高强度螺栓连接因具有施工简单、耐疲劳、可拆换、能承受动力荷载等优点而成为钢结构的主要连接方式之一^[1]。近年来, 这种钢结构的连接方式逐渐被推广到工程结构加固改造^[2]、组合结构^[3]以及预制装配式混凝土结构^[4,5]中, 用于连接钢构件与混凝土构件。

　　 长期以来, 国内外学者^[6,7]对钢结构中的高强度螺栓连接进行了深入而广泛的研究, 对影响高强度螺栓连接抗剪性能的各参数进行了系统分析。然而, 在文献[4,5]中, 用于连接钢-混凝土组合件的高强度螺栓长度较长, 且用于连接不同材料的高强度螺栓受力机理较为复杂, 普通钢结构中高强度螺栓的设计方法不再适用, 组合件在剪力作用下的破坏模式、承载力等方面的研究尚属空白。

　　 为此, 本文进行了高强度螺栓连接钢-混凝土组合件的抗剪性能试验, 研究其破坏模式以及各项参数 (芯板内混凝土、螺栓直径、螺栓预拉力、混凝土孔径、混凝土强度、混凝土厚度、芯板厚度以及盖板厚度等) 对组合件抗剪性能的影响。

　　 从文献[5]的全装配式混凝土剪力墙水平接缝中提取典型高强度螺栓连接钢-混凝土组合件单元, 如图1所示。

　　 考虑到组合件的对称性, 实际试件取试件原型的一半。为便于加载, 在试件两端设计加载夹头, 即加焊H型钢和夹板, 并且在H型钢两侧焊加劲肋保证试件加载夹头具有足够的刚度。首先设计了基准试件Base, 如图2所示;然后以螺栓直径d、螺栓预拉力P、混凝土孔径、混凝土设计强度f_c、混凝土厚度t、芯板厚度t₁、盖板厚度t₂为参数, 设计了15个试件, 以上试件的参数见表1。

　　 混凝土立方体抗压强度f_cu、棱柱体轴心抗压强度f_c以及弹性模量E_c的实测值见表2。钢板的屈服强度f_y和抗拉强度f_u的实测结果见表3。

　　 采用1 000kN电液伺服万能试验机对试件进行单向拉伸试验, 试验装置如图3所示。试验过程中, 先取10%的预估滑移荷载值进行预加载, 确保试验加载设备及测量仪器正常工作;然后施加单调拉伸荷载, 加载速率控制在1mm/min。试件破坏 (螺栓剪断或者荷载下降至峰值荷载的85%) 时, 停止加载。

　　 在试件的一侧布置位移计, 以监测加载过程中盖板与芯板之间的滑移, 相应的拉伸荷载由万能试验机顶部的荷载传感器测得;在盖板和芯板以及混凝土表面粘贴应变片以监测加载过程中盖板、芯板和混凝土的应变状态, 位移计和应变片布置如图2所示;将螺栓穿入事先标定的钢套筒^[8], 通过拉压平衡关系, 实时检测螺栓预拉力的变化;同时, 试件的另一侧采用三维数字图像相关方法^[9], 监测盖板和芯板的滑移和应变。

　　 对于试件Base, 当位移加载到2.5mm时, 试件发出“咯噔”声, 荷载-位移曲线出现转折点, 表明此时滑移开始发生;加载到6mm时, “咯噔”声减弱, 直至消失;加载到11mm时, 螺栓开始变弯, 荷载增加缓慢;加载到25mm时, 螺栓弯曲明显 (图4 (a) ) , 盖板对称翘曲 (图4 (b) ) , 荷载达到峰值;加载末期, 盖板由于挤压出现鼓包, 孔壁承压破坏 (图5) , 荷载下降至峰值荷载的85%, 试验结束。试件G-N, G1-2, G2-1, G3-1, G3-2, G5-1和G5-2均发生该类型破坏, 现象与此类似。

　　 对于试件G1-1, 当位移加载到1mm时, 试件发出“咯噔”声, 荷载-位移曲线出现转折点, 表明此时滑移开始发生;加载到2.5mm时, “咯噔”声减弱, 直至消失;加载到6mm时, 螺栓开始变弯;加载到13mm时, 螺栓弯曲明显, 后盖板开始翘曲;加载到15mm时, 混凝土右侧中部出现一条纵向裂缝;加载到16.5mm时, 栓杆剪断破坏 (图6) , 试验结束。试件G4-1, G6-1, G6-2, G7-1, G7-2均发生该类型破坏, 现象与此类似。

