3.1 栓钉剪力连接件推出试验

3.1.1 试验方法

1）试件构造

试验采用推出试验的形式，试件尺寸和试验方法参考EC4 标准推出试验。这是国际公认的评价剪力钉力学性能的试验方法。试件的形式如图3.1—图3.3 所示，构造如图3.4所示。

需要注意的是，EC4 中的标准推出试验是针对普通混凝土的，普通混凝土桥面板厚度较大，EC4 的标准推出试验中混凝土板的厚度达到150mm，远大于本书中钢-UHPC组合桥面板的低收缩UHPC桥面板的厚度。为使试件尽量与本书提出的桥面结构一致，将低收缩UHPC板的厚度减小至55mm。

此外，在EC4 标准推出试验中采用的是强度为450 MPa的螺纹钢筋，钢筋直径10mm，钢筋间距为150mm ×150mm。对本试验研究中，低收缩UHPC桥面板中所配钢筋采用HRB400、直径10mm，钢筋间距按EC4 确定，也为150mm×150mm。

根据现有研究，初步选定10mm×35mm剪力钉。本次试验的目的为测试该剪力钉在低收缩UHPC中的力学性能，仅制作1 组试件，见表3.1。

2）加载及测试方法

在工程实践中，要求连接件具有较高的承载能力，同时应具有良好的延性。本次试验的测试内容主要包括荷载、钢-混凝土相对滑移两个方面（图3.5、图3.6）。

由于试件尺寸不大，可采用千斤顶加载。荷载可直接由压力传感器读出，滑移通过位移计测量，在钢板侧面对应于连接件位置处安装位移计，并布置反力片，为位移计提供支撑，以此量测钢和混凝土的相对滑移。

加载方法按EC4 标准推出试验进行，其加载流程如下：

①首先加载至预估的破坏荷载40%，然后在5%~40%的破坏荷载范围内反复加载4~25 次，消除黏结和其他非弹性变形的影响。

②第1、2 级荷载的加载步长为50 kN，自第3 级加载步长减小至20 kN，继续加载直至破坏以测试荷载-滑移曲线。

③每一级荷载稳载5~10 min，在试件屈服后的变形快速发展段，稳载时间可适当延长，以位移发展基本稳定为稳载标准。

④每一级荷载稳载后测试钢构件与混凝土板之间的相对滑移，描绘出荷载滑移曲线。

⑤观察钢板与混凝土板的分离情况。

3.1.2 荷载-滑移特性分析

如图3.7—图3.15 所示给出了各试件的荷载滑移曲线，其中纵坐标为单个剪力钉承担的荷载。低收缩UHPC中的剪力钉没有明显的弹性工作阶段，在荷载不大时，即表现出一定的弹塑性性质，滑移的发展较荷载的增加要快，但滑移的发展较为稳定，在滑移量达到0.2~0.3mm，荷载-滑移曲线有明显的弯折，在其后的2~3 级荷载后，滑移快速发展，在荷载增加不大的情况下，滑移量增量可达近1mm。表现出屈服的现象，偏安全，可将滑移量为0.2mm时定义为屈服点，该滑移量对应的荷载定义为屈服荷载。

根据试验所测的荷载-滑移曲线，在此对RPC中剪力钉的主要变形特征进行简要分析：

①UHPC板中的剪力钉滑移量小于普通混凝土中剪力钉滑移量，普通混凝土中剪力钉滑移可达3~4mm，而UHPC中剪力钉的极限滑移量为1~2mm。组合结构中剪力钉的变形主要由混凝土的变形及剪力钉自身的变形引起，其中混凝土变形包括弹性变形及局部压碎，随着荷载的增大，混凝土的局部压碎减弱了混凝土对剪力钉的支承作用，导致剪力钉的变形增大。与普通混凝土相比，UHPC强度和弹性模量较大，在相同条件下，混凝土的弹性变形较小且压碎区域更小，剪力钉变形相应较小。

②UHPC板中剪力钉表现出一定的延性，有比较明显的塑性变形，可以看作柔性连接件。UHPC中的剪力钉没有明显的弹性工作阶段，在荷载不大时，材料就发生一定的非线性变形，在屈服后其荷载-滑移曲线有一定台阶，表现出一定的延性。

