钢-混凝土组合梁具有整体性好、自重轻、刚度高、施工便利等优点,从而在建筑结构和桥梁工程得到广泛应用。栓钉作为混凝土板和钢梁的剪力连接件,起到传递纵向剪力、防止分离的关键作用。国内外学者对栓钉连接件的受力性能进行了广泛的研究 ^[1,2,3,4],对常温下栓钉连接件的研究已较为成熟。然而在高原高寒地区,冬季天气寒冷,低温使得混凝土和钢材的材料性质发生变化,易使其发生开裂、脆断等破坏,特别是在霜冻和寒潮等极端气候现象下,钢-混组合结构的温度效应明显,栓钉受温度次生应力的影响,可能处于拉-剪-弯等多种作用的复合受力状态,受力机理复杂。因此,摸清栓钉连接件在低温环境下的力学性能,对钢-混凝土组合梁在高寒地区的桥梁应用具有十分重要的意义。

　　 在寒冷地区,低温使得混凝土和钢材的力学性能发生变化,从而导致钢-混组合结构的正常使用受到影响,但目前对低温下钢-混组合结构的研究较少。Karl等 ^[5]进行了直径13mm和19mm的栓钉在-20℃和20℃的承载力对比试验,给出了在低温下直径13mm栓钉的承载力降低而直径19mm栓钉的承载力上升的结论。侯文崎等 ^[6]进行了低温下钢-混组合结构的疲劳试验和极限承载力试验,结果表明栓钉在低温条件下承载力提高。Yan等 ^[7]采用有限元分析方法对低温下栓钉连接件的承载力进行模拟,给出低温下栓钉抗剪承载力的建议公式。谢剑等 ^[8]通过推出试验和有限元模拟,对栓钉连接件在-80～20℃的受剪性能进行了研究。

　　 为进一步研究低温对栓钉连接件的力学性能的影响,本文通过对15个栓钉连接件的在低温下的推出试验,分析低温对栓钉连接件的破坏形式、抗剪承载力、峰值位移及抗剪刚度的影响,为严寒地区组合结构的设计提供参考。

　　 试验制作了3组共15个栓钉连接件,分别考虑直径16,19,22mm的栓钉在20,-20,-40℃的3个不同温度下的抗剪承载力,试件主要参数及分组见表1。试件尺寸参考欧洲规范 ^[9]的标准推出试验,并根据低温试验箱的尺寸做了适当的调整,尺寸如图1所示。每个试件的工字形钢梁两侧各焊接2枚栓钉,栓钉长均为100mm,间距100mm。混凝土内设置纵筋和箍筋,材质为直径6mm的HRB335钢筋,混凝土保护层厚度为15mm。

　　 在浇筑试件时同时制作150×150×150混凝土试块,并与试件共同养护,测得28d混凝土立方体抗压强度为51.6MPa,弹性模量为35.2×10⁴MPa。栓钉为ML15圆柱头焊钉,屈服强度354MPa,极限强度437MPa,伸长率28%。

　　 试件降温过程在精宏GDH-2010A低温试验机内进行,如图2(a)所示,其控温范围-40～100℃,温度波动±0.5℃。试件达到预定温度后,将其从低温试验机中取出,为了减少在推出试验过程中试件与外界的热量交换,利用40mm厚EPE珍珠棉板材制作试件的保温箱,可以有效保持试件温度,如图2(b)所示。整个推出试验过程中,试件温度变化不超过2℃。

　　 推出试验在西北农林科技大学桥梁工程实验室进行,试验的主要测量内容为试件承受的竖向荷载以及工字钢梁与混凝土的相对滑移量。试验开始前将试件放置在加载平台并与加载端头严格对中,以确保加载的过程中不产生偏心力。在钢梁上方放置钢垫块,保证在加载过程中钢梁受到均匀的分布荷载。加载装置如图3所示。正式加载前,首先对试件进行预加载,以5kN/s的荷载增量速度加载至100kN后卸载回零,重复2次,以检查仪器运行是否正常,同时根据位移计的读值变化来调整试件的平衡和对中情况,确定仪器正常后,进行正式加载。正式加载采用位移加载,速率1mm/min。

　　 在加载初期,常温试件与低温试件均没有明显变化。随着加载的增大,低温试件的混凝土出现明显的开裂,伴有“吱吱”的破裂声,并出现薄块状剥落,温度越低,剥落程度也越严重;常温试件的混凝土只出现轻微裂缝,总体保持完好。当荷载接近峰值荷载时,低温试件内部突然发出巨大的“砰”声响,试件一侧的栓钉断裂,整个钢梁向一侧发生倾斜,试件失去承载能力;常温试件并未听到栓钉断裂的声音,混凝土产生局部裂缝,底部混凝土压碎,碎屑掉落。

　　 试件的破坏形态有混凝土开裂、栓钉剪断和栓钉焊缝破坏三种模式,具体各试件见表2。常温下的试件破坏形式均为混凝土开裂,但整体保持较为完整,裂缝较细微,没有块状脱落。发生栓钉剪断的试件混凝土也并非完好无损,而是产生了较为严重的开裂和脱落现象。