　　 对于试件G2-2, 位移加载到2mm时, 试件发出“咯噔”声, 表明此时滑移开始发生;加载到7mm时, “咯噔”声减弱, 直至消失;加载到12.5mm时, 螺栓开始弯曲;加载到23mm时, 螺栓弯曲明显, 前盖板出现翘曲, 荷载达到峰值;继续加载, 荷载下降, 而后又出现小幅回升;加载到50mm时, 试件发出“嘀嘀”声, 盖板净截面拉裂破坏 (图7) , 直至荷载下降至峰值荷载85%, 试验结束。试件G4-2也发生该类型破坏, 现象与此类似。

　　 由上可以看出, 不同参数的试件的破坏模式可以归纳为3种, 即孔壁承压破坏 (试件Base, G-N, G1-2, G2-1, G3-1, G3-2, G5-1, G5-2) 、栓杆剪断破坏 (试件G1-1, G4-1, G6-1, G6-2, G7-1, G7-2) 和盖板净截面拉裂破坏 (试件G2-2, G4-2) 。

　　 试件Base和试件G-N均发生盖板孔壁承压破坏, 破坏形态分别如图8 (a) , (b) 所示。试件Base在拉伸过程中, 由于混凝土挤压作用, 导致螺栓弯曲明显, 一侧盖板出现翘曲;而试件G-N芯板内未浇筑混凝土, 螺栓没有出现弯曲, 盖板对称翘曲。

　　 试件Base和试件G-N的荷载-位移曲线对比如图9所示, 荷载指试验机施加的拉力, 位移指盖板和芯板间的相对滑移。从该图可以看出, 试件Base, G-N的峰值荷载分别为411.1, 272.9kN, 试件Base的峰值荷载比试件G-N增加了50.6%, 表明芯板内混凝土提高了组合件的峰值承载力;试件Base, G-N的极限位移分别为32.2, 22.5mm, 试件Base的极限位移比试件G-N增加了43.1%, 表明芯板内混凝土也提高了组合件的变形能力;试件Base和试件G-N的滑移荷载比较接近, 表明混凝土对组合件的滑移荷载影响较小。

　　 螺栓直径改变, 试件破坏形态发生变化, 试件G1-1发生栓杆剪断破坏, 试件G1-2为盖板孔壁承压破坏, 破坏形态分别如图10 (a) , (b) 所示。试件G1-1在拉伸过程中, 螺栓弯曲明显, 盖板没有出现翘曲;试件G1-2由于螺栓直径较大, 栓杆弯曲不明显, 盖板对称翘曲。

　　 试件G1-1, G1-2和试件Base的荷载-位移曲线对比如图11所示。从该图可以看出, 试件G1-1, Base, G1-2的峰值荷载分别为305.5, 411.1, 463.6kN, 试件Base和试件G1-2的峰值荷载比试件G1-1分别增加了34.6%和51.8%, 表明螺栓直径增加, 组合件峰值承载力显著提高;试件G1-1, G1-2和试件Base的滑移荷载比较接近, 表明螺栓直径对组合件的滑移荷载影响较小。

　　 螺栓预拉力改变, 试件破坏形态发生变化, 试件G2-1发生孔壁承压破坏, 试件G2-2为盖板净截面拉裂破坏, 破坏形态分别如图12 (a) , (b) 所示。试件G2-1, G2-2在拉伸过程中, 螺栓均弯曲明显, 盖板出现对称翘曲。

　　 试件G2-1, G2-2和试件Base的荷载-位移曲线对比如图13所示。从该图可以看出, 试件G2-1, Base, G2-2的峰值荷载比较接近, 表明螺栓预拉力对组合件的峰值承载力影响较小;试件G2-1, Base, G2-2的滑移荷载分别为57.6, 69.8, 97.4kN, 表明螺栓预拉力对组合件的滑移荷载影响较为显著, 总体而言, 滑移荷载随螺栓预拉力的增加而增加。

　　 混凝土孔径改变, 试件G3-1, G3-2均发生盖板孔壁承压破坏, 破坏形态分别如图14 (a) , (b) 所示。试件G3-1在拉伸过程中, 螺栓弯曲明显, 盖板翘曲不明显;而试件G3-2混凝土孔径增加到30mm, 拉伸过程中螺栓与混凝土未发生接触, 导致螺栓没有出现弯曲, 盖板对称翘曲。