③UHPC板中剪力钉极限滑移量离散不大，10mm×35mm的剪力钉均为1mm左右，9mm×36mm的剪力钉均为2mm左右。表现出与金属材料较为相似的破坏特征，表明钢RPC组合结构中剪力钉的极限变形主要由剪力钉材料的变形决定。

④9mm×36mm的剪力钉极限滑移量大于10mm×35mm，而其极限承载力及屈服强度小于10mm×35mm的剪力钉。前者的原因是9mm×36mm的长径比10mm×35mm大，抗推刚度较小，增大了剪力钉的自身变形。后者的原因是9mm×36mm的剪力钉横截面积较10mm×35mm剪力钉减小了约20%，剪力钉与混凝土间的承压面积减小导致局部应力增大，承载力降低。

3.1.3 破坏形态及承载能力

在普通混凝土中，剪力钉的破坏形态有3 种：其一为混凝土局部承压破坏，此类破坏往往伴随有混凝土的劈裂，剪力钉一般未被剪断；其二为剪力钉的剪断，这一破坏形态通常出现在高强混凝土中；其三为拔出破坏，这一破坏形态通常出现在剪力钉长度与直径之比小于4 的情况，是规范不允许出现的破坏形态。

本次试验的6个试件的破坏形态均为剪力顶被剪断，即上述破坏形态中的第二类破坏形态。从图3.16—图3.26 中可知，所有的试件的低收缩UHPC板完好，未见劈裂裂缝，剪断后的剪力钉留置于低收缩UHPC板内，未见有剪力钉拔出时钉周边混凝土爆裂的现象。这些现象均表明，剪力钉的破坏形态为剪断。

从图3.18、图3.19 和图3.22、图3.23 中可知，所有剪力钉剪断面整齐、光滑，表明剪力钉的破坏主要为剪力所致。剪力钉的破断位置一般在焊趾上端，为剪力钉剪断，并非焊接破坏。

试验中观察了低收缩UHPC板与钢结构的分离情况，未见有明显分离。这是由于本次试验剪力钉的长径比（剪力钉焊后长度与剪力钉的直径之比）仅3.5，轴向变形较小。

根据上文推出试验的现象可知，RPC作为高强度、低脆性的新型材料，较普通混凝土而言，其破坏形态必然会有所区别。RPC板中剪力钉的破坏形式主要是剪力钉的拉剪破坏，即上述的第二种破坏形态。如图3.16—图3.26 所示，由于RPC的高抗压强度以及高弹模，RPC板保持完好，几乎不会出现局部承压破坏。由于推出试件中RPC板厚度仅有55mm，剪力钉长度受限，因此剪力钉长径比没有达到规范要求，但由图可知，本试验中剪力钉没有发生第3 类拔出破坏。在普通混凝土中会出现拔出破坏，是由于混凝土抗拉强度较低，在剪力钉局部压力产生的主拉应力作用下，混凝土开裂并发生冲切破坏。而低收缩UHPC抗拉强度远高于混凝土，在主拉应力作用不会开裂，也不会发生冲切破坏。

对长径比小于4 的短粗剪力钉，在UHPC中工作时不会发生拔出破坏，无须满足长径比大于4 的要求。

对极限承载力，如前文所述，当滑移量发展到一定程度后，滑移量发展速度加快，此时进入屈服阶段，取此时滑移量所对应荷载为屈服荷载。与常规定义方式相同，本书也定义剪力钉的破坏荷载为剪力钉承受的最大荷载，即极限强度。表3.2 中列出了各试件的屈服荷载和破坏荷载。

由上表可知，本试验测得10mm×35mm、9mm×36mm的剪力钉屈强比（屈服荷载/极限荷载）均为0.8，本书剪力钉采用的钢材为4.8 级ML15 钢，屈服强度为320 MPa，极限强度为400 MPa，其理论屈强比为320 /400 = 0.8，与试验测得屈强比相同。表明剪力钉的承载能力基本由剪力钉自身材料决定，这与其破坏形态为剪断一致。 ST1En34oK49ibPMR+dpcaf11ncSIjvb5AsIwL1GAkwZbS+Wtkje6K9ui/4MScSUL