近年来, 钢-混凝土组合梁在国内发展迅速, 在建筑及桥梁结构中得到广泛的应用, 取得了良好的经济效益。钢-混凝土组合梁能充分发挥混凝土抗压强度高及钢材抗拉性能好的优点, 而剪力连接件则是钢-混凝土组合梁能否一起共同协调工作的关键部件。目前钢-混凝土板组合梁中采用的剪力连接件有多种类型, 包括栓钉、槽钢、L形钢、弯筋等。剪力连接件受剪承载能力与连接件尺寸、混凝土强度等级及连接件周围混凝土的受力状态等众多因素有关, 并且连接件周围区域受力复杂, 试验结果离散性较大。国内外已经对剪力连接件进行了大量研究。Viest^[1,2]研究了T形梁中的栓钉性能, 进行了栓钉连接件的静力推出试验, 首次提出了“临界荷载”的概念;Chapman等^[3]研究了受弯组合梁及栓钉性能;Slutter等^[4]对栓钉与槽钢连接件的疲劳性能进行了试验研究;Maleki等^[5,6]对槽钢连接件在纤维混凝土中的承载力进行了试验研究;Shariati等^[7]对C型钢抗剪连接件的承载能力进行了试验研究;国内学者孙国良^[8]、聂建国等^[9,10]也对栓钉、槽钢连接件的组合梁进行了研究, 但这些研究都是基于钢梁顶面与混凝土板底面齐平的普通组合梁, 并没有对钢梁嵌入混凝土板一部分的新型连接情况进行研究分析, 也没有研究钢梁嵌入混凝土板后剪力连接件设置在钢梁顶部侧面的梁受力性能。为此, 笔者通过11个抗剪连接件的推出试验, 深入研究嵌入式抗剪连接件的受力机理。

　　 本文以“惠州华润小径湾花园酒店”为研究背景, 对酒店结构中方钢管梁与钢筋混凝土楼现浇板采用的新型连接方式进行试验研究。该酒店共11层, 主要层高为3.7, 6.3m, 结构总高度为43.6m, 分别在楼层标高43.6, 39.9, 36.2m处设有一个大悬挑, 三个楼层的悬挑部分连接为一个整体, 形成桁架结构, 如图1所示。悬挑部分采用钢-混凝土组合梁, 钢梁截面为□750×570×35×30, 混凝土板厚160mm, 与常规钢-混凝土组合梁不同的是, 该组合梁的钢梁上部在混凝土板中嵌入了一定深度 (80mm, 板厚的一半) , 如图2, 3所示。

　　 该悬挑部分挑出的长度比较大, 已达8m。此外, 每层的悬挑部分还较高, 挑出的三层形成整体后受力复杂, 在抗震设计时, 水平地震作用与竖向地震作用都需要考虑。特别是此次工程所采用的钢-混凝土组合梁不同于常规的组合梁, 采用的连接件及连接方式也与常规组合梁不同。因此对该组合梁的受力性能以及连接件的连接效果进行试验研究十分必要。本文通过试验得出不同的新型连接方式的组合梁的抗剪承载能力、剪切-滑移性能、P-Δ曲线及破坏形式等, 并与常规连接方式的组合梁进行对比分析。

　　 为了研究方钢管梁与钢筋混凝土现浇板嵌入式连接方式与常规连接方式在抗剪性能方面的差异, 参照普通连接方式的推出试验设计方法, 设计了11个试件, 记为试件B1~B11, 本次试验对方钢管梁和钢筋混凝土现浇板之间抗剪切试验的钢筋混凝土现浇板的尺寸做了统一规定:即板长625mm, 板宽600m, 板厚150mm, 板的配筋均采用直径为6mm的双层双向HRB600钢筋, 如图4所示。试件B1 (采用常规栓钉的普通连接对比试件) 方钢管梁的截面为□125×350×14×14, 试件B2~B11的方钢梁截面为□125×500×14×14。试件B2~B11采用在方钢梁上部侧向沿梁长度方向布置剪力连接件。试件B2, B9采用侧向栓钉连接, 栓钉直径19mm, 高100mm;试件B3, B10采用HRB400钢筋连接, 试件B4, B5, B8采用小钢板连接, 试件B6, B7, B11采用大钢板连接。各个试件中的剪力连接件布置如图5所示。

　　 本次试验采用两种加载方式:单调静力加载及低周反复加载, 其中试件B1~B7采用单调静力加载, 试件B8~B11采用低周反复加载。试验加载示意图及加载实景如图6所示。

　　 本次试验的钢筋及连接件力学性能指标如表1所示。

　　 本次试验在重庆大学结构工程实验室完成。主要测量内容有:各级荷载及相对滑移量、剪力连接件应变及裂缝宽度与分布。单调静力加载时每级荷载增量为25kN, 低周反复加载时, 每级荷载增量也为25kN。

