更具有延性，呈弯剪破坏，外加硅胶垫的剪力钉群试件的极限抗剪承载力均大于普通剪力钉群的极限抗剪承载力，由此证明在剪力钉群的根部沿着钉杆方向缠绕刚度较小的硅胶垫可以有效地改善剪力钉群的受力不均匀，提高剪力钉群的极限承载力。
为了减小试验误差，通过控制硅胶垫的长度和厚度进行试验对照。每个对照组设置三个试件，以S1-1、S1-2、S1-3分别命名硅胶垫长度为0mm的空白对照组试件；以SRS1-1、SRS1-2、SRS1-3分别命名硅胶垫长度50mm，厚度4mm的第二组试件；以SRS2-1、SRS2-2、SRS2-3分别命名硅胶垫长度100mm，厚度4mm的第三组试件；以SRS3-1、SRS3-2、SRS3-3分别命名硅胶垫长度150mm，厚度4mm的第四组试件；以SRS4-1、SRS4-2、SRS4-3分别命名硅胶垫长度100mm，厚度2mm的第五组试件。试验数据取各组的平均值，方便试验结果分析。
具体的试验步骤如下：
步骤7.在试验台上铺设3mm厚度均匀的细砂垫层，在细砂垫层上覆盖一张厚度为10mm的橡胶垫确保试验台上的试件处于水平状态，使试件底部均匀受力。
步骤8.用门式起重机将试验试件转运至试验台上，在试验台四周边缘中点的正上方设置一根铅垂线，利用垂线法将试验机加载中心和试件中心对齐。
步骤9.利用激光测距仪找出试件的中心位置，在该位置所处的水平面与钢-混凝土结合面的交界处安装固定4个已经校准好的百分表，用于测出型钢与混凝土块之间的相对滑移量。
步骤10.在型钢的正上方放置找平钢板，确保试件水平受力，以700KN的预压荷载对试件进行多次预压，待预压完成后对百分表进行初读数。
步骤11.完成初读数3分钟后开始正式加载，采用分级加载的方式对试件进行加载，每级荷载为200KN，加载速度应保持均匀缓慢，荷载持续3-5分钟。
步骤12.分别记录每级荷载加载完毕后和下一级荷载加载前百分表稳定后的示数。
步骤13.加载至1800KN后，按照每级荷载为100KN，荷载持续时间不变的方法继续加载，当试件中的剪力钉群全部被剪断或者试件一侧的剪力钉被全部被剪断时停止加载并记录试件被破坏时的最大荷载。
步骤14.确认试件被破坏时的最大荷载后立即卸载，等待卸载完毕，观测试件的破坏形态，查看试件断裂面并拍照保存，将残破的试件清理出试验台。
步骤15.更换试件，重复上述步骤7至步骤14，直至所有试件加载完毕。
步骤16.整理试验数据，得到各组试件的极限承载力及荷载-滑移曲线图，由荷载和滑移的关系式计算剪力钉群的抗剪刚度。各组试件的极限承载力以及剪力钉群抗剪刚度如表1所示。
表1试件的极限承载力以及剪力钉群抗剪刚度表
步骤17.分析试验数据，得出结论。
由表1可知，所述套有硅胶垫剪力钉群试件SRS-1至SRS-4的极限承载力明显高于普通剪力钉群试件S1的极限承载力，SRS-2的极限承载力提升幅度最大，达到19.7％。SRS-4采用与SRS-2相同高度，不同厚度的硅胶垫，但试件承载力的差别并不大。SRS-3的硅胶垫高度为150mm，为焊钉总长的3/4，其极限承载力的提升幅度仅有9.3％。在抗剪刚度方面，所述套有硅胶垫剪力钉群的抗剪刚度比普通剪力钉群均有不同程度的降低。
相同荷载下，套有硅胶垫剪力钉群试件和普通剪力钉群试件的破坏形态如图1所示，硅胶垫剪力钉群试件中混凝土构件的裂缝发展速度较为缓慢，裂缝宽度较小，普通剪力钉群试件中混凝土构件的裂缝发展速度较快，裂缝宽度也较大。试验结果表明，在群钉根部缠绕硅胶垫能降低剪力钉和混凝土构件的相对抗剪刚度，有效的改善了群钉受力不均匀的现象。使用此种新型抗剪连接件的试件较普通剪力钉群试件的抗剪承载力有较大提升，且提升的幅度和硅胶垫的厚度无关，而是与硅胶垫的高度呈正相关，但硅胶垫的高度不能超过剪力钉全长的二分之一，这是因为硅胶垫的高度设置过大会影响剪力钉与混凝土构件的粘结。
由所述套有硅胶垫剪力钉群的推出试验，可以得出以下结论：
(1)与常规的群钉布置方案相比，使用此种新型剪力钉群的组合结构在相同的荷载作用下，其钢构件与混凝土构件之间的相对滑移量要大于使用同样规格普通剪力钉群的组合结构，且滑移距离与硅胶垫的长度有关，与硅胶垫的厚度无关。