　　 试件G3-1, G3-2和试件Base的荷载-位移曲线对比如图15所示。从该图可以看出, 试件G3-1, Base, G3-2的峰值荷载分别为449.9, 411.1, 333.2kN, 表明混凝土孔径适当增加, 对组合件峰值承载力有利;混凝土孔径增加至不能与栓杆接触时, 对峰值承载力不利;试件G3-1, G3-2和试件Base的滑移荷载差别不大, 表明混凝土孔径对滑移荷载影响不大。

　　 混凝土强度改变, 试件破坏形态发生变化, 试件G4-1发生栓杆剪断破坏, 试件G4-2为盖板净截面拉裂破坏, 破坏形态分别如图16 (a) , (b) 所示。试件G4-1与试件G4-2加载方向相反, 试件G4-1是固定住盖板夹头, 拉伸芯板夹头, 而试件G4-2则相反, 从而导致螺栓和钢板的接触顺序发生变化。试件G4-1, G4-2在拉伸过程中, 螺栓均弯曲明显, 盖板一侧翘曲。

　　 试件G4-1, G4-2和试件Base的荷载-位移曲线对比如图17所示。从该图可以看出, 试件G4-1, G4-2, Base的峰值荷载分别为478.5, 480.1, 411.1kN, 试件G4-1, G4-2与试件Base相比, 峰值荷载分别增加了16.4%和16.8%, 滑移荷载变化不大, 表明混凝土强度提高, 组合件峰值承载力提高, 但对滑移荷载没有影响, 且加载方向对峰值承载力没有影响。

　　 混凝土厚度改变, 即螺栓长度发生变化, 试件G5-1, G5-2破坏形态均为盖板孔壁承压破坏, 破坏形态分别如图18 (a) , (b) 所示。试件G5-1在拉伸过程中, 螺栓发生明显弯曲, 盖板发生一侧翘曲, 而试件G5-2盖板没发生翘曲。

　　 试件G5-1, G5-2和试件Base的荷载-位移曲线对比如图19所示。从该图可以看出, 试件G5-1, G5-2, Base的峰值承载力分别为405.6, 460.6, 411.1kN, 表明在一定范围内混凝土厚度增加, 组合件峰值承载力提高, 但混凝土厚度过大时, 承压承载降低;试件G5-1, G5-2和试件Base的滑移荷载差别不大, 表明混凝土厚度对滑移荷载没有影响。

　　 芯板厚度改变, 试件G6-1, G6-2均发生螺杆剪断破坏, 破坏形态分别如图20 (a) , (b) 所示。试件G6-1, G6-2在拉伸过程中, 由于芯板厚度相对试件Base增加, 混凝土的损伤减弱, 螺栓弯曲不明显, 盖板一侧翘曲。

　　 试件G6-1, G6-2和试件Base的荷载-位移曲线对比如图21所示。从该图可以看出, 试件G6-1, G6-2, Base的峰值荷载分别为459.3, 448.4, 411.1kN, 表明芯板厚度适当增加, 组合件峰值承载力提高;试件G6-1, G6-2和试件Base的滑移荷载差别不大, 表明芯板厚度对滑移荷载影响不大。

　　 盖板厚度改变, 试件G7-1, G7-2均发生螺杆剪断破坏, 破坏形态分别如图22 (a) , (b) 所示。试件G7-1, G7-2在拉伸过程中, 由于盖板厚度相对试件Base增加, 螺栓弯曲不明显, 盖板没有出现翘曲。

　　 试件G7-1, G7-2和试件Base的荷载-位移曲线对比如图23所示。从该图可以看出, 试件G7-1, G7-2, Base的峰值荷载分别为490.1, 451.4, 411.1kN, 表明盖板厚度适当增加, 组合件峰值承载力提高;试件G7-1, G7-2和试件Base的滑移荷载差别不大, 表明盖板厚度对滑移荷载影响不大。

　　 (1) 高强度螺栓连接钢-混凝土组合件主要发生了3种类型破坏:孔壁承压破坏、栓杆剪断破坏和盖板净截面拉裂破坏。

　　 (2) 芯板内填充混凝土可以提高组合件的峰值承载力, 对滑移荷载影响不大;填充的混凝土在加载中使螺栓发生弯曲, 有助于提高组合件的变形能力。

　　 (3) 螺栓直径、混凝土强度、芯板内混凝土厚度、芯板厚度和盖板厚度的增加可以提高组合件的峰值承载力;螺栓预拉力的增加可以提高滑移荷载。