集簇式焊釘連接件抗剪承載力試驗(yàn)及計(jì)算方法

　　摘要：為了深入研究集簇式焊釘連接件的抗剪性能，結(jié)合裝配式鋼混組合橋梁焊釘連接件布置特征，以焊釘層間距和焊釘排數(shù)為變化參數(shù)，設(shè)計(jì)并完成了 5 組共 10 個(gè)焊釘連接件的靜力推出試驗(yàn)，并建立了 25 組集簇式焊釘連接件精細(xì)化有限元模型，提出了同時(shí)考慮焊釘層間距和焊釘排數(shù)引起的群釘效應(yīng)的單釘抗剪承載力折減系數(shù)計(jì)算公式。試驗(yàn)和分析結(jié)果表明：集簇式焊釘連接件受剪作用下由于各排焊釘之間剪力傳遞的不均勻性出現(xiàn)分批剪斷現(xiàn)象，焊釘層間距較小時(shí)，各層焊釘之間混凝土破壞區(qū)域發(fā)生重疊，削弱了焊釘?shù)目辜舫休d力;與單釘連接件的荷載-滑移曲線特征不同，集簇式焊釘連接件持荷段較長，呈現(xiàn)出較好的延性，其破壞階段呈階梯狀分布規(guī)律，驗(yàn)證了各排焊釘之間的承剪不均勻現(xiàn)象;單釘平均抗剪承載力隨焊釘層間距增大而增大，隨焊釘排數(shù)的增加而減小，當(dāng)焊釘層間距超過 8d 時(shí)，可忽略其對(duì)抗剪承載力的影響;受預(yù)制橋面板預(yù)留剪力槽孔尺寸限制，裝配式鋼混組合橋梁常用的集簇式焊釘連接件層間距取值為 4d~8d，排數(shù)取值為 3r~7r;基于推出試驗(yàn)和有限元參數(shù)分析結(jié)果提出了同時(shí)計(jì)入焊釘層間距和焊釘排數(shù)的集簇式焊釘連接件抗剪折減系數(shù)實(shí)用計(jì)算公式，可為裝配式鋼混組合橋梁中集簇式焊釘連接件的設(shè)計(jì)計(jì)算提供理論依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：橋梁工程;集簇式焊釘連接件;推出試驗(yàn);群釘效應(yīng);抗剪承載力折減系數(shù)

　　鄧文琴; 胡楷文; 劉朵; 趙興寶; 查上; 張建東， 中國公路學(xué)報(bào) 發(fā)表時(shí)間：2021-11-16

　　0 引言

　　2016 年 7 月交通運(yùn)輸部印發(fā)《交通運(yùn)輸部關(guān)于推進(jìn)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導(dǎo)意見》，明確指出要推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)和鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化建造及裝配化施工，提升橋梁工程的質(zhì)量品質(zhì)。裝配式鋼混凝土組合梁橋契合橋梁工業(yè)化發(fā)展理念，在我國有很好的推廣應(yīng)用前景[1- 3]。鋼混結(jié)合面上連接件的布置及受力問題是保障裝配式鋼混組合梁橋梁運(yùn)營安全的關(guān)鍵問題 [4-6]。對(duì)于適用于現(xiàn)澆鋼混組合梁的針對(duì)單均布式焊釘連接件，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，形成了較為成熟的理論和計(jì)算方法[7-12]。但是對(duì)于裝配式鋼混組合梁橋，通常采用集簇式焊釘連接件，在實(shí)際工程中，由于集簇式焊釘連接件的密集程度較高，各層焊釘間產(chǎn)生顯著的群釘效應(yīng)其力學(xué)特性和單均布式焊釘連接件存在明顯差異。而國內(nèi)相關(guān)規(guī)范僅給出了焊釘單釘連接件的抗剪承載力計(jì)算公式，并未考慮焊釘間距和排數(shù)群釘效應(yīng)所引起的焊釘群釘連接件荷載傳遞的不均勻性以及單釘平均承載力降低現(xiàn)象，如直接采用現(xiàn)有單釘連接件抗剪承載力作為集簇式焊釘連接件的單釘平均承載力，設(shè)計(jì)偏于不安全。

