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单江北， 刘小玲， 汪 炳
(1. 宁波大学 海运学院， 浙江 宁波 315211；
2. 宁波大学 土木与环境工程学院， 浙江 宁波 315211)
装配式钢-混凝土组合梁桥不但可以充分发挥材料的优势性能，而且可快速装配化施工，是目前组合桥梁发展的一大趋势和热点[1-2]。对装配式组合梁而言，传统栓钉由于采用焊接方式造成组合梁安装拆卸不便，难以对预制桥面板进行维修更换，且在焊点位置易锈蚀，焊缝形态影响栓钉抗剪承载力，对组合梁整体的安全性和耐久性造成影响[3-4]。为解决上述问题，亟需提出一种适用于装配式组合梁的新型的抗剪件。
近年来随着装配式组合梁的日益普及，国内外学者主要采用螺栓连接件应用于装配式组合梁，并对螺栓连接件的力学性能开展了一系列研究工作。Dai等[5]研制一种可拆卸螺栓抗剪连接件，通过推出试验得出其性能和栓钉连接件相似，并利用数值模拟方法研究混凝土等级和螺柱尺寸对可拆卸螺栓连接件抗剪性能的影响。Kwon等[6-7]对三种不同形式的螺栓连接件开展静力试验、疲劳试验以及有限元分析，在此基础上提出单个高强螺栓抗剪承载力计算公式。杜浩等[8]对24个螺栓连接件推出试件进行抗剪试验，发现螺栓连接件主要为混凝土压碎和螺栓杆被剪断两种破坏模式；
当发生螺栓杆被剪断破坏时通过增强螺栓强度可以提高螺栓连接件的抗剪承载力。严永红等[9]对14个试件进行正向推出试验，其提出的螺栓连接件承载力拟合公式体现了螺栓强度和面积的影响，其计算精度可以满足工程应用的要求。可见，目前国内外学者对于螺栓连接件的静力和疲劳性能已经作了较为全面的研究，但对疲劳作用后的剩余力学性能的研究报道仍较为少见。同时，和栓钉连接件一样，传统的螺栓连接件拆卸困难、耐腐蚀性差的问题仍然存在。
鉴于此，本文提出一种新型的不锈钢可拆卸螺栓连接件，并以其为研究对象，设计并制作6组推出试件进行静力和疲劳试验，分析试件的破坏特征、荷载-滑移曲线以及疲劳作用后的各力学指标退化情况。在此基础上，基于材料剩余强度模型，通过关键参数拟合的方法，建立不锈钢螺栓连接件剩余承载力的理论计算公式。
1.1 新型螺栓连接件设计
为探讨螺栓连接件的构造形式对结构装配性能的影响，通过文献[10-11]调研及市场调查手段，整理了目前5种具有代表性且可应用于装配式组合梁的螺栓连接件的构造形式，如图1所示。
图1 螺栓连接件构造形式对比Fig.1 Comparison of structural forms of bolt connectors
图1中的几种螺栓分别为：(a)高压摩擦夹紧螺栓、(b)胶粘锚螺栓、(c)双螺母螺栓、(d)单螺母螺栓及(e)无预埋螺母螺栓。尽管采用图1这些螺栓连接件可以实现钢梁与混凝土板的装配连接，但其安装便利性、可拆卸性等方面仍然不足，在不影响钢梁的情况下，无法实现对混凝土板的拆卸和更换。
故为了实现对钢梁与混凝土的快速施工装配以方便拆卸，本文提出一种新型的不锈钢螺栓连接件的构造形式，如图2所示。该螺栓连接件构造简单，在传统螺栓的螺杆部分增加一个圆环结构，这样的设计方便了螺栓连接件的快速安装，可直接将螺栓插入于钢梁孔内而不使螺栓掉落，同时也方便底部螺母的安装和拧紧；
同时在螺杆尾部只设置局部长度的螺纹，仅提供于螺母的安装，这样的设计避免了螺栓与钢梁之间的螺纹连接，当拆卸混凝土板时，只需将螺母拧开即可拆卸。同时，选用不锈钢材质，提高了螺栓连接件的耐腐蚀性能。
图2 新型螺栓连接件构造图Fig.2 Construction diagram of new bolt connectors
1.2 推出试验
参考欧洲规范4标准，共设计制作6个推出试件，试件由两块混凝土板、一段H型钢梁和4个不锈钢可拆卸螺栓连接件组成。其中，不锈钢螺栓连接件材料为奥氏体型(A2-70)，直径为φ12 mm，长度为92 mm；
钢梁选用Q235钢材，并在其上下翼缘上预留4个螺栓孔，直径为φ14 mm；
普通钢筋选用直径为φ6 mm的HPB300钢筋；