(2)当硅胶垫的长度为焊钉总长的二分之一时，钢构件与混凝土构件之间的相对滑移距离最大，对结构的承载力提升效果较为显著。给剪力钉套上硅胶垫能够减小群钉和混凝土之间的相对抗剪刚度，让应力分配更加均匀，进而提高结构的极限承载能力，最终延长结构的使用寿命。
(3)当硅胶垫长度增加至150mm(剪力钉长度3/4)时，剪力钉的抗剪承载力开始下降，但相对同规格普通剪力钉的抗剪承载力仍有9.7％的提高，硅胶垫长度设置过长会影响剪力钉和混凝土构件的粘结作用，导致硅胶垫剪力钉群的抗剪强度提升幅度降低。
(4)试验结果表明，用所述硅胶垫缠绕剪力钉群根部，用以改善组合结构中剪力钉群受力不均匀是可行的。

Claims (10)

1.一种钢-混凝土组合结构，包括钢构件和混凝土构件，所述钢构件和混凝土构件之间通过剪力钉群相连，其特征在于：每个剪力钉两端分别为根部端和钉帽端，所述根部端焊接在钢构件上，剪力钉的钉杆埋在混凝土内，在浇注混凝土前先在剪力钉群的钉杆上缠绕硅胶垫。
2.如权利要求1所述的钢-混凝土组合结构，其特征在于：所述硅胶垫从剪力钉群的根部开始缠绕，缠绕长度为剪力钉总长度的1/4-3/4。
3.如权利要求1或2所述的钢-混凝土组合结构，其特征在于：所述钢构件为工字型钢，所述混凝土构件分布在工字型钢两侧的翼缘板上，所述剪力钉群焊接在工字型钢的翼缘板上。
4.如权利要求1或2所述的钢-混凝土组合结构，其特征在于：所述硅胶垫缠绕在剪力钉的钉杆上后通过纤维布固定。
5.一种钢-混凝土组合结构制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、选取一个工字型钢，对工字型钢表面进行清洁除锈处理；
步骤2、在工字型钢两侧翼缘板上焊接剪力钉群；
步骤3、在剪力钉群的钉杆上缠绕硅胶垫，并用纤维布固定；
步骤4、在工字型钢两侧支模板，按构造要求布置混凝土块的钢筋；
步骤5、在工字型钢两侧的模板内浇筑混凝土试块，养护试块，混凝土固化后即得到钢-混凝土组合结构。
6.如权利要求5所述钢-混凝土组合结构制备方法，其特征在于：所述工字型钢的屈服强度不低于400MPa，抗拉强度不低于500MPa。
7.如权利要求5所述钢-混凝土组合结构制备方法，其特征在于：所述剪力钉群的钉杆上硅橡胶缠绕长度为剪力钉总长度的1/4-1/2。
8.一种权利要求5所制备的钢-混凝土组合结构的抗剪性能检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、利用权利要求5所述方法制备钢-混凝土组合结构的试件，制得试件的工字型钢顶部高程高于两侧的混凝土试块，工字型钢底部高程也高于两侧混凝土试块底部高程，预留工字型钢相对于两侧混凝土试块向下剪切运动的空间；
步骤b、在试验台上铺设细砂垫层，在细砂垫层上覆盖橡胶垫；
步骤c、利用起重机将试件转运至试验台上，调整试件位置与试验加载机对正；
步骤d、在试件的钢-混凝土结合面处安装测量工字型钢与混凝土试块之间相对滑移量的百分表；
步骤e、在试件的工字型钢顶部放置找平钢板，利用试验加载机对找平钢板进行施压，完成预加载，预压完成后对百分表进行初读数；
步骤f、初读数完成后，对试件进行正式加载施压；
步骤g、对试件进行分级加载，记录加载过程中载荷和百分表测得的相对滑移量数据，直至剪力钉群全部断裂或者试件一侧的剪力钉群全部被间断时停止加载，并记录试件破坏时的最大载荷；
步骤h、确认试件被破坏时的最大荷载后立即卸载，等待卸载完毕，观测试件的破坏形态，查看试件断裂面并拍照保存，将残破的试件清理出试验台；
步骤i、分析试验数据，根据载荷和相对滑移量数据绘制荷载-滑移曲线图，由荷载和滑移的关系式计算剪力钉群的抗剪刚度。
9.如权利要求8所述的抗剪性能检测方法，其特征在于：步骤d中，先通过激光测距仪找出试件的中心位置，在中心位置所处的水平面与钢-混凝土结合面的交界处安装固定4个已经校准好的百分表，用于测出型钢与混凝土块之间的相对滑移量。
10.如权利要求8所述的抗剪性能检测方法，其特征在于：步骤g中，每级载荷稳定后对百分表进行读数，开始时以每级200KN的加载力递增加载，加载至1800KN后，按照每级载荷100KN进行加载。
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