　　國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)焊釘連接件的抗剪性能進(jìn)行了大量研究[13-30]。我國《鋼-混組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5097-2013)[13]規(guī)定了群釘?shù)恼蹨p系數(shù)以混凝土強(qiáng)度等級(jí)和焊釘間距為變量提出了折減系數(shù)計(jì)算公式，并提出焊釘間距大于 13d 時(shí)不必考慮群釘效應(yīng)折減。周緒紅[14]等基于數(shù)值模擬分析了群釘效應(yīng)的主要影響因素，提出了考慮焊釘排數(shù)引起的承載力折減系數(shù)的群釘連接件抗剪承載力計(jì)算公式。陳津凱[15]等通過推出試驗(yàn)研究了焊釘布置間距和排數(shù)等參數(shù)對(duì)鋼管混凝土內(nèi)群釘承載力的影響，認(rèn)為可采用環(huán)向間距、縱向間距和排數(shù)三個(gè)折減系數(shù)相乘來計(jì)算結(jié)構(gòu)抗剪承載力。陳寶春[16]分析了混凝土強(qiáng)度、焊釘直徑和長度等參數(shù)對(duì)鋼管混凝土內(nèi)焊釘?shù)目辜舫休d力的影響，并結(jié)合推出試驗(yàn)提出了鋼管混凝土內(nèi)焊釘?shù)目辜舫休d力計(jì)算公式。Okada[17]等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊釘?shù)拈g距大于 13 d 時(shí)，群釘效應(yīng)基本可以忽略，并提出了考慮混凝土強(qiáng)度和焊釘間距的抗剪承載力計(jì)算公式。蘇慶田[18]等對(duì)比分析了高強(qiáng)砂漿包裹下群釘連接件和單釘連接件的區(qū)別，提出了多排焊釘連接件荷載-滑移關(guān)系表達(dá)式。項(xiàng)貽強(qiáng)[19]等研究了焊釘尺寸和不同應(yīng)力條件對(duì)群釘連接件抗剪承載力的影響，指出施加橫向預(yù)應(yīng)力可提高群釘連接件的抗剪性能并有效降低連接件周圍混凝土的損傷。趙根田[20]等研究了焊釘直徑、混凝土強(qiáng)度及加載方式等對(duì)群釘連接件的破壞模式、剛度退化、損傷累積、抗剪承載力及能量耗散等指標(biāo)的影響，給出了混凝土強(qiáng)度等級(jí)與焊釘直徑的匹配建議。He[21]等基于推出試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了纖維增強(qiáng)混凝土包裹中群釘連接件的抗剪性能，并提出了考慮纖維增強(qiáng)效應(yīng)的群釘連接件抗剪承載力計(jì)算公式。Su[22]等開展了群釘連接件單調(diào)和往復(fù)推出試驗(yàn)，提出了群釘連接件多向疲勞損傷準(zhǔn)則。Wang[23]等研究了適用于裝配式鋼-UHPC 組合梁中大直徑群釘連接件抗剪性能，基于推出試驗(yàn)建立了荷載-滑移曲線關(guān)系式。張愛平[24]研究了群釘效應(yīng)對(duì)焊釘連接件抗剪性能及層間荷載傳遞效應(yīng)的影響，提出了群釘連接件抗剪承載力及抗剪剛度折減系數(shù)計(jì)算公式。劉界鵬[25]等研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)制混凝土板中焊釘受剪承載力比現(xiàn)澆混凝土中焊釘受剪承載力略低，均為栓桿剪斷和焊釘根部焊縫破壞。楊岳華[26]等研究發(fā)現(xiàn)，群釘連接件受剪作用下不同層數(shù)間存在明顯的受力不均勻現(xiàn)象，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮群釘效應(yīng)的影響。薛偉辰 [27]、丁發(fā)興[28]等研究了混凝土強(qiáng)度、焊釘直徑及鋼梁類型等參數(shù)對(duì)焊釘連接件抗剪性能的影響，在此基礎(chǔ)上提出了焊釘抗剪承載力計(jì)算公式。鄧文琴[29]等基于推出試驗(yàn)和國內(nèi)外調(diào)研統(tǒng)計(jì)，提出了采用焊釘連接件和開孔鋼板連接件疊加作用以及考慮 1.25 倍安全系數(shù)的承載力計(jì)算公式。趙建[30]等提出將群釘連接件按荷載分配比例對(duì)組合梁整理受力計(jì)算進(jìn)行修正，可實(shí)現(xiàn)大跨度組合梁剪力釘精細(xì)化仿真分析。