　　 在单调加载过程中, 加载前期主要由剪力连接件及自然粘结力共同抵抗钢筋混凝土现浇板与方钢管梁交界面上的纵向剪力, 各试件的试验现象基本类似, 试件基本没有明显变化, 百分表转动量很少, 混凝土表面也无明显裂缝产生。加载后期, 随着试件的开裂, 各个采用侧向栓钉连接件的试件很快达到了荷载峰值点, 同时伴随少量的细小裂缝, 之后荷载开始下降, 相对滑移不断增大, 裂缝不断增多增大, 直至试件严重破坏。在低周反复加载过程中, 前期试验现象与单调静力加载相似, 但在加载后期, 试件破坏比单调静力加载更为明显, 更为突然 (钢筋及大、小钢板连接件试件是突然破坏, 混凝土板破坏严重) 。

　　 试验所得的承载能力如表2所示。

　　 试验试件的竖向荷载-相对滑移曲线如图7所示, 低周反复加载试件的骨架曲线如图8所示。

　　 钢-混凝土组合梁的剪力连接件按变形能力大小分为柔性连接件与刚性连接件两种。栓钉连接件就属于典型的柔性连接件, 大、小钢板连接件则属于刚性连接件。在极限承载能力方面, 试验结果发现, 采用大钢板连接件的试件承载能力最高, 其次是采用小钢板连接件的试件, 均比采用常规栓钉连接件的试件承载能力高, 说明采用刚性连接件可以提高试件的承载能力。在开裂荷载方面, 单调静力加载时, 采用侧向栓钉连接件的试件开裂荷载与极限荷载的比值基本在0.8以上, 即试件开裂后不久就达到极限荷载。在骨架曲线方面, 从图8可以看出, 加载初期4种连接件的骨架曲线基本重合, 但中后期差别逐渐变大。随着不断地循环往复加载, 所有试件都呈现出了一定的刚度退化, 试件B10的刚度退化最为明显, 承载能力也最低, 其次是试件B9, 刚度退化顺序与连接件本身沿受力方向的刚度大小顺序一致。

　　 试验结束后, 常规栓钉连接件一侧被剪坏, 可以明显地看到栓钉下方受压部分的混凝土有局部压碎破坏, 同时栓钉上方与混凝土之间出现了明显的空隙, 如图9所示。

　　 由于方钢管梁嵌入了现浇钢筋混凝土板中间, 钢筋混凝土现浇板中钢筋无法在板底贯通, 因此对混凝土的约束能力减弱。在加载的过程中, 剪力连接件对混凝土有劈裂的作用, 当混凝土开裂以后, 由于缺乏足够的约束, 裂缝会不断地延伸发展, 板顶部没有侧向约束, 会使得钢筋混凝土现浇板与方钢管梁之间的间隙不断增大, 以至于试验结束后方钢管梁与钢筋混凝土现浇板之间会产生较大的间隙。由于栓钉相对较柔, 因此对于侧向栓钉连接件而言, 间隙不是那么明显, 而对于钢板连接件而言, 间隙比较大, 如图10所示。而在钢筋混凝土现浇板底部, 由于钢筋混凝土现浇板底部受到支座的摩擦约束, 因而方钢管梁与钢筋混凝土现浇板之间的间隙不如板顶那么大。因此, 建议加强混凝土板厚方向的约束, 可以参照《钢筋锚固板应用技术规程》 (JGJ 256—2011) ^[11]采取设置锚固板等措施来加强板厚方向的约束。

　　 对比各试件的试验现象发现, 采用常规栓钉连接件的试件裂缝明显要少于采用侧向栓钉连接件的试件, 更是少于采用钢筋、小钢板及大钢板连接件的试件, 尤其是在钢筋混凝土现浇板顶部, 采用常规栓钉连接件的试件在破坏时没有发现可见裂缝, 而采用侧向栓钉连接件的试件则在钢筋混凝土现浇板顶部出现了八字形的斜向裂缝, 采用钢筋连接件、钢板连接件的试件的裂缝则更多、更明显、更加宽大。一方面, 由于采用常规栓钉连接件的试件的钢筋混凝土现浇板是完整板, 板中不存在局部削弱等缺陷, 板底钢筋可以贯通, 因此提高了对板中混凝土的约束作用中, 使得板的裂缝偏少、偏小。而对于其他试件, 由于方钢管梁嵌入了钢筋混凝土现浇板中, 使得板中混凝土有局部削弱, 并且方钢管梁的存在使得板底钢筋不能贯通, 这必将削弱对板中混凝土的约束能力。此外由于剪力连接件布置方向的不同, 侧向布置剪力连接件时, 剪力连接件两侧的混凝土厚度之和才仅为板厚, 远小于采用常规栓钉连接件试件中栓钉两侧混凝土的厚度, 因此, 裂缝更加容易出现, 发展也更容易, 最终裂缝更多、更大, 在方钢管梁与现浇钢筋混凝土板之间产生较大的间隙, 最终板在沿厚度方向有较大的变形。

