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工程结构
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预制聚合物混凝土板与可拆卸螺栓连接件组合梁试验研究
Abdolreza Ataei，Mark A. BradforduArr;，刘新培
澳大利亚新南威尔士大学土木与环境工程学院基础设施工程与安全中心，澳大利亚新南威尔士州悉尼2052
a r t i c l e i n f o
文章历史：
2015年8月23日收到
2015年10月26日修订
2015年10月27日接受
2016年2月15日在线提供
关键词：
螺栓连接剪切连接件地质聚合物混凝土板可解构性复合梁可持续性
摘 要
已知传统钢 - 混凝土组合梁在其刚度和强度方面与裸钢或钢筋混凝土梁相比表现出优异的结构特性。 然而，在目前的降低碳排放和提高材料回收可能性的范例中，这种传统的组合梁不容易解构，而且它们的元件不可回收，因为它们依靠装在铸造现场混凝土中的焊接头螺栓连接件来实现必要的剪切连接。本文介绍了在全尺寸组合梁上进行的准静态测试的详细结果，作为一种新型可解构可持续结构系统的一部分。对于该系统，预制混凝土板通过间隙孔中的张紧高强度摩擦夹紧螺栓连接到钢梁上，作为提供剪力连接的元件。预制板采用地聚合物混凝土代替普通波特兰水泥制成的混凝土，其制造是全球人为CO2排放的主要贡献因素，从而提高了结构系统的低碳属性。 测试结果表明梁的非常显着的延展性，大量界面滑移正在发展并且在接近极限强度极限状态的载荷下持续。 在螺栓中引起的张力在预制板和钢梁之间提供了足够的摩擦阻力，以确保复合系统在整个服务负荷范围内具有全部剪切相互作用。 同样证实，带有螺栓连接的剪力连接件的组合梁在其使用寿命结束时可以很容易地拆卸下来，而板，钢梁和螺栓可以在其他结构应用中重复使用。
copy;2015 Elsevier Ltd.保留所有权利。
- 介绍
由于钢筋混凝土梁和板在结构刚度和强度方面具有出色的结构性能，相对易于施工，并且这种结构形式带来显着的经济效益，因此钢筋混凝土梁和钢板是现代钢结构建筑中流行的部件。通过利用混凝土板的有利抗压强度和钢托梁在共生结构中的高抗拉强度，这种梁比传统的裸钢或混凝土梁具有更高的刚度和强度，减小的挠度和更高的跨深比。 这两个组件之间的复合作用几乎普遍通过使用焊接到钢梁顶部法兰并嵌入铸造现浇混凝土板的带头螺栓剪力连接器来实现。
由于将混凝土浇筑在与钢制托梁的顶部凸缘焊接的抗剪栓钉周围以及板坯内部的钢筋周围，所以梁不利于解构并且其拆除是浪费的，能量密集的和环境侵入性的。 为了从环境角度避免传统复合材料结构的缺陷，本文提出使用具有预制混凝土板的组合梁，该预制混凝土板通过作为剪切连接件的高强度张紧摩擦夹紧螺栓通过间隙孔连接到钢梁上。 这个系统被证明是相对容易解构的，并且所有组件都是可回收的。 此外，使用普通波特兰水泥替代混凝土，其地板聚合物混凝土（GPC）被浇铸，其普通波特兰水泥的制造被认为是人为CO\排放的主要贡献者。 在组合梁中使用螺栓作为剪力连接件的研究可以追溯到60年代后期。 达拉姆对高强度螺栓进行了12次推力测试，并进行了剪切连接器的测试[1]。 在这些系列测试中，在混凝土达到28天抗压强度后，将螺栓嵌入混凝土板中，并通过螺帽法进行后张。
达勒姆[1] 注意到高强度螺栓连接器具有较高的承载能力（大约是螺柱剪力连接器的两倍）。 随后，由Dallam和Harpster测试了六个带有高强度螺栓连接的全尺寸简支组合梁[2]，螺栓以与推测试相同的方式嵌入混凝土板中[1]。 得出的结论是，高强度螺栓连接连接件在钢梁和混凝土板之间提供非常刚性的连接（具有高水平的复合效率），具有足够的储备容量以发展最终的瞬间完全合成部分也是可以实现的。 Marshall等人[3] 似乎是第一批通过预钻孔报告使用螺栓连接剪切连接器的研究人员，但其应用背景在他们的研究中并不完全清楚。 三十年后，Kwon等人在静态和疲劳载荷下对三种后装剪力连接器进行了一系列单独剪力连接器试验。[4]。 结果表明，螺栓连接的剪力连接器显示出比螺柱剪力连接器显着更高的疲劳强度。 Kwon等人[5] 还测试了五个全尺寸梁，以便研究使用螺栓连接件来加固非复合桥梁的可行性。 发现通过使用后装式螺栓连接器可以显着提高非复合桥梁的强度和刚度。 最近，已经对使用高强度摩擦夹紧螺栓作为剪切连接器进行了许多数值和实验研究[6–15]。 本文的目的是提供一个全面的实验研究，其中包括后装摩擦夹紧螺栓剪力连接件（PFBSCs）和预制GPC板的复合钢 - 混凝土梁的性能，以取代传统的复合钢 - 混凝土上面描述了环境缺陷的梁。 详细介绍了四种全尺寸组合梁的准静态试验的详细结果，其中三组组合梁由PFBSCs组成，另一组为单螺母埋入式螺栓剪切连接件（SEBSCs）作为参考梁。 在单调增加的静载荷下评估组合梁的结构响应，并评估螺栓连接件类型和剪力连接程度对梁性能的影响。 本文还概述了设计程序，样本的构造和准备，测试程序，测试设置以及用于测量测试响应仪器。