　　綜上可知，現(xiàn)行規(guī)范針對(duì)裝配式鋼混組合梁中集簇式焊釘連接件計(jì)算方法尚無明確規(guī)定，既有研究僅考慮了焊釘間距對(duì)其抗剪承載力的影響，忽略了焊釘排數(shù)的影響。現(xiàn)有研究表明，在混凝土強(qiáng)度、焊釘尺寸確定情況下，集簇式焊釘連接件群釘效應(yīng)和抗剪承載力主要受焊釘間距和焊釘排數(shù)的耦合影響。本文根據(jù)實(shí)際工程中裝配式鋼混組合橋梁集簇式焊釘連接件布置尺寸及范圍，通過 5 組共 10 個(gè)焊釘連接件推出試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬分析，同時(shí)考慮焊釘間距和排數(shù)的影響，提出了計(jì)入焊釘間距和排數(shù)折減效應(yīng)的集簇式焊釘連接件抗剪承載力計(jì)算公式，為集簇式焊釘連接件在裝配式鋼混組合結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用和設(shè)計(jì)提供理論支撐。

　　1 試驗(yàn)概況

　　1.1 試件設(shè)計(jì)

　　為了研究焊釘間距和排數(shù)對(duì)集簇式焊釘連接件抗剪性能的影響，本文共設(shè)計(jì)了 5 組共 10 個(gè)靜力推出試件，1 組(S1)為單釘試件，4 組(GS1~GS4)為集簇式焊釘試件，試件尺寸如圖 1 所示。本試驗(yàn)采用均材質(zhì)為 ML15AL 的 Ф22 焊釘焊接在工字鋼兩側(cè)，焊釘高度為 150mm，實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度為 370MPa，極限強(qiáng)度為 500MPa;鋼構(gòu)件材質(zhì)均為 Q345，實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度為 400MPa，極限強(qiáng)度為 520MPa，彈性模量為 2.1×105MPa;混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C50，豎向鋼筋和箍筋分別采用 Ф16 和 Ф8 的 HRB335 鋼筋，屈服強(qiáng)度為 368MPa，抗拉強(qiáng)度為 583MPa，彈性模量為 1.95×105MPa。對(duì)于單釘試件S1，沿剪切方向設(shè)置了五層箍筋，每層箍筋層間距根據(jù)實(shí)際工程中常用間距取為 120mm;而對(duì)于集簇式焊釘試件 GS1~GS4，實(shí)際工程中采用集簇式焊釘連接件時(shí)在每排焊釘之間均會(huì)布置一個(gè)箍筋。因此，本文推出試件設(shè)計(jì)也保證了每排栓釘之間均設(shè)置一個(gè)箍筋，并保證最外層箍筋到混凝土表面的距離與試件 S1 相等，推出試件參數(shù)如表 1 所示。

　　1.2 試驗(yàn)加載

　　本試驗(yàn)采用 500t 的液壓式千斤頂進(jìn)行加載，為保證試件受力均勻，在試件上端設(shè)置 10mm 厚的鋼板并在混凝土板下面鋪設(shè) 2mm 厚的細(xì)砂墊層。正式加載前，先進(jìn)行 3 次荷載速率為 0.5kN/s 的預(yù)加載，加載至 0.3Pu 后卸載，Pu 為峰值荷載，由歐洲規(guī)范 Eurocode-4 [31]的焊釘受剪承載力公式計(jì)算所得。正式加載采用單調(diào)分級(jí)加載，初始加載時(shí)每級(jí)荷載增量為 20kN，當(dāng)荷載加至 0.5Pu 時(shí)，每級(jí)荷載增量為 10kN，每級(jí)持荷 2min，荷載加至 0.8 Pu后通過位移控制直至試件破壞，加載裝置如圖 2 所示。