混凝土板强度等级采用为C50，混凝土板预留孔直径为φ70 mm，填料采用的是无收缩自密实水泥基高强浇筑料(HPG)；
推出试件的具体尺寸和钢筋布置见图3。
(a) 立面图
(b) 侧面图
(c) 平面图
(d) 螺栓图3 具体试件尺寸和钢筋布置Fig.3 Specific specimen size and reinforcement arrangement
图4给出了推出试件的制作流程。具体如下：① 在实验室完成混凝土板的预制和浇筑；
② 在钢梁加工厂完成H型钢梁的截断，并完成打孔；
③ 将4个不锈钢可拆卸螺栓安装于钢梁螺栓孔位置上；
④ 将预制混凝土板和钢梁装配组合，并用无收缩自密实水泥基高强浇筑料(HPG)浇筑混凝土板预留孔；
⑤ 推出试件制作完成。
图4 试件制作流程图Fig.4 Flow chart for specimen preparation
1.3 材料力学性能测试
参照GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》[12]规定，采用万能试验机对混凝土C50和无收缩自密实水泥基高强浇筑料(HPG)进行力学性能测试，分别测得混凝土C50强度均值为48 MPa、弹性模量为3.42×104MPa，无收缩自密实水泥基高强浇筑料(HPG)强度均值为65 MPa、弹性模量为3.66×104MPa。
参照GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验》[13]的规定，采用三思试验机对钢梁和不锈钢可拆卸螺栓连接件进行力学性能测试，分别测得钢梁极限强度为363 MPa、屈服强度267 MPa及弹性模量为2.06×105MPa，不锈钢可拆卸螺栓连接件抗拉强度为847 MPa、屈服强度500 MPa、弹性模量为2.0×105MPa。
1.4 加载及测试方案
推出试件静力试验在100吨级的液压式压力机上进行。在正式加载前，首先进行1次预加载以消除钢梁与混凝土板之间的界面黏结、接触间隙等影响因素并确认加载设备正常工作。进而开展静力推出试验确定试件的极限承载力，为后续不锈钢可拆卸螺栓连接件的疲劳加载推出试验和疲劳作用后剩余力学性能提供标准和参照依据。
推出试件疲劳试验在量程为25吨的结构疲劳试验系统(PWS-250)上进行，采用的加载频率为4 Hz，加载波形为正弦波，控制模式为试验力控制。已有文献[14]表明，组合结构抗剪连接件的疲劳荷载上限值在其极限承载力的60%以内均是可行的。本文在试验设计时，首先根据JTG D64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》[15]关于疲劳细节的规定，取螺栓连接件的疲劳细节为110 MPa，通过螺栓面积反推出本试验的加载疲劳幅值应为50 kN，然后根据公路桥梁活载占比，确定疲劳加载上下限值为150 kN和100 kN，它们分别为极限承载力的43.2%和28.8%。
在疲劳加载过程中，每加载到1、3、5、10、50…200等万次循环次数时，停止疲劳加载，进行一次静力测试，主要采集疲劳加载过程中的残余滑移量、抗剪刚度及相对滑移等数据。推出试验的具体加载参数及试验类型如表1所示。
表1 推出试验疲劳加载参数Tab.1 Push-out test fatigue loading parameters
1.5 测点布置及测量内容
图5给出了推出试件加载及测试装置，具体内容如下：① 试验荷载，荷载值由顶部的力传感器直接读取；
② 相对滑移，在推出试件4个螺栓设置位置等高处布置4个位移计以连续采集钢梁与混凝土板之间竖向相对滑移量；
③ 混凝土裂缝，采用肉眼观测并用裂缝观测仪测量裂缝的宽度及走向。
(a) 静力加载推出试验
(b) 疲劳加载推出试验图5 推出试验加载及测试Fig.5 Loading and testing of push-out test
2.1 破坏形态及现象
(1) 静载破坏试验