结果提供了数值的基准研究模型或开发设计程序。
-
测试标本
- 一般
测试样本由四个全尺寸组合梁组成， 三个带有PFBSCs的组合梁和一个配合SEBSCs的伴生梁，这些梁被设计和测试作为比较的参考。 可拆卸组合梁的示意轮廓和PFBSC的横截面构造如图所示图 1和2并分别详细介绍了标本的细节表格1。 样品总长度为7300m，支撑间距为7000mm。 所有组合梁均具有460UB67.1钢梁截面，用于PFBSC试样的增强方形GPC板的长度为1000mm，有效宽度为1000mm[16] 厚度为150毫米; SEBSC试样的板坯长为7300mm，有效宽度为1000mm
[16] 厚150毫米。
样本CB1被设计和构造为对照样本或参考光束，用于比较测试结果
图1.可持续组合梁的示意轮廓。
图2. PFBSCs的横截面结构。
其他标本用PFBSCs。 它被认为是传统组合梁的对应物，只要混凝土在剪力连接件周围就地浇铸即可。 样本CB1的几何形状，尺寸和细节如图所示图3。 SEBSCs提供混凝土板和钢梁之间的复合作用（图4一个）。 总共56个剪力连接器（每个剪力跨度中有28个连接器）在梁上沿顶部钢法兰成对栓接（图3）并嵌入混凝土板中。 整个混凝土板采用GPC铸造而成图4b显示了铸造后该样品的视图。
复合梁CB2，CB3和CB4采用相同的结构设计，由PFBSCs和预制GPC板组成。 它们之间的区别在于梁上分布的后装式螺栓剪力连接器的数量。
试样CB2设计为全剪切连接，试样CB2的连接器的数量和间距等于试样CB1的连接器的数量和间距; 即 成对使用总共56个8.8级M20螺栓（每个混凝土板8个螺栓）的后装式螺栓连接剪切连接器图5）。 为了确定在M20螺栓中引起的145kN的最小后张力，电控扭力扳手（图6a）用喷射器直接张力指示垫圈（图6b）被使用。 样品CB2的混凝土板由七块并列的预制GPC板组装而成，这些预制板安装在钢梁的顶部法兰上。
样本CB3设计为具有97％剪切连接（图7），有28个螺栓式剪力连接器（每个剪力跨度14个连接器）和7个预制混凝土板（每个混凝土板4个螺栓）。 梁CB3显示在图8 在测试之前。 标本CB4被设计为具有55％剪切连接（图9），共有18个螺栓式剪力连接器（标称每个混凝土面板2个螺栓）。 另外一对螺栓用于每个端附近
表格1
组合梁样本摘要。
|
标本 |
钢梁 |
预制混凝土板（mm） |
螺栓连接式连接 |
螺栓总数 |
剪切连接程度 |
|
CB1 |
460 |
150 |
嵌入式 |
56 |
gt;100 |
|
CB2 |
UB |
150 |
安装后 |
56 |
gt;100 |
|
CB3 |
67.1 |
150 |
安装后 |
28 |
97 |
|
CB4 |
150 |
安装后 |
18 |
55 |
图3.组合梁CB1的几何形状和细节（单位：mm）。
图4.样品CB1的制备。
图5.组合梁CB2的几何形状和细节（单位：mm）。
图6.拧紧螺栓连接。
以确保混凝土板不会由于螺栓断裂而从实验室的梁上掉落。
-
- 仪表
为了量化性能并阐明组合梁的结构行为，将线性应变转换换能器（LSCT）和应变仪安装在样品上（图10）。 使用一个LSCT和两个激光传感器分别测量光束的中跨距和四分之一垂直位移。 在混凝土板的底部连接了10根水平LSCT（梁的长度为6根，梁的两端各2根），以测试混凝土和钢梁之间在试验过程中的界面滑移图10）。 共有三十二个应变计（16个应变计，钢梁最大应变为10-15％，十六个应变计
用于混凝土板的应变计）用于测量钢梁和混凝土板在不同位置处的应变（图11).
-
- 实验设置和加载程序
图12显示了测试装置的配置，其中辊和销支撑位于试样的末端以提供简单支持的最终条件。 使用5 MN液压千斤顶对测试梁施加四个位移控制力，以模拟均匀分布的载荷。 负载通过三个吊具梁施加到组合梁上。 在实际测试之前，将预计极限载荷的约10％的小载荷应用于样本，然后卸载该样本，以检查测试设置和仪器的性能。 确认测试程序的功能后，
图7.组合梁CB3的几何形状和细节（单位：mm）。
图8.标本CB3的顶视图。
试样在排水量控制下重新加载，直到不能再承受荷载，并且当混凝土板明显破碎时试验结束。 依次使用四种位移控制的加载速率（
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