　　1.3 測(cè)點(diǎn)布置

　　通過在混凝土表面黏貼角鋼來架設(shè)位移計(jì)接觸面，同時(shí)將位移計(jì)通過磁性支座固定在工字鋼梁上，加載過程中通過前后對(duì)稱的 4 個(gè)位移計(jì)測(cè)試工字鋼梁與混凝土之間的整體相對(duì)滑移。此外，混凝土澆筑前，在工字鋼一側(cè)焊釘根部上下面均布設(shè)應(yīng)變片以測(cè)試集簇式焊釘連接件不同層間荷載傳遞規(guī)律，同時(shí)觀察混凝土塊的裂縫發(fā)展情況及試件的破壞特征。試件位移和應(yīng)變測(cè)點(diǎn)如圖 3 所示。

　　2 有限元模型建立

　　鑒于推出試驗(yàn)的雙軸對(duì)稱性，為簡化建模過程和提高計(jì)算效率，本文有限元模型僅建立 1/4 模型，如圖 4 所示。模型中混凝土和焊釘采用 3D 實(shí)體單元模擬，鋼筋采用 1D 線單元模擬。模型中材料強(qiáng)度均按試驗(yàn)實(shí)測(cè)強(qiáng)度進(jìn)行取值，材料本構(gòu)模型參考文獻(xiàn)[32]，如圖 5 所示，混凝土采用塑性損傷本構(gòu)模型，焊釘和鋼筋采用雙折線本構(gòu)模型。fc,r 與 ft,r 分別為混凝土的軸向抗壓與抗拉強(qiáng)度，εc,r 與 εt,r 分別為 fc,r和 ft,r所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，Ec為混凝土彈性模量，σy為鋼材屈服強(qiáng)度，εy為鋼材屈服應(yīng)變，fsy和 fsu為焊釘?shù)那?qiáng)度和極限強(qiáng)度，εsy和 εsu分別為 fsy和 fsu對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。

　　建模時(shí)將焊釘與工字鋼板綁定，工字鋼與混凝土接觸面采用面-面接觸關(guān)系模擬，接觸面切向采用罰函數(shù)，摩擦系數(shù)取 0.4，法向采用硬接觸。焊釘和混凝土塊的接觸采用混凝土塊挖孔處理，混凝土挖孔內(nèi)壁與焊釘表面通過接觸對(duì)設(shè)為綁定方式。在 1/4 模型的 3 個(gè)對(duì)稱面上分別施加對(duì)稱約束，底部施加固定約束。在鋼梁的頂面采用位移加載，為達(dá)到與試驗(yàn)完全一致吻合的目的，在鋼板頂面上沿 z 軸正方向施加均勻的位移荷載，加載速率為 0.2mm/s。

　　3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

　　隨著荷載的增大，工字鋼與混凝土之間產(chǎn)生一定滑移，當(dāng)荷載-滑移曲線進(jìn)入屈服階段后，試件內(nèi)部由于混凝土局部被壓碎產(chǎn)生輕微響聲。隨著荷載的進(jìn)一步增加，所有試件均因焊釘根部剪斷而破壞，工字鋼與混凝土界面發(fā)生明顯分離現(xiàn)象，由于試件混凝土塊厚度較大，混凝土僅在栓釘受剪側(cè)呈現(xiàn)局部壓碎，混凝土表面完好，并沒有出現(xiàn)裂縫，破壞形式如圖 6 所示。其中 4 組集簇式焊釘連接件(GS1~GS4)在試驗(yàn)過程中發(fā)生多次焊釘斷裂響聲，每次斷裂聲后荷載均突然下降后持平，直至所有焊釘全部剪斷。由此可知，對(duì)于集簇式群釘連接件而言，在剪力作用下焊釘并非同時(shí)斷裂，而是根據(jù)剪力傳遞由下至上依次發(fā)生斷裂，也說明了集簇式焊釘連接件受剪作用時(shí)各排焊釘承剪比例呈現(xiàn)不均勻分布。

