集簇式焊钉连接件抗剪承载力试验及计算方法

　　摘要：为了深入研究集簇式焊钉连接件的抗剪性能，结合装配式钢混组合桥梁焊钉连接件布置特征，以焊钉层间距和焊钉排数为变化参数，设计并完成了 5 组共 10 个焊钉连接件的静力推出试验，并建立了 25 组集簇式焊钉连接件精细化有限元模型，提出了同时考虑焊钉层间距和焊钉排数引起的群钉效应的单钉抗剪承载力折减系数计算公式。试验和分析结果表明：集簇式焊钉连接件受剪作用下由于各排焊钉之间剪力传递的不均匀性出现分批剪断现象，焊钉层间距较小时，各层焊钉之间混凝土破坏区域发生重叠，削弱了焊钉的抗剪承载力;与单钉连接件的荷载-滑移曲线特征不同，集簇式焊钉连接件持荷段较长，呈现出较好的延性，其破坏阶段呈阶梯状分布规律，验证了各排焊钉之间的承剪不均匀现象;单钉平均抗剪承载力随焊钉层间距增大而增大，随焊钉排数的增加而减小，当焊钉层间距超过 8d 时，可忽略其对抗剪承载力的影响;受预制桥面板预留剪力槽孔尺寸限制，装配式钢混组合桥梁常用的集簇式焊钉连接件层间距取值为 4d~8d，排数取值为 3r~7r;基于推出试验和有限元参数分析结果提出了同时计入焊钉层间距和焊钉排数的集簇式焊钉连接件抗剪折减系数实用计算公式，可为装配式钢混组合桥梁中集簇式焊钉连接件的设计计算提供理论依据。

　　关键词：桥梁工程;集簇式焊钉连接件;推出试验;群钉效应;抗剪承载力折减系数

　　邓文琴; 胡楷文; 刘朵; 赵兴宝; 查上; 张建东， 中国公路学报 发表时间：2021-11-16

　　0 引言

　　2016 年 7 月交通运输部印发《交通运输部关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》，明确指出要推进钢结构和钢混组合结构桥梁工业化、标准化、智能化建造及装配化施工，提升桥梁工程的质量品质。装配式钢混凝土组合梁桥契合桥梁工业化发展理念，在我国有很好的推广应用前景[1- 3]。钢混结合面上连接件的布置及受力问题是保障装配式钢混组合梁桥梁运营安全的关键问题 [4-6]。对于适用于现浇钢混组合梁的针对单均布式焊钉连接件，国内外学者已经进行了大量的研究，形成了较为成熟的理论和计算方法[7-12]。但是对于装配式钢混组合梁桥，通常采用集簇式焊钉连接件，在实际工程中，由于集簇式焊钉连接件的密集程度较高，各层焊钉间产生显著的群钉效应其力学特性和单均布式焊钉连接件存在明显差异。而国内相关规范仅给出了焊钉单钉连接件的抗剪承载力计算公式，并未考虑焊钉间距和排数群钉效应所引起的焊钉群钉连接件荷载传递的不均匀性以及单钉平均承载力降低现象，如直接采用现有单钉连接件抗剪承载力作为集簇式焊钉连接件的单钉平均承载力，设计偏于不安全。