在试验静力加载过程中，试件SPT-1的混凝土板与钢梁之间的滑移量随荷载增长而增加。在静力加载前期，试件两侧混凝土板无明显裂缝；
当加载至160 kN时，一侧的混凝土板下端首次出现细微的斜向裂缝；
当加载至180 kN时，混凝土板与钢梁之间发生轻微脱离并伴随轻微响声及混凝土粉末掉落；
当加载至300 kN时，混凝土板与钢梁之间产生“吱吱”的声音，可能是螺栓变形挤压局部混凝土造成的。当加载至347 kN时，听到“砰”的声音，试件一侧的螺栓杆被剪断，混凝土板由螺栓位置产生斜向下45°的斜裂缝，并伴有局部混凝土压碎剥落，试验结束。
为验证新型螺栓连接件的可拆卸功能，将推出试件另一侧螺栓连接件的螺母拧开，可顺利分离钢梁和混凝土板，如图6所示。
图6 推出试件拆卸分离Fig.6 Removal and separation of push-out specimens
(2) 疲劳后静载破坏试验
在试件(FPT-1，FSPT-1～4)达到预定的疲劳加载次数后，所有试件均未发生疲劳破坏，因而继续进行疲劳后的静力破坏试验。在疲劳后的静力破坏试验中，试件FSPT-1由于其浇筑的混凝土未达到设计强度，导致其最终的静力破坏模式为混凝土压碎破坏；
其余4个试件的破坏模式与静力破坏试验相同，均为螺栓连接件剪断破坏。
图7给出了不同试件螺栓连接件破坏断面对比图。由图7可知，试件SPT-1在静力加载时发生剪断破坏，螺栓剪断截面较粗糙；
试件FSPT-3与FPT-1分别疲劳加载150和270万次后进行静力破坏，它们的螺栓剪断截面由疲劳裂纹扩展区、瞬断区两部分组成。其中，产生疲劳裂纹扩展区截面较光滑，FSPT-3比FPT-1的面积小；
产生瞬断区截面较粗糙，FSPT-3比FPT-1的面积大。
图7 不同螺栓连接件破坏断面对比Fig.7 Comparison of failure sections of different bolted connections
可见，试件中螺栓剪切面的疲劳裂纹扩展区随着疲劳作用次数的增加逐步增加，其极限承载力随着疲劳作用次数的增加也逐步下降，当施加在螺栓上的荷载大于疲劳损伤后螺栓的极限承载力就会发生螺栓剪断破坏。
图8给出了螺栓连接件静载及疲劳后静载破坏后的变形情况对比。由图8可知，在静载破坏下，试件SPT-1中的不锈钢螺栓的变形较大，出现了明显的整体弯曲；
而在疲劳后的静载破坏中，试件FPT-1中的不锈钢螺栓的变形并不明显，特别是左侧螺杆部分基本为竖直状态。可见，疲劳作用后的不锈钢螺栓连接件的变形能力减少，脆性增加。
(a) 静载破坏(SPT-1)
(b) 疲劳后静载破坏(FPT-1)图8 螺栓连接件静载及疲劳后静载破坏变形对比Fig.8 Deformation comparison of bolted connectors after static loads and fatigue load
2.2 累积残余滑移量
已有研究表明，疲劳荷载作用下的累积残余滑移量可反映抗剪连接件的疲劳损伤程度[16]。
图9给出了不锈钢螺栓连接件疲劳加载次数-累积残余滑移量的关系曲线。由图9可知，累积残余滑移量的变化分为两个阶段，第1阶段为疲劳损伤萌生阶段，残余滑移在加载初期急速增长，可能是螺栓与螺栓孔壁之间间隙快速缩小、螺栓材料的弹性变形极速完成导致的；
第2阶段为疲劳损伤发展阶段，累积滑移量增长趋势较为缓慢且趋于稳定，该阶段持续时间较长；
由于试件最终未达到疲劳寿命，所以累积残余滑移量未出现第三阶段疲劳破坏时的曲线。
图9 疲劳加载次数-累积残余滑移量关系曲线Fig.9 Number of fatigue loading-cumulative residual slip curves
2.3 抗剪刚度
抗剪刚度是衡量抗剪连接件的一个重要力学性能指标。疲劳加载作用下导致的刚度退化是试件出现裂缝以及材料进入塑性的体现，在停机卸载后一般也是不可恢复的[17]。本文螺栓连接件的抗剪刚度定义为：一定疲劳加载次数后疲劳荷载上限值与对应的相对滑移量的比值，表现为荷载-滑移曲线的线性阶段的斜率。即
(1)