　　試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)比觀察所有試件混凝土塊破壞形態(tài)發(fā)現(xiàn)，焊釘間距對(duì)試件混凝土壓碎形態(tài)影響較大，如圖 7 所示。焊釘間距為 4d 的 GS1 和 GS4 試件各排焊釘之間混凝土壓碎區(qū)域重疊，而焊釘間距為 6d 和 8d 的 GS2 和 GS3 試件在焊釘剪切擠壓作用下僅在焊釘下緣出現(xiàn)一個(gè)扇形的局部壓碎區(qū)域，各排焊釘之間還存在完好無損的混凝土區(qū)間。由此可以看出，焊釘間距對(duì)集簇式焊釘連接件受剪影響較大，即各排焊釘間距越大，焊釘承載力發(fā)揮更充分。

　　3.2 焊釘荷載-應(yīng)力曲線

　　圖 8 為 GS1 試件一側(cè)焊釘下緣應(yīng)力隨荷載變化曲線，測(cè)點(diǎn)編號(hào)如圖 3b 所示。從圖 8 中可以看出，加載初期，集簇式焊釘連接件各排焊釘?shù)膽?yīng)變均隨荷載的增加近似呈線性變化，且同一荷載等級(jí)下，最下端焊釘應(yīng)變最大，從下至上逐漸減小，有限元模型中焊釘?shù)膽?yīng)力云圖也反映相同的分布規(guī)律，這與試驗(yàn)過程中集簇式焊釘試件中各排焊釘由下至上依次被剪斷相吻合。這主要是由于隨著豎向剪切荷載的增加，工字鋼與混凝土的相對(duì)滑移是沿受剪方向進(jìn)行傳遞和積累，導(dǎo)致焊釘承受荷載由上至下依次增加。同時(shí)也說明，集簇式焊釘連接件各排焊釘在受剪作用下，其抗剪貢獻(xiàn)并非均勻分布，存在一定的群釘效應(yīng)。

　　3.3 荷載-滑移曲線

　　圖 9 給出了各組試件荷載-滑移曲線，圖中相對(duì)滑移取工字鋼與混凝土之間布置的 4 個(gè)位移計(jì)的平均值。從圖 9 中可以看出，5 組推出試驗(yàn) 2 個(gè)相同試件荷載-滑移曲線較為接近，且與有限元結(jié)果吻合較好，說明試驗(yàn)結(jié)果較為合理。所有試件荷載-滑移曲線基本一致，可以分為 3 個(gè)階段：線彈性階段、非線性彈塑性階段和破壞階段。線彈性階段鋼混界面相對(duì)滑移隨荷載增加呈線性增長，且相對(duì)滑移較小，焊釘和混凝土均處于彈性狀態(tài)。隨著荷載的增加，荷載-滑移曲線呈非線性變化，試件進(jìn)入彈塑性階段，該階段焊釘尚未屈服，但各焊釘下方混凝土受擠壓發(fā)生局部破壞，各組試件均表現(xiàn)出較好的延性。當(dāng)荷載達(dá)到峰值點(diǎn)后，各試件焊釘屈服并出現(xiàn)剪斷，該階段單釘試件與集簇式群釘試件破壞形態(tài)存在較大區(qū)別，S1 試件峰值點(diǎn)后由于焊釘剪斷荷載-滑移曲線迅速下降(圖 9a)，工字鋼與混凝土完全脫離破壞，而集簇式焊釘連接件 GS1~GS4 荷載-滑移曲線呈階梯式下降分布(圖 9b~9e)，主要是因?yàn)楦髋藕羔斒芗舨痪鶆蚨l(fā)生分批剪斷。從圖 9f 中可以看出，相比單釘試件，集簇式焊釘連接件荷載-滑移曲線中持荷段更長，說明集簇式焊釘連接件延性優(yōu)于單釘連接件。