　　国内外学者针对焊钉连接件的抗剪性能进行了大量研究[13-30]。我国《钢-混组合桥梁设计规范》(GB5097-2013)[13]规定了群钉的折减系数以混凝土强度等级和焊钉间距为变量提出了折减系数计算公式，并提出焊钉间距大于 13d 时不必考虑群钉效应折减。周绪红[14]等基于数值模拟分析了群钉效应的主要影响因素，提出了考虑焊钉排数引起的承载力折减系数的群钉连接件抗剪承载力计算公式。陈津凯[15]等通过推出试验研究了焊钉布置间距和排数等参数对钢管混凝土内群钉承载力的影响，认为可采用环向间距、纵向间距和排数三个折减系数相乘来计算结构抗剪承载力。陈宝春[16]分析了混凝土强度、焊钉直径和长度等参数对钢管混凝土内焊钉的抗剪承载力的影响，并结合推出试验提出了钢管混凝土内焊钉的抗剪承载力计算公式。Okada[17]等发现，当焊钉的间距大于 13 d 时，群钉效应基本可以忽略，并提出了考虑混凝土强度和焊钉间距的抗剪承载力计算公式。苏庆田[18]等对比分析了高强砂浆包裹下群钉连接件和单钉连接件的区别，提出了多排焊钉连接件荷载-滑移关系表达式。项贻强[19]等研究了焊钉尺寸和不同应力条件对群钉连接件抗剪承载力的影响，指出施加横向预应力可提高群钉连接件的抗剪性能并有效降低连接件周围混凝土的损伤。赵根田[20]等研究了焊钉直径、混凝土强度及加载方式等对群钉连接件的破坏模式、刚度退化、损伤累积、抗剪承载力及能量耗散等指标的影响，给出了混凝土强度等级与焊钉直径的匹配建议。He[21]等基于推出试验和数值模拟研究了纤维增强混凝土包裹中群钉连接件的抗剪性能，并提出了考虑纤维增强效应的群钉连接件抗剪承载力计算公式。Su[22]等开展了群钉连接件单调和往复推出试验，提出了群钉连接件多向疲劳损伤准则。Wang[23]等研究了适用于装配式钢-UHPC 组合梁中大直径群钉连接件抗剪性能，基于推出试验建立了荷载-滑移曲线关系式。张爱平[24]研究了群钉效应对焊钉连接件抗剪性能及层间荷载传递效应的影响，提出了群钉连接件抗剪承载力及抗剪刚度折减系数计算公式。刘界鹏[25]等研究发现，预制混凝土板中焊钉受剪承载力比现浇混凝土中焊钉受剪承载力略低，均为栓杆剪断和焊钉根部焊缝破坏。杨岳华[26]等研究发现，群钉连接件受剪作用下不同层数间存在明显的受力不均匀现象，设计计算时应考虑群钉效应的影响。薛伟辰 [27]、丁发兴[28]等研究了混凝土强度、焊钉直径及钢梁类型等参数对焊钉连接件抗剪性能的影响，在此基础上提出了焊钉抗剪承载力计算公式。邓文琴[29]等基于推出试验和国内外调研统计，提出了采用焊钉连接件和开孔钢板连接件叠加作用以及考虑 1.25 倍安全系数的承载力计算公式。赵建[30]等提出将群钉连接件按荷载分配比例对组合梁整理受力计算进行修正，可实现大跨度组合梁剪力钉精细化仿真分析。

　　综上可知，现行规范针对装配式钢混组合梁中集簇式焊钉连接件计算方法尚无明确规定，既有研究仅考虑了焊钉间距对其抗剪承载力的影响，忽略了焊钉排数的影响。现有研究表明，在混凝土强度、焊钉尺寸确定情况下，集簇式焊钉连接件群钉效应和抗剪承载力主要受焊钉间距和焊钉排数的耦合影响。本文根据实际工程中装配式钢混组合桥梁集簇式焊钉连接件布置尺寸及范围，通过 5 组共 10 个焊钉连接件推出试验和有限元数值模拟分析，同时考虑焊钉间距和排数的影响，提出了计入焊钉间距和排数折减效应的集簇式焊钉连接件抗剪承载力计算公式，为集簇式焊钉连接件在装配式钢混组合结构中的应用和设计提供理论支撑。

　　1 试验概况

　　1.1 试件设计

　　为了研究焊钉间距和排数对集簇式焊钉连接件抗剪性能的影响，本文共设计了 5 组共 10 个静力推出试件，1 组(S1)为单钉试件，4 组(GS1~GS4)为集簇式焊钉试件，试件尺寸如图 1 所示。本试验采用均材质为 ML15AL 的 Ф22 焊钉焊接在工字钢两侧，焊钉高度为 150mm，实测屈服强度为 370MPa，极限强度为 500MPa;钢构件材质均为 Q345，实测屈服强度为 400MPa，极限强度为 520MPa，弹性模量为 2.1×105MPa;混凝土强度等级为 C50，竖向钢筋和箍筋分别采用 Ф16 和 Ф8 的 HRB335 钢筋，屈服强度为 368MPa，抗拉强度为 583MPa，弹性模量为 1.95×105MPa。对于单钉试件S1，沿剪切方向设置了五层箍筋，每层箍筋层间距根据实际工程中常用间距取为 120mm;而对于集簇式焊钉试件 GS1~GS4，实际工程中采用集簇式焊钉连接件时在每排焊钉之间均会布置一个箍筋。因此，本文推出试件设计也保证了每排栓钉之间均设置一个箍筋，并保证最外层箍筋到混凝土表面的距离与试件 S1 相等，推出试件参数如表 1 所示。