　　 图4为常温试件与低温试件混凝土破坏形态的对比。从图4中可以看出,低温试件的混凝土破坏更加严重。随着温度的降低,与顶面相邻的侧面一般由细微开裂过渡到块状脱落,上下端面和边角损坏也逐渐严重,且破坏面骨料劈裂现象明显增多。混凝土的裂缝位置主要为试件正反面栓钉高度处的45°斜裂缝(图5(a),(b))以及顶面的横向裂缝(图5(c)),且底部混凝土出现压碎的现象。

　　 常温试件D16T1,D19T1,D22T1的栓钉均未发生断裂,栓钉根部发生明显的剪切变形,说明栓钉在常温下延性较好,如图6(a)所示。部分低温试件的发生栓钉剪断,根部剪切变形明显,断口面大部分光滑,仅一小部分粗糙,说明栓钉属于纯剪破坏,如图6(b)所示。产生这种现象是由于混凝土内存在大量孔隙中水,在温度降低后结冰,使混凝土有效受压面积增大,混凝土相对强度高于栓钉,使得试件由混凝土破坏转变为栓钉剪断破坏。试件D22T3-A,D22T3-B属于焊缝断裂,栓钉焊缝保持完整,栓钉钉身变形微小,见图6(c)。

　　 试件的荷载-位移曲线见图7。由图可以看出,各试件的荷载-位移曲线总体趋势相似。在加载初期,荷载与滑移量成线性关系,这一阶段栓钉刚度大,荷载增长快而滑移量小。当荷载约为极限荷载的50%～70%时,栓钉发生屈服,荷载-滑移曲线出现明显的拐点,进入塑性上升阶段。在此阶段栓钉的刚度大幅下降,滑移量增长较快而荷载增加较少。当试件达到最大承载力后承载力下降,滑移量快速增加,试件失去承载能力。

　　 试件D22T3-A,D22T3-B的荷载-位移曲线在塑性上升期出现了“断崖式”下滑,这表明试件焊缝强度低于直径22mm栓钉强度,栓钉还未达到其极限承载力,而焊缝已经断裂。这种 “断崖式”破坏相比于其他有平缓下滑段的试件,极限位移更小,破坏时无明显预兆,因此更加危险。对于低温下栓钉连接件的制作应使用专业高压熔焊技术,并提高焊缝等级,以保证栓钉正常承载力。

　　 各试件栓钉的极限抗剪承载力如表3所示,表中R为低温下栓钉抗剪承载力与常温下栓钉抗剪承载力的比值(相同铨钉直径试件)。由表3可见,降低温度可以提高试件的抗剪承载能力,而且温度越低,栓钉的抗剪承载力越高。

　　 栓钉抗剪承载力随温度的变化关系如图8(a)所示。对于直径16mm的栓钉,当温度在-20℃和-40℃时,栓钉的抗剪承载力相较于常温下试件分别提高12%和26%;对于直径19mm的栓钉,当温度由20℃降至-20,-40℃时,栓钉的单个栓钉的抗剪承载力分别提高15%和30%;对于直径22mm的栓钉,当温度由20℃降至-20,-40℃时,栓钉的抗剪承载力变化规律与直径为16mm的栓钉连接件一致,但考虑到D22T3的两个试件为焊缝破坏,因此,正常情况下-40℃时栓钉的抗剪承载力应提高更多。总体而言,不同直径的栓钉抗剪承载力随温度变化的规律基本一致,-20℃下抗剪承载力平均提高13%,-40℃下抗剪承载力平均提高27%,呈线性增长。

　　 图8(b)给出了不同直径栓钉抗剪承载力的对比。由图可以看出,在相同温度下,栓钉的抗剪承载力随直径增加而提高。直径19mm栓钉的抗剪承载力比直径16mm栓钉的抗剪承载力平均提高18%,直径22mm栓钉的抗剪承载力比直径16mm栓钉的抗剪承载力平均提高43%。这表明低温不会改变直径所带来的承载力变化。

　　 峰值位移为试件的荷载-位移曲线中荷载达到峰值时所对应的位移值,峰值位移越大,表明栓钉连接件具有越好的延性。栓钉连接件的峰值位移随温度的变化趋势如图9所示。由图9可见,直径16mm栓钉在低温下时的峰值位移与常温相比变化不大,但直径19mm和22mm栓钉的峰值位移在-40℃时有明显减小。

　　 低温会使钢材产生冷脆现象,钢材性能将受到影响,主要表现是韧性降低、材料变脆 ^[10]。从试验结果来看,这种现象在钢-混组合结构中也非常明显,在低温的影响下,栓钉的塑性下降,峰值位移减小,栓钉更加容易剪断。

　　 栓钉抗剪刚度反映了弹性阶段钢-混组合结构界面抵抗滑移能力对组合结构的传力分配和变形有重要影响。对于抗剪刚度的计算,有多种方法。

　　 欧洲规范 ^[9]建议栓钉的抗剪刚度取0.7倍极限承载力与其对应滑移值的比值,且极限承载力值再乘以0.9 的安全系数,即:

　　 $k=0.7{\rm P}{}_{\text{u}}/S(1)$

　　 日本规范 ^[11]则以栓钉荷载-滑移曲线上极限抗剪承载力1/3处的割线斜率作为抗剪刚度,即:

　　 $k=\frac{1}{3}{\rm P}{}_{\text{u}}/S{}_{1/3{\rm P}{}_{\text{u}}}(2)$

　　 蔺钊飞等 ^[12]提出了0.2mm割线刚度法,取荷载-位移曲线对应位移量为0.2mm 处的割线模量作为焊钉连接件抗剪刚度,即:

　　 $k={\rm P}{}_{0.2\text{m}\text{m}}/0.2(3)$

　　 Chang-su Shim ^[13] 通过大量的栓钉推出试验数据的统计回归,提出了栓钉抗剪刚度的近似计算公式,该公式计入了栓钉直径和混凝土抗压强度的影响,普通混凝土时a取0. 1。

　　 $k={\rm P}{}_{\text{u}}/[d(a-0.0017f{}_{\text{c}})](4)$

　　 图10给出了栓钉抗剪刚度随温度变化趋势。从图10中可以看出,日本规范法与0.2mm割线刚度法计算结果较为接近,相比于其他两种计算方法而言,所计算值偏大。近似计算公式法的计算值偏保守,且从常温到低温过程中相差不大,这是因为在直径相同的情况下,抗剪刚度取决于极限承载力P_u和混凝土强度f_c,与荷载-位移曲线的割线模量无关,因此不适用于低温下栓钉的抗剪刚度计算。

　　 4种方法计算值居中的是欧洲规范抗剪刚度计算法,且各组试件抗剪刚度值的离散性也较小,计算结果较稳定,0.7 倍的极限承载力荷载点对应的位移量虽超过了弹性的临界点,但超出范围较小,可适用于低温下栓钉的抗剪刚度计算。

　　 不论何种计算方法,栓钉的抗剪刚度均随温度降低而提高,这是因为温度降到零度以下后,存在于混凝土内的大量的较小孔隙中水随温度降低逐渐结冰,使混凝土有效受压面积增大 ^[14],混凝土对栓钉的约束作用提高,因此栓钉的抗剪刚度提高。以欧洲规范的计算方法为例,直径16mm栓钉的抗剪刚度在-20℃和-40℃时比常温下时分别提高33.5%,54.8%,直径19mm栓钉的抗剪刚度在-20℃和-40℃时比常温下时分别提高26.2%,52.9%,直径22mm栓钉的抗剪刚度在-20℃和-40℃时比常温下时分别提高17.8%,43.0%,这表明栓钉直径越大,在低温下抗剪刚度的提升幅度越小。

　　 我国《钢结构设计标准》(GB 50017—2017) ^[15]中规定,栓钉的抗剪承载力设计值按下式计算:

　　 ${\rm P}{}_{\text{u}}=0.43A{}_{\text{s}}\sqrt{E{}_{\text{c}}f{}_{\text{c}}}\le 0.7A{}_{\text{s}}f{}_{\text{u}}(5)$

　　 式中:E_c为混凝土弹性模量;A_s为栓钉钉杆截面面积;f_c为混凝土抗压强度设计值;f_u为栓钉极限抗拉强度设计值。

　　 对于低温环境下的栓钉的抗剪承载力设计值,建议考虑低温影响系数k_T,即:

　　 ${\rm P}{}_{\text{u},\text{Τ}}=k{}_{\text{Τ}}{\rm P}{}_{\text{u}}(6)$

　　 式中:k_T为低温影响系数;P_u常温下栓钉抗剪承载力计算值,可按式(5)计算。

　　 对于k_T的取值,由图8(a)的规律可知,当温度T=0℃时,k_T=1.0;当温度T=-20℃时,k_T=1.13;当温度T=-40℃时,k_T=1.27;其他温度时可按线性插值处理。

　　 本文通过15个栓钉连接件在不同温度的推出试验,得到了栓钉的破坏形态、荷载-位移曲线、抗剪承载力和抗剪刚度随温度的变化规律,得到主要结论如下:

　　 (1)低温可以改变栓钉的破坏形式,常温下发生混凝土破坏的试件在低温会发生栓钉剪断破坏,即由延性破坏转变为脆性破坏。对于低温下栓钉的设计,应采取提高焊缝等级、提高配箍率、提高箍筋强度等措施保证构件的延性。

　　 (2)栓钉的抗剪承载力随温度降低而近似呈线性提高,但峰值荷载所对应的位移减小,说明栓钉在低温下强度提高,塑性及延性变差。

　　 (3)栓钉的抗剪刚度随温度降低而提高,栓钉直径越大,在低温下抗剪刚度的提升幅度越小。

　　 (4)引入低温影响系数,提出了低温下栓钉承载力计算式,为严寒地区钢-混组合结构的设计提供参考。