　　表 2 中給出了各組試件主要試驗(yàn)結(jié)果，表中結(jié)果均取每組 2 個(gè)試件的平均值。從表 2 中可以看出，相比單釘試件 S1，集簇式焊釘試件 GS1~GS4 中單釘?shù)钠骄休d力均出現(xiàn)不同程度的折減。對(duì)比排數(shù)一樣焊釘層間距不一致的試件 GS1(4d)、GS2(6d)和 GS3(8d)可知，單釘抗剪折減系數(shù)隨著焊釘層間距的增加而增大，當(dāng)焊釘層間距達(dá)到 8d 時(shí)，單釘抗剪折減系數(shù)為 0.97，抗剪承載力折減程度較小 ，即焊釘層間距 ld/d≥8 時(shí)，可忽略由層間距離的影響。對(duì)比焊釘層間距一致而焊釘排數(shù)不一樣的試件 GS1(3r)和 GS4(5r)可知，集簇式焊釘連接件中單釘承載力隨焊釘排數(shù)的增加而減小，當(dāng)焊釘排數(shù)由 3 排(3r)增加至 5 排(3r)時(shí)，單釘承載力降低 12%，抗剪折減系數(shù)由 0.85 減小至 0.75。

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于裝配式鋼混組合結(jié)構(gòu)而言，如采用集簇式焊釘連接件進(jìn)行連接，單個(gè)焊釘平均承載力設(shè)計(jì)計(jì)算需同時(shí)考慮焊釘間距和焊釘排數(shù)引起的群釘效應(yīng)。

　　4 群釘效應(yīng)影響參數(shù)分析

　　4.1 參數(shù)選取原則

　　通過上述推出試驗(yàn)可知，在混凝土強(qiáng)度、焊釘尺寸確定情況下，影響群釘效應(yīng)的參數(shù)主要包括焊釘層間距和焊釘排數(shù)。為了深入了解裝配式鋼混組合橋梁中集簇式焊釘連接件的承剪機(jī)理，需要根據(jù)實(shí)際工程中集簇式焊釘連接件的布置形式適用范圍進(jìn)行調(diào)研和統(tǒng)計(jì)分析，使研究結(jié)果更具有實(shí)用性。本文調(diào)研統(tǒng)計(jì)了 8 座國內(nèi)典型裝配式鋼混組合梁橋和 10 套標(biāo)準(zhǔn)圖集中集簇式焊釘連接件構(gòu)造及布置參數(shù)，如表 3 所示。由表 3 可知，既有工程和標(biāo)準(zhǔn)圖集中連接件形式均采用 Ф22×200 的集簇式焊釘連接件，焊釘?shù)牟贾眯问絼t受到槽孔尺寸的影響，焊釘間距范圍為 4d~8d，焊釘排數(shù)范圍為 3r~7r。

　　本文基于實(shí)際工程中裝配式鋼混組合橋梁中集簇式焊釘連接件的布置尺寸及范圍，同時(shí)考慮焊釘層間距和排數(shù)的影響，焊釘層間距由 4d 到 8d，增量為 1d，焊釘排數(shù)由 3r 至 7r，增量為 1r，由焊釘層間距和排數(shù)兩兩組合，其余參數(shù)均與模型試驗(yàn)取值一致，共建立 25 組推出試件有限元模型，以期提出同時(shí)計(jì)入焊釘層間距和排數(shù)折減系數(shù)效應(yīng)的集簇式焊釘連接件抗剪承載力計(jì)算公式。