式中：n为疲劳加载次数；
Pmax为疲劳荷载上限值；
δ(n)为对应的相对滑移量。
图10给出了试件FPT-1在疲劳加载过程中，每加载到1、3、5、10、50、100等万次循环次数时，停止疲劳加载，进行一次静力测试的荷载-滑移曲线，其斜率表明了试件在不同荷载循环次数下的抗剪刚度退化程度。由图10可知，首次加载时，由于材料的不均匀性、螺栓与螺栓孔壁可能存在间隙，造成0万次的荷载-滑移曲线并不是线弹性趋势。在加载1万次以后，荷载-滑移曲线稳定为线性状态，同时由于前期的累积残余滑移量增长较快，所以在前期曲线较为稀疏，后期随着残余滑移量逐渐增长缓慢，所以其荷载-滑移曲线变得密集。
图10 不同疲劳次数下的荷载-滑移曲线Fig.10 Load-slip curves at different fatigue times
为比较试件在疲劳加载过程中抗剪刚度的退化规律，以每个试件的1万次对应的抗剪刚度作为基准，得到各试件的相对抗剪刚度变化情况，如图11所示。
图11 试件相对刚度变化规律Fig.11 Variation law of relative stiffness of specimens
由图11可知，在疲劳加载25万次之前，各试件的相对刚度总体有轻微上升趋势，这可能是在加载过程中由于螺栓和钢梁以及混凝土接触逐渐密实导致刚度增强的“假象”；
在疲劳加载25万次～100万次之间，试件的相对刚度虽有波动，但总体较为稳定；
当疲劳加载100万次以后，试件的相对刚度开始呈现较为明显的缓慢下降，当加载至270万次时，刚度退化了约为初始值的12.9%。
2.4 疲劳后的剩余力学性能
2.4.1 剩余承载力
表2给出了在不同疲劳加载次数后试件剩余的极限承载力和极限滑移量。
表2 疲劳加载作用后的剩余承载力Tab.2 Residual bearing capacity after fatigue loading
由表2可知，在试件静载破坏试验中，极限承载力为347.00 kN，极限滑移量为17.28 mm。需要说明的是，由于试件FSPT-1的破坏模式为混凝土压碎破坏，因而其剩余承载力和极限滑移量均偏小。
当疲劳加载100万次后，试件的剩余承载力为339.87 kN，下降至静载极限承载力的97.9%，极限滑移量为15.00 mm，为静载极限滑移量的86.8%；
当疲劳加载270万次后，剩余承载力为305.11 kN，仅为静载极限承载力的87.9%，极限滑移量下降更为明显，为8.00 mm，为静载极限滑移量的46.3%。由此可见，在疲劳加载作用下，新型螺栓推出试件的承载力和极限滑移量均呈现不同程度的下降，且前期较为缓慢，后期退化加快。相比剩余承载力而言，极限滑移量下降的更为明显。
2.4.2 荷载-滑移曲线
图12给出了在不同疲劳加载次数作用后推出试件的荷载-滑移曲线。由图12可知，各试件的荷载-滑移曲线均呈现较为明显的3个阶段。分别为：① 弹性段，表现为荷载迅速增加，滑移增加较小；
② 弹塑性段，表现为荷载与滑移量呈非线性增长，荷载增长变缓，滑移量增长加快；
③ 下降段，滑移量继续增长，荷载出现负增长，直至试件破坏。同时，从荷载-滑移曲线可以较为明显的看出，随着疲劳加载次数的增加，试件承载力、极限滑移量等均呈不同程度的下降。
图12 不同疲劳加载次数作用后的荷载-滑移曲线Fig.12 Load-slip curve after different fatigue loading times
2.4.3 延性
延性系数是避免结构脆性破坏的重要指标[18]。本试验将延性系数定义为试件极限荷载对应滑移量与屈服时对应滑移量的比值，延性系数越大，表明结构或构件的延性越好。
图13给出了延性系数与疲劳加载作用次数之间的变化关系。由图13可知，试件中螺栓连接件的延性系数在疲劳加载的初期下降较快，后期下降平缓，延性系数从静载开始的19.934到疲劳加载270万次的6.462，下降了67.6%，下降明显。反映出试件中螺栓连接件在疲劳加载作用下的塑性变形能力逐渐下降，增加了结构发生突然破坏的风险。
