栓钉抗剪连接件属于柔性连接件，常用于钢-混凝土组合梁中。栓钉施工技术成熟简便，可以直接在现场加工，可靠度高，所以在组合结构快速发展的背景下，栓钉成为有效的连接形式之一，且被大家熟知并加以应用^[1]。栓钉抗剪连接件在混凝土中受力性能复杂，不仅受到横向剪切应力，在受到弯矩作用时，还有掀起的拉应力。国外从20世纪70年代就已经对栓钉展开不同荷载下的性能研究，针对栓钉抗剪连接件进行了低周疲劳试验，分析栓钉疲劳性能的影响因素，提出了栓钉疲劳寿命的预测公式^[2,3,4]。相对来说，国内的研究起步较晚，1997年，聂建国等^[5]进行了钢-混凝土组合梁纵向抗剪的试验研究，分析了组合梁纵向开裂的原因及主要影响因素，建立了组合梁纵向抗剪计算模型和计算公式。2014，陈雷雷等^[6]通过对国内外已有的研究，总结并介绍了栓钉抗剪连接件在钢-混凝土组合结构中的疲劳问题，包括疲劳破坏模式、疲劳寿命预测、疲劳损伤理论等。

　　 目前关于重复荷载作用下不同栓钉直径、不同强度等级混凝土的对比试验比较零散，没有可对比性，无法从根本上系统地解决抗剪连接件的不同变量对结构的影响，另外对组合结构中抗剪连接区域的疲劳劣化问题认识还不清楚。基于此，本文主要研究栓钉抗剪连接件在重复荷载作用下栓钉及混凝土的破坏机理和承载能力，同时与单调荷载作用下栓钉的抗剪性能进行对比，为课题后续研究提供试验基础和数据。

　　 试件以栓钉直径13,16,19mm和混凝土强度等级C30,C50为主要参数，共12个。其中编号尾数为1的6个试件做单调加载试验，另外6个做重复加载试验。在栓钉处的横向钢筋上粘贴应变片，间接测量混凝土的开裂应变。详细参数及试件尺寸见表1和图1。

　　 根据试验目的，采用单调加载和重复加载两种模式。单调加载以每级10kN进行加载，屈服后再采用每级2kN缓慢加载，直至试件破坏。重复加载为屈服前以每级10kN进行加载，屈服后采用位移控制，以屈服位移的0.25Δ_y增长，每级加载3次，加载方案见图2。

　　 材性试验主要测定钢材的弹性模量E、屈服强度f_y、抗拉强度f_u、屈服应变ε_y、泊松比υ以及伸长率。钢材材性试验结果见表2。栓钉的材性参考出厂材性检验合格报告，屈服强度为243MPa，抗拉强度为365MPa。混凝土的材性试验为与试件在相同条件下养护28d的100mm×100mm×100mm的混凝土试块，测得材性数据见表3。

　　 单调加载6个试件的试验现象基本相似，混凝土板与工字形钢的位移随着荷载的增加呈线性增长，最终出现栓钉剪断破坏或者连接焊缝破坏。以试件ZS2-1说明如下:加载前期，试件未出现任何现象，当试件加载至80kN时，工字形钢与混凝土板之间产生微小的相对滑移。继续加载至287.79kN，试件开始屈服，屈服位移为0.96mm。当试件加载至290kN时栓钉出现轻微的“吱吱”响声，表明此时栓钉根部焊缝开始出现裂缝。继续加载，混凝土受压区底部压溃，见图3(a)。此时工字形钢和混凝土板之间的缝隙扩展至0.5mm左右。继续缓慢加载，试件突然发生破坏，破坏状态为栓钉剪断，破坏截面见图3(b)，此时荷载为316.15kN，试验结束。

　　 以试件ZS2-2为例说明如下:试件加载前期没有产生明显现象，处于弹性工作阶段。加载至249.45kN时试件开始屈服，屈服位移为0.92mm。此时混凝土板上出现微小裂纹，混凝土板与工字形钢接触面产生裂缝。加载至1.5Δ_y时试件有明显的滑移，在2.25Δ_y第三次循环时，试件的混凝土出现脱落，栓钉根部有混凝土压溃现象。当加载至3.25Δ_y时混凝土与工字形钢之间的缝隙加宽，这是因为栓钉受剪弯曲导致混凝土有一定的侧向滑移。在4.5Δ_y第三次循环时，栓钉断裂。从试验结果可以看出，裂缝横向贯通混凝土，栓钉下方混凝土压溃，栓钉尾部裸出，断面呈波折形，产生明显的疲劳破坏，如图4所示。各试件具体破坏形态见表4。