　　4.2 焊釘層間距的影響

　　以焊釘排數(shù)為 3r 為例，分析焊釘間距對(duì)集簇式焊釘連接件抗剪承載力的影響。表 4 中給出了有限元主要分析結(jié)果，圖 9 中給出了不同焊釘層間距下各模型單釘荷載-滑移曲線對(duì)比圖。從表 4 和圖 10 中可以看出，焊釘層間距過小時(shí)會(huì)降低集簇式焊釘連接件中單釘平均抗剪承載力，焊釘層間距由 8d 減小至 4d 時(shí)，單釘承載力降低 12%。對(duì)于實(shí)際工程中常用的層間距 4d 至 7d，集簇式焊釘設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需考慮 7%~15%的折減。圖 11 中給出了不同焊釘排數(shù)下單釘抗剪承載力折減系數(shù) η 隨焊釘層間距離 ld/d 的變化規(guī)律，可以看出，不同焊釘排數(shù)下單釘抗剪承載力折減系數(shù)隨焊釘層間距變化規(guī)律相似，但承載力折減程度不一致，進(jìn)而說明焊釘層間距和焊釘排數(shù)均對(duì)集簇式焊釘連接件的單釘平均抗剪承載力有較大影響。

　　4.3 焊釘排數(shù)的影響

　　以焊釘間距為 5d 為例，分析焊釘排數(shù)集簇式焊釘連接件抗剪承載力的影響。表 5 中給出了有限元主要分析結(jié)果，圖 12 中給出了不同焊釘排數(shù)下各模型單釘荷載-滑移曲線對(duì)比圖。從表 5 和圖 12 中可以看出，焊釘排數(shù)對(duì)集簇式焊釘連接件中單釘平均抗剪承載力影響較大，布置 3r 焊釘時(shí)，單釘抗剪承載力需考慮 13%的折減，當(dāng)焊釘排數(shù)增至 7r 時(shí)，需考慮 31%的折減。對(duì)于實(shí)際工程中常用的層間距 3r 至 5r，集簇式焊釘設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需考慮 13%~22%的折減，不可忽略不計(jì)。圖 13 中給出了不同焊釘層間距下單釘抗剪承載力折減系數(shù) η 隨焊釘排數(shù) r 的變化規(guī)律，可以看出，不同焊釘層間距下單釘抗剪承載力折減系數(shù)隨焊釘排數(shù)的增加而呈減小分布規(guī)律。由此可知，集簇式焊釘連接件抗剪設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需考慮焊釘層間距和排數(shù)的耦合作用影響。

　　5 抗剪折減系數(shù)計(jì)算方法

　　各國規(guī)范中焊釘連接件的承載力計(jì)算方法，大多僅給出單釘抗剪承載力計(jì)算公式，將焊釘數(shù)量乘以單個(gè)焊釘抗剪承載力直接作為集簇式焊釘連接件的抗剪承載力值。由本文研究發(fā)現(xiàn)，集簇式焊釘連接件相比單釘連接件而言，由于布置相對(duì)集中，存在明顯的群釘效應(yīng)，如直接按單釘承載力疊加計(jì)算對(duì)于工程設(shè)計(jì)偏不安全。為了量化“群釘效應(yīng)”對(duì)集簇式焊釘連接件中單釘平均抗剪承載力的折減現(xiàn)象，定義為單釘抗剪折減系數(shù)? ， s / ? ? F F G ，其中 FG 和 F s 分別為集簇式焊釘連接件和單釘連接件中單個(gè)焊釘平均抗剪承載力。國內(nèi)外有部分學(xué)者對(duì)集簇式焊釘連接件的群釘效應(yīng)進(jìn)行了研究，但針對(duì)群釘效應(yīng)提出定量計(jì)算方法較少，且對(duì)于群釘效應(yīng)影響因素考慮不全面。

　　(1)《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50917-2013)[13]

　　我國《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50917-2013)采用 Okada[17]的研究成果，以 d l d/ 為變量給出了多種不同強(qiáng)度混凝土下焊釘連接件的單釘折減系數(shù)計(jì)算公式：式中， d l 為焊釘縱向間距， d 為焊釘直徑，均以 mm 計(jì);該公式中僅考慮了焊釘層間距離 d l d/ 的影響，忽略了焊釘排數(shù)的影響。

　　(2)周緒紅[14]