　　1.2 试验加载

　　本试验采用 500t 的液压式千斤顶进行加载，为保证试件受力均匀，在试件上端设置 10mm 厚的钢板并在混凝土板下面铺设 2mm 厚的细砂垫层。正式加载前，先进行 3 次荷载速率为 0.5kN/s 的预加载，加载至 0.3Pu 后卸载，Pu 为峰值荷载，由欧洲规范 Eurocode-4 [31]的焊钉受剪承载力公式计算所得。正式加载采用单调分级加载，初始加载时每级荷载增量为 20kN，当荷载加至 0.5Pu 时，每级荷载增量为 10kN，每级持荷 2min，荷载加至 0.8 Pu后通过位移控制直至试件破坏，加载装置如图 2 所示。

　　1.3 测点布置

　　通过在混凝土表面黏贴角钢来架设位移计接触面，同时将位移计通过磁性支座固定在工字钢梁上，加载过程中通过前后对称的 4 个位移计测试工字钢梁与混凝土之间的整体相对滑移。此外，混凝土浇筑前，在工字钢一侧焊钉根部上下面均布设应变片以测试集簇式焊钉连接件不同层间荷载传递规律，同时观察混凝土块的裂缝发展情况及试件的破坏特征。试件位移和应变测点如图 3 所示。

　　2 有限元模型建立

　　鉴于推出试验的双轴对称性，为简化建模过程和提高计算效率，本文有限元模型仅建立 1/4 模型，如图 4 所示。模型中混凝土和焊钉采用 3D 实体单元模拟，钢筋采用 1D 线单元模拟。模型中材料强度均按试验实测强度进行取值，材料本构模型参考文献[32]，如图 5 所示，混凝土采用塑性损伤本构模型，焊钉和钢筋采用双折线本构模型。fc,r 与 ft,r 分别为混凝土的轴向抗压与抗拉强度，εc,r 与 εt,r 分别为 fc,r和 ft,r所对应的应变，Ec为混凝土弹性模量，σy为钢材屈服强度，εy为钢材屈服应变，fsy和 fsu为焊钉的屈服强度和极限强度，εsy和 εsu分别为 fsy和 fsu对应的应变。

　　建模时将焊钉与工字钢板绑定，工字钢与混凝土接触面采用面-面接触关系模拟，接触面切向采用罚函数，摩擦系数取 0.4，法向采用硬接触。焊钉和混凝土块的接触采用混凝土块挖孔处理，混凝土挖孔内壁与焊钉表面通过接触对设为绑定方式。在 1/4 模型的 3 个对称面上分别施加对称约束，底部施加固定约束。在钢梁的顶面采用位移加载，为达到与试验完全一致吻合的目的，在钢板顶面上沿 z 轴正方向施加均匀的位移荷载，加载速率为 0.2mm/s。

　　3 试验结果与分析

　　3.1 试验现象

　　随着荷载的增大，工字钢与混凝土之间产生一定滑移，当荷载-滑移曲线进入屈服阶段后，试件内部由于混凝土局部被压碎产生轻微响声。随着荷载的进一步增加，所有试件均因焊钉根部剪断而破坏，工字钢与混凝土界面发生明显分离现象，由于试件混凝土块厚度较大，混凝土仅在栓钉受剪侧呈现局部压碎，混凝土表面完好，并没有出现裂缝，破坏形式如图 6 所示。其中 4 组集簇式焊钉连接件(GS1~GS4)在试验过程中发生多次焊钉断裂响声，每次断裂声后荷载均突然下降后持平，直至所有焊钉全部剪断。由此可知，对于集簇式群钉连接件而言，在剪力作用下焊钉并非同时断裂，而是根据剪力传递由下至上依次发生断裂，也说明了集簇式焊钉连接件受剪作用时各排焊钉承剪比例呈现不均匀分布。