　　 栓钉抗剪连接件的受力机理与其包裹在周围的混凝土有着密切联系。栓钉主要承受来源于栓钉根部焊缝传递的剪力和约束弯矩以及包裹的混凝土产生的反作用力，这几种力的复杂作用，使栓钉处于受拉、受剪、受弯的复杂应力状态。从表5可以看到，在单调荷载作用下，6个试件中有4个试件的混凝土均未开裂，其余2个试件有开裂现象，但栓钉位置混凝土应变不大。对比重复荷载下的试件，栓钉处均出现了较大应变，表明混凝土已开裂，且开裂现象明显。这是因为试件受到重复荷载作用，混凝土持续受到重复的挤压应力，导致混凝土内部骨料之间出现应力集中，迫使混凝土开裂。在重复荷载的循环作用下，混凝土的裂缝一张一合，最终导致裂缝扩展贯通，这是混凝土的疲劳损伤积累现象。

　　 从图5中可明显看出，试件总共经历了3个阶段，包括加载前期的弹性阶段、加载中期的弹塑性阶段以及后期的破坏阶段。加载前期，荷载由工字形钢和混凝土板之间的粘结力和摩擦力抵抗，荷载-滑移关系呈线性。随着荷载的继续增加，工字形钢与混凝土板之间出现了微小分离，开始产生相对滑移，随着滑移量不断增加，荷载-滑移关系呈现非线性。根据试验中测得的数据，主要从以下3个方面分析:

　　 (1)栓钉直径和混凝土强度对试件初始滑移量和初始刚度的影响。

　　 取试件极限承载力1/3对应的割线刚度为试件的初始刚度。从表6中可以看到，栓钉直径越大，初始刚度越大。对比试件S1-1,ZS1-1,CS1-1可以发现，栓钉直径增加产生初始滑移时对应的荷载增大，相同荷载时对应的滑移量减小。混凝土强度的提高对试件初始刚度的影响不明显，这是因为试件在产生滑移后工字形钢与混凝土粘结面退出工作，栓钉承担了全部剪力。

　　 (2)栓钉直径和混凝土强度对屈服荷载时滑移量的影响。

　　 对比试件S1-1,S2-1，当栓钉直径较小时，混凝土强度的提升对试件屈服荷载和位移影响不大。对比试件CS1-1,CS2-1，当栓钉直径较大时，混凝土强度的提高对试件屈服荷载也有一定的提升。这是因为强度较高的混凝土包裹栓钉抗剪连接件，能够更好地保护栓钉不被剪坏。

　　 (3)栓钉直径和混凝土强度对极限荷载和极限荷载下滑移量的影响。

　　 对比试件S1-1,S2-1，在栓钉直径较小的情况下，增加混凝土强度对试件承载力影响不大。对比试件S2-1,ZS2-1,CS2-1，在混凝土强度相同时，增加栓钉直径可以明显提高试件的极限承载力，如当栓钉直径从13mm增加到19mm时，极限承载力增加11.7%～20.55%，但对极限承载力对应的位移影响不大。对于直径相同的栓钉，混凝土强度的增强对极限承载力及所对应的位移影响较小，如混凝土强度从C30提高到C50，极限承载力增加3%～10%。

　　 从图6可以看出，试件在加载初期，从加载至卸载所形成的滞回环比较狭长，其包围的面积也较小，荷载和位移基本上成线性关系，试件处于弹性工作阶段。随着荷载的继续增加，滞回曲线越来越饱满，滑移量也快速增加，滞回环所包围的面积不断增大，说明试件具有良好的耗能能力。此时试件卸载后，形成的残余变形较为明显，表明试件进入了弹塑性阶段。随着塑性变形的不断累积，试件的刚度开始下降，并且随着加载卸载的循环次数不断增加，试件的刚度出现了明显的退化现象。从承载力下降的斜率来看，刚度下降平稳。从图6还可以看出，试件S1-2,ZS1-2，栓钉直径由13mm增加为16mm时，极限承载力提高35%，且初始刚度提升明显。

　　 骨架曲线是荷载-滑移曲线的峰值点所连成的外包络曲线，两种加载模式的骨架曲线如图7所示，从图中可以看出:1)在试件加载初期，两条荷载-滑移曲线基本都呈线性关系，滑移比较小。在小于50%的极限荷载下，重复荷载对栓钉的作用影响较小;2)从极限变形性能比较，单调加载的变形性能要好于重复加载;3)从极限承载力比较，单调加载的极限承载力要比重复加载的极限承载力大7%～17%，这是因为栓钉受到重复荷载作用，产生了严重的疲劳损伤，且逐步积累;4)从滑移量比较，相同荷载下的滑移量重复加载要比单调加载多出60%以上，这是因为重复荷载循环作用让栓钉的抗剪承载力逐渐降低，自身的残余变形不断累积，混凝土的损伤也不断积累，使得栓钉在达到对应荷载时的滑移远大于单调荷载的滑移。