　　周緒紅等提出了焊釘層間距為 150mm 時(shí)，集簇式焊釘連接件單釘抗剪承載力折減系數(shù)與焊釘排數(shù)之間的關(guān)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)該公式僅考慮焊釘排數(shù)的影響，為考慮焊釘間距的影響，且焊釘排數(shù)取值范圍較大，僅適用于鋼錨箱等大范圍采用焊釘連接件的鋼混結(jié)構(gòu)，不適用于裝配式鋼混組合橋梁中剪力預(yù)留槽孔尺寸受限等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算。

　　(3)本文的折減系數(shù)公式

　　本文基于 10 個(gè)推出試驗(yàn)和 25 組有限元模型參數(shù)分析，考慮焊釘層間距和焊釘排數(shù)對(duì)群釘效應(yīng)的耦合影響，提出同時(shí)計(jì)入焊釘排數(shù) r 和焊釘層間距離 d l d/ 的單釘抗剪折減系數(shù)表達(dá)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 中給出了 25 組模型有限元計(jì)算值、《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50917-2013)計(jì)算值和本文公式計(jì)算值對(duì)比，可以看出，由于規(guī)范計(jì)算式中未考慮焊釘排數(shù)的影響，對(duì)于排數(shù)較大的試件計(jì)算誤差較大，而相比規(guī)范計(jì)算值而言，本文提出的單釘承載力折減系數(shù)計(jì)算公式計(jì)算精度較高，且參數(shù)取值范圍考慮了裝配式鋼混組合橋梁構(gòu)造特點(diǎn)，具有較好的實(shí)用性。

　　6 結(jié)語

　　本文開展了 5 組共 10 個(gè)推出試驗(yàn)和 25 組有限元模型分析，結(jié)合裝配式鋼混組合橋梁中集簇式焊釘連接件布置形式，深入研究了焊釘層間距和焊釘排數(shù)對(duì)其群釘效應(yīng)的影響，得出以下結(jié)論：

　　(1)集簇式焊釘連接件在剪切荷載作用下焊釘并非同時(shí)斷裂而是分批剪斷，由于焊釘傳力不均勻性導(dǎo)致集簇式焊釘連接件各排承剪比不一致。焊釘層間距越小，各排焊釘之間混凝土壓碎區(qū)域相互重疊，削弱了集簇式焊釘抗剪性能，焊釘層間距越大，集簇式焊釘連接件各排焊釘承剪性能發(fā)揮更充分。

　　(2)集簇式焊釘試件荷載-滑移曲線在彈性階段和彈塑性階段曲線特征相似，但持荷段較單釘試件長，且受群釘效應(yīng)影響，集簇式焊釘試件峰值點(diǎn)后下降段曲線呈階梯形分布，其延性優(yōu)于單釘試件。

　　(3)焊釘層間距和焊釘排數(shù)均對(duì)集簇式焊釘連接件中單釘平均抗剪承載力影響較大。焊釘層間距越大，單釘平均承載力削弱程度越小，當(dāng)層間距增至 8d 時(shí)，可忽略由層間距的影響;焊釘排數(shù)越多，單釘平均承載力折減越大。

　　(4)調(diào)研統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，裝配式鋼混組合橋梁中集簇式焊釘連接件焊釘布置形式受預(yù)留剪力槽孔尺寸限制，焊釘層間距取值主要集中在 4d~8d 范圍內(nèi)，焊釘排數(shù)取值主要集中在 3r~7r 之間。

　　(5)基于 10 個(gè)推出試驗(yàn)和 25 組有限元模型分析結(jié)果，提出了同時(shí)計(jì)入焊釘層間距和焊釘排數(shù)的集簇式焊釘連接件群釘效應(yīng)計(jì)算方法。相比現(xiàn)有規(guī)范公式，本文提出計(jì)算公式提出的群釘剪力連接件抗剪承載力計(jì)算公式充分考慮了裝配式鋼混組合橋梁剪力連接件構(gòu)造特點(diǎn)，且計(jì)算精準(zhǔn)度更高，具有更好的實(shí)用性。