　　试验结束后，对比观察所有试件混凝土块破坏形态发现，焊钉间距对试件混凝土压碎形态影响较大，如图 7 所示。焊钉间距为 4d 的 GS1 和 GS4 试件各排焊钉之间混凝土压碎区域重叠，而焊钉间距为 6d 和 8d 的 GS2 和 GS3 试件在焊钉剪切挤压作用下仅在焊钉下缘出现一个扇形的局部压碎区域，各排焊钉之间还存在完好无损的混凝土区间。由此可以看出，焊钉间距对集簇式焊钉连接件受剪影响较大，即各排焊钉间距越大，焊钉承载力发挥更充分。

　　3.2 焊钉荷载-应力曲线

　　图 8 为 GS1 试件一侧焊钉下缘应力随荷载变化曲线，测点编号如图 3b 所示。从图 8 中可以看出，加载初期，集簇式焊钉连接件各排焊钉的应变均随荷载的增加近似呈线性变化，且同一荷载等级下，最下端焊钉应变最大，从下至上逐渐减小，有限元模型中焊钉的应力云图也反映相同的分布规律，这与试验过程中集簇式焊钉试件中各排焊钉由下至上依次被剪断相吻合。这主要是由于随着竖向剪切荷载的增加，工字钢与混凝土的相对滑移是沿受剪方向进行传递和积累，导致焊钉承受荷载由上至下依次增加。同时也说明，集簇式焊钉连接件各排焊钉在受剪作用下，其抗剪贡献并非均匀分布，存在一定的群钉效应。

　　3.3 荷载-滑移曲线

　　图 9 给出了各组试件荷载-滑移曲线，图中相对滑移取工字钢与混凝土之间布置的 4 个位移计的平均值。从图 9 中可以看出，5 组推出试验 2 个相同试件荷载-滑移曲线较为接近，且与有限元结果吻合较好，说明试验结果较为合理。所有试件荷载-滑移曲线基本一致，可以分为 3 个阶段：线弹性阶段、非线性弹塑性阶段和破坏阶段。线弹性阶段钢混界面相对滑移随荷载增加呈线性增长，且相对滑移较小，焊钉和混凝土均处于弹性状态。随着荷载的增加，荷载-滑移曲线呈非线性变化，试件进入弹塑性阶段，该阶段焊钉尚未屈服，但各焊钉下方混凝土受挤压发生局部破坏，各组试件均表现出较好的延性。当荷载达到峰值点后，各试件焊钉屈服并出现剪断，该阶段单钉试件与集簇式群钉试件破坏形态存在较大区别，S1 试件峰值点后由于焊钉剪断荷载-滑移曲线迅速下降(图 9a)，工字钢与混凝土完全脱离破坏，而集簇式焊钉连接件 GS1~GS4 荷载-滑移曲线呈阶梯式下降分布(图 9b~9e)，主要是因为各排焊钉受剪不均匀而发生分批剪断。从图 9f 中可以看出，相比单钉试件，集簇式焊钉连接件荷载-滑移曲线中持荷段更长，说明集簇式焊钉连接件延性优于单钉连接件。

　　表 2 中给出了各组试件主要试验结果，表中结果均取每组 2 个试件的平均值。从表 2 中可以看出，相比单钉试件 S1，集簇式焊钉试件 GS1~GS4 中单钉的平均承载力均出现不同程度的折减。对比排数一样焊钉层间距不一致的试件 GS1(4d)、GS2(6d)和 GS3(8d)可知，单钉抗剪折减系数随着焊钉层间距的增加而增大，当焊钉层间距达到 8d 时，单钉抗剪折减系数为 0.97，抗剪承载力折减程度较小 ，即焊钉层间距 ld/d≥8 时，可忽略由层间距离的影响。对比焊钉层间距一致而焊钉排数不一样的试件 GS1(3r)和 GS4(5r)可知，集簇式焊钉连接件中单钉承载力随焊钉排数的增加而减小，当焊钉排数由 3 排(3r)增加至 5 排(3r)时，单钉承载力降低 12%，抗剪折减系数由 0.85 减小至 0.75。