图13 延性系数与疲劳加载作用次数关系曲线Fig.13 Relationship curves between ductility coefficient and fatigue loading times
3.1 模型提出
螺栓连接件在高周疲劳加载下会发生损伤累积，且该累积速率与疲劳加载次数和疲劳加载应力大小有关，当损伤累积达到极限时就发生疲劳破坏。由前文分析可知，螺栓连接件在疲劳加载作用下的承载力退化是先慢后快的非线性过程。
假设螺栓连接件的初始强度为σ0，疲劳应力幅上限值为σmax，材料剩余强度为σn。它随着疲劳加载次数n的增加逐渐减小，当σn=σmax时表明发生疲劳破坏。同时，假设螺栓连接件的强度按衰减函数f(n/N)退化减小。满足以上假定的螺栓疲劳强度退化模型可表示为
(2)
式中，f(n/N)为剩余强度退化函数，其决定剩余强度的退化程度和快慢，且f(n/N)∈[0,1]。
由式(2)可知，螺栓连接件疲劳累积损伤导致的强度退化，所以在经过n次疲劳加载后的螺栓连接件的疲劳损伤度可表示为
(3)
这里参考Schaff等[19]提出的指数剩余强度退化模型，取
(4)
于是，经历n次疲劳加载后的螺栓连接件的剩余承载力可表示为
(5)
式中：Ps(n)为螺栓剩余承载力；
Pu为螺栓静力极限承载力；
n为疲劳加载次数；
c为材料常数，且c>1；
N为一定疲劳应力幅下的疲劳寿命。
3.2 参数拟合
文献[20]基于大量试验数据拟合得到了不锈钢螺栓的疲劳寿命计算公式，具体如下
lgN=15.168 9-4.090 20lg Δσ
(6)
式中，Δσ为螺栓疲劳加载应力幅。
根据本试验参数设定，Δσ为110.5 MPa，进而求得新型螺栓连接件的疲劳寿命N为647.35万次。
为了提高参数拟合的可靠性，除本文试验数据外，在此引用文献[21]疲劳荷载下剩余承载力的试验数据，并将所有试验数据进行归一化处理，见表3。由表3的试验数据对式(5)进行空间曲面拟合，得到材料参数c=1.75，拟合优度R2=0.986，表明拟合结果良好，如图14所示。
表3 用于拟合的单个连接件剩余承载力试验数据Tab.3 Test data of residual bearing capacity of single connector for fitting
图14 模拟曲面拟合结果Fig.14 Simulation surface fitting results
由此得到单个螺栓连接件剩余承载力的计算式为
(7)
3.3 模型验证
表4给出了新型螺栓剩余承载力计算值与试验值对比。由表4可知，运用本文提出的计算模型，试件FSPT-2～FSPT-4及FPT-1在不同的疲劳加载次数下单个不锈钢可拆卸螺栓的剩余承载力计算结果与试验值的误差范围在-0.12%～-2.25%。可见，新型螺栓连接件剩余承载力计算模型计算值与疲劳加载试验值吻合良好。
表4 新型螺栓连接件剩余承载力计算值与试验值对比Tab.4 Comparisons between calculated and test values of residual bearing capacity of new bolted connectors
本文以装配式组合梁中新型不锈钢可拆卸螺栓连接件为研究对象，通过6组推出试件的静力加载和疲劳加载试验，对比了静载与不同疲劳加载次数后试件的破坏形态，分析了新型螺栓连接件在不同疲劳加载次数后各项力学性能指标的退化情况，总结如下：
(1) 新型螺栓连接件在静力和疲劳作用下呈现不同的变形及断面破坏特征：静力加载破坏的截面较粗糙且破坏形式为延性破坏，疲劳加载后静力加载破坏的截面由疲劳裂纹扩展区和瞬断区两部分组成，且变形能力减弱，破坏形式向脆性破坏转变。
(2) 疲劳加载作用下，新型螺栓连接件的各项剩余力学指标均呈现不可逆的退化趋势。在本次试验中，当试件疲劳加载270万次后，剩余承载力退化12.1%，极限滑移量退化，延性系数退化67.6%，抗剪刚度退化12.9%，退化较为明显。
(3) 基于疲劳累积损伤理论和材料剩余强度模型，确