　　 重复荷载下的刚度退化是指，当保持相同的峰值荷载时，峰值点所对应的位移随循环次数的增加而增大的现象。刚度退化是试件出现裂缝以及材料进入塑性的体现。在外表面裂缝出现之前，内部混凝土已经出现裂缝，使得构件的刚度开始退化。首先利用等效刚度法^[7]对试件进行分析，计算公式如式(1):

　　 式中:K为刚度;P为产生相对滑移所对应的荷载;S为产生的相对滑移。

　　 在试件未屈服前，滞回曲线接近直线，在弹性阶段内，可近似地认为刚度未退化，刚度退化曲线对比如图8所示。

　　 在早期加载阶段，混凝土强度相同时，试件的初始刚度随着栓钉直径的增加而显著增加。对比试件S1-2与试件S2-2，试件S1-2的刚度退化的斜率要大于试件S2-2的斜率，这是因为高强度混凝土可以有效保护栓钉根部，减小栓钉的受剪变形。在加载后期，试件刚度退化趋于平稳，这是因为抗剪连接件通过塑性变形消耗了较多的能量。对比试件ZS1-2与试件ZS2-2，试件ZS2-2在加载第一级时发生了较大的刚度退化。随后的加载中刚度退化趋于平稳且斜率小于试件ZS1-2。对比试件CS1-2与试件CS2-2，试件CS1-2最终破坏为焊缝断裂，没有产生很大的滑移。试件CS2-2在加载前期，刚度退化较迅速，加载后期，刚度退化趋于稳定。对比3种栓钉直径试件的刚度退化曲线，直径越大的栓钉初始刚度越大，但直径较小的栓钉比直径较大的栓钉刚度退化缓慢。混凝土强度对试件刚度没有明显影响。

　　 根据《建筑抗震试验规程》(JGJ/T 101—2015)^[7]，重复荷载作用下能量耗散系数E的计算公式如式(2)，计算简图见图9，计算结果见表7。

　　 从表7中数据可以看到，能量耗散系数E的取值为0.74～1.42。相同混凝土强度下，增加栓钉直径可以有效地提高耗能能力。对比试件S1-2和试件ZS1-2，试件ZS1-2的耗能系数增幅为47.3%，对比试件S2-2和试件CS2-2，试件CS2-2的增幅为30.3%。试件CS1-2中的耗能系数相比试件S1-2与试件ZS1-2没有很明显的提升，是因为试件CS1-2在后期加载中焊缝断裂导致能量耗散系数下降。相同的栓钉直径下提高混凝土的强度可以明显地提高能量耗散系数。对比试件S1-2和试件S2-2，试件S2-2的能量耗散系数增幅为47.3%，对比ZS1-2和试件ZS2-2，试件ZS2-2的能量耗散系数增幅为27.5%。这是因为混凝土本身具有一定的耗能能力，混凝土在重复受压过程中，高强混凝土的裂缝扩展速度小于较低强度混凝土，在重复荷载循环的后期，C50混凝土的耗能要大于C30混凝土的耗能。

　　 通过12个试件在单调荷载和重复荷载作用下的试验与分析，可以得出以下结论:

　　 (1)栓钉抗剪连接件在单调荷载和重复荷载作用下的破坏模式为:栓钉直径为13mm的抗剪连接件为栓钉剪坏，栓钉直径为16mm的试件为混凝土被压碎和栓钉剪坏共同发生，栓钉直径为19mm的试件为焊缝断裂，伴随混凝土被压碎。

　　 (2)栓钉抗剪连接件的破坏顺序为:1)工字形钢出现滑移，粘结面失效;2)工字形钢和混凝土之间出现纵向缝隙;3)混凝土板开裂，栓钉进入弹塑性阶段;4)栓钉剪断或混凝土压碎。

　　 (3)单调荷载下，栓钉直径的增加对承载力提高较为明显，当栓钉直径从13mm增加到19mm时，承载力增加11.7%～20.55%。混凝土强度从C30提高到C50，极限承载力增加3%～10%，影响不明显。

　　 (4)重复荷载下栓钉直径由13mm增加为16mm时，极限承载力提高35%，初始刚度提高极为明显。混凝土强度增加，承载力和初始刚度提高不明显，但刚度退化稳定。耗能性能提高27.5%～47.3%。

　　 (5)对比单调荷载和重复荷载作用，在重复荷载下试件的疲劳现象比较明显，表现为:1)混凝土开裂;2)试件承载力下降;3)相同荷载下重复荷载的滑移量大于单调荷载的滑移量。