　　试验结果表明，对于装配式钢混组合结构而言，如采用集簇式焊钉连接件进行连接，单个焊钉平均承载力设计计算需同时考虑焊钉间距和焊钉排数引起的群钉效应。

　　4 群钉效应影响参数分析

　　4.1 参数选取原则

　　通过上述推出试验可知，在混凝土强度、焊钉尺寸确定情况下，影响群钉效应的参数主要包括焊钉层间距和焊钉排数。为了深入了解装配式钢混组合桥梁中集簇式焊钉连接件的承剪机理，需要根据实际工程中集簇式焊钉连接件的布置形式适用范围进行调研和统计分析，使研究结果更具有实用性。本文调研统计了 8 座国内典型装配式钢混组合梁桥和 10 套标准图集中集簇式焊钉连接件构造及布置参数，如表 3 所示。由表 3 可知，既有工程和标准图集中连接件形式均采用 Ф22×200 的集簇式焊钉连接件，焊钉的布置形式则受到槽孔尺寸的影响，焊钉间距范围为 4d~8d，焊钉排数范围为 3r~7r。

　　本文基于实际工程中装配式钢混组合桥梁中集簇式焊钉连接件的布置尺寸及范围，同时考虑焊钉层间距和排数的影响，焊钉层间距由 4d 到 8d，增量为 1d，焊钉排数由 3r 至 7r，增量为 1r，由焊钉层间距和排数两两组合，其余参数均与模型试验取值一致，共建立 25 组推出试件有限元模型，以期提出同时计入焊钉层间距和排数折减系数效应的集簇式焊钉连接件抗剪承载力计算公式。

　　4.2 焊钉层间距的影响

　　以焊钉排数为 3r 为例，分析焊钉间距对集簇式焊钉连接件抗剪承载力的影响。表 4 中给出了有限元主要分析结果，图 9 中给出了不同焊钉层间距下各模型单钉荷载-滑移曲线对比图。从表 4 和图 10 中可以看出，焊钉层间距过小时会降低集簇式焊钉连接件中单钉平均抗剪承载力，焊钉层间距由 8d 减小至 4d 时，单钉承载力降低 12%。对于实际工程中常用的层间距 4d 至 7d，集簇式焊钉设计计算时需考虑 7%~15%的折减。图 11 中给出了不同焊钉排数下单钉抗剪承载力折减系数 η 随焊钉层间距离 ld/d 的变化规律，可以看出，不同焊钉排数下单钉抗剪承载力折减系数随焊钉层间距变化规律相似，但承载力折减程度不一致，进而说明焊钉层间距和焊钉排数均对集簇式焊钉连接件的单钉平均抗剪承载力有较大影响。

　　4.3 焊钉排数的影响

　　以焊钉间距为 5d 为例，分析焊钉排数集簇式焊钉连接件抗剪承载力的影响。表 5 中给出了有限元主要分析结果，图 12 中给出了不同焊钉排数下各模型单钉荷载-滑移曲线对比图。从表 5 和图 12 中可以看出，焊钉排数对集簇式焊钉连接件中单钉平均抗剪承载力影响较大，布置 3r 焊钉时，单钉抗剪承载力需考虑 13%的折减，当焊钉排数增至 7r 时，需考虑 31%的折减。对于实际工程中常用的层间距 3r 至 5r，集簇式焊钉设计计算时需考虑 13%~22%的折减，不可忽略不计。图 13 中给出了不同焊钉层间距下单钉抗剪承载力折减系数 η 随焊钉排数 r 的变化规律，可以看出，不同焊钉层间距下单钉抗剪承载力折减系数随焊钉排数的增加而呈减小分布规律。由此可知，集簇式焊钉连接件抗剪设计计算时需考虑焊钉层间距和排数的耦合作用影响。

　　5 抗剪折减系数计算方法

　　各国规范中焊钉连接件的承载力计算方法，大多仅给出单钉抗剪承载力计算公式，将焊钉数量乘以单个焊钉抗剪承载力直接作为集簇式焊钉连接件的抗剪承载力值。由本文研究发现，集簇式焊钉连接件相比单钉连接件而言，由于布置相对集中，存在明显的群钉效应，如直接按单钉承载力叠加计算对于工程设计偏不安全。为了量化“群钉效应”对集簇式焊钉连接件中单钉平均抗剪承载力的折减现象，定义为单钉抗剪折减系数 ， s /   F F G ，其中 FG 和 F s 分别为集簇式焊钉连接件和单钉连接件中单个焊钉平均抗剪承载力。国内外有部分学者对集簇式焊钉连接件的群钉效应进行了研究，但针对群钉效应提出定量计算方法较少，且对于群钉效应影响因素考虑不全面。