　　 此外, 试验结果表明侧向栓钉连接件试件的裂缝要明显少于侧向钢筋及钢板连接件试件。柔性连接件刚度小, 变形好, 只要混凝土强度足够, 在剪力连接件下方的混凝土被压碎前剪力连接件已达到屈服, 相对滑移主要来自连接件的变形, 因此混凝土板损伤较小, 裂缝自然不多。刚性连接件刚度很大, 可变形能力差, 相对滑移主要来自混凝土的受压压缩, 剪力连接件刚度大, 无法被剪断, 钢板连接件试件在破坏时候出现明显的竖向劈裂裂缝, 混凝土损伤较大, 试件的裂缝必然较多, 混凝土几乎没延性, 破坏也属于脆性破坏, 如图11所示。

　　 单调加载时试件的变形能力见表3, 其中Δ_cr为开裂荷载时试件的相对滑移量, Δ_u为峰值荷载时试件的相对滑移量, Δ_0.85Pu为荷载下降到峰值荷载的85%时试件的相对滑移量, μ₁为峰值荷载时试件的相对滑移量与常规栓钉连接件试件的相对滑移量的比值, μ₂为荷载下降到峰值荷载的85%时试件的相对滑移量与常规栓钉连接件试件的相对滑移量的比值。从表中的μ₁, μ₂数值可以清楚地看到, 无论是在峰值荷载时, 还是当荷载下降到峰值荷载的85%时, 常规栓钉连接件试件的相对滑移量均是最大的, 而其他侧向连接件试件明显偏小, 尤其是钢筋连接件试件。

　　 图12反映了单调加载时采用侧向栓钉连接件的试件与采用常规栓钉连接件的试件在开裂荷载及峰值荷载时的荷载比及位移比, 可以很清楚地看到采用不同连接方式的试件的承载能力及变形能力的相对大小。图中越靠上越靠右的区域内的点表示该点所代表的试件的承载能力和变形能力更强。从图12中可以看出, 试件B6承载能力最高, 但位移很小;试件B3承载能力及位移均最小。试件B4, B5相对承载力都大于1, 说明承载能力比常规栓钉连接件试件高, 但所有的位移比都小于1, 说明各种侧向连接件试件的相对滑移量不如常规栓钉连接件试件。

　　 (1) 相对于采用常规栓钉连接件的试件, 采用侧向栓钉连接件的试件承载能力约为采用常规栓钉连接件的试件的80%, 并且在荷载过峰值点后就开始一直下降, 板中混凝土缺少足够的侧向约束后, 试件的承载能力及变形性能均有所下降, 但二者的开裂荷载十分接近, P-Δ曲线的前期也基本重合。

　　 (2) 试件的抗剪能力并未与剪力连接件自身的抗剪能力成正比。合理地设置抗剪连接件的尺寸 (控制连接件本身的抗剪能力及变形能力) 才能充分发挥组合梁中混凝土抗压强度好及方钢管梁抗拉强度高的性能。

　　 (3) 相对于静力荷载, 在低周反复荷载作用下, 试件的峰值荷载有所下降, 采用不同连接件的试件峰值荷载下降幅度不等, 其中采用钢筋连接件的试件峰值荷载下降最为明显, 约26%。同时, 在低周反复荷载作用下, 试件的刚度退化更为明显。

　　 (4) 采用抗剪刚度较大的剪力连接件有助于提高试件的抗剪承载能力, 但变形性能有所下降。相对于采用常规栓钉连接件的试件, 尽管大、小钢板连接件采用侧向布置方式, 但其承载能力却高于常规栓钉连接件试件, 并且开裂荷载也较高。但是大、小钢板本身沿受力方向的抗剪刚度较大, 在抗剪连接件被剪断前混凝土已被压碎, 并且混凝土板侧面出现竖向劈裂裂缝, 试件破坏较为严重, 峰值荷载后荷载下降较快, 试件延性不如采用栓钉连接件的试件。

　　 (5) 采用大钢板连接件对于提高试件抗剪承载力效果明显, 采用栓钉连接件的试件延性更好。综合考虑结构的承载力和延性, 建议采用栓钉连接件或者栓钉连接件与大钢板连接件共同使用。