　　(1)《钢-混凝土组合桥梁设计规范》(GB 50917-2013)[13]

　　我国《钢-混凝土组合桥梁设计规范》(GB 50917-2013)采用 Okada[17]的研究成果，以 d l d/ 为变量给出了多种不同强度混凝土下焊钉连接件的单钉折减系数计算公式：式中， d l 为焊钉纵向间距， d 为焊钉直径，均以 mm 计;该公式中仅考虑了焊钉层间距离 d l d/ 的影响，忽略了焊钉排数的影响。

　　(2)周绪红[14]

　　周绪红等提出了焊钉层间距为 150mm 时，集簇式焊钉连接件单钉抗剪承载力折减系数与焊钉排数之间的关系式： 2 2 1 3 = 1.0047 0.007 0.021 3 7 1.0101 0.0117 0.0004 7 15 r r r r r r r           (3)该公式仅考虑焊钉排数的影响，为考虑焊钉间距的影响，且焊钉排数取值范围较大，仅适用于钢锚箱等大范围采用焊钉连接件的钢混结构，不适用于装配式钢混组合桥梁中剪力预留槽孔尺寸受限等结构的设计计算。

　　(3)本文的折减系数公式

　　本文基于 10 个推出试验和 25 组有限元模型参数分析，考虑焊钉层间距和焊钉排数对群钉效应的耦合影响，提出同时计入焊钉排数 r 和焊钉层间距离 d l d/ 的单钉抗剪折减系数表达式： 1 d d 0.215 0.098 =0.715 0.024 0.034 / / r l d r l d     ， d (3 7,4 / 8)     r l d (4)表 6 中给出了 25 组模型有限元计算值、《钢-混凝土组合桥梁设计规范》(GB 50917-2013)计算值和本文公式计算值对比，可以看出，由于规范计算式中未考虑焊钉排数的影响，对于排数较大的试件计算误差较大，而相比规范计算值而言，本文提出的单钉承载力折减系数计算公式计算精度较高，且参数取值范围考虑了装配式钢混组合桥梁构造特点，具有较好的实用性。

　　6 结语

　　本文开展了 5 组共 10 个推出试验和 25 组有限元模型分析，结合装配式钢混组合桥梁中集簇式焊钉连接件布置形式，深入研究了焊钉层间距和焊钉排数对其群钉效应的影响，得出以下结论：

　　(1)集簇式焊钉连接件在剪切荷载作用下焊钉并非同时断裂而是分批剪断，由于焊钉传力不均匀性导致集簇式焊钉连接件各排承剪比不一致。焊钉层间距越小，各排焊钉之间混凝土压碎区域相互重叠，削弱了集簇式焊钉抗剪性能，焊钉层间距越大，集簇式焊钉连接件各排焊钉承剪性能发挥更充分。

　　(2)集簇式焊钉试件荷载-滑移曲线在弹性阶段和弹塑性阶段曲线特征相似，但持荷段较单钉试件长，且受群钉效应影响，集簇式焊钉试件峰值点后下降段曲线呈阶梯形分布，其延性优于单钉试件。

　　(3)焊钉层间距和焊钉排数均对集簇式焊钉连接件中单钉平均抗剪承载力影响较大。焊钉层间距越大，单钉平均承载力削弱程度越小，当层间距增至 8d 时，可忽略由层间距的影响;焊钉排数越多，单钉平均承载力折减越大。

　　(4)调研统计发现，装配式钢混组合桥梁中集簇式焊钉连接件焊钉布置形式受预留剪力槽孔尺寸限制，焊钉层间距取值主要集中在 4d~8d 范围内，焊钉排数取值主要集中在 3r~7r 之间。

　　(5)基于 10 个推出试验和 25 组有限元模型分析结果，提出了同时计入焊钉层间距和焊钉排数的集簇式焊钉连接件群钉效应计算方法。相比现有规范公式，本文提出计算公式提出的群钉剪力连接件抗剪承载力计算公式充分考虑了装配式钢混组合桥梁剪力连接件构造特点，且计算精准度更高，具有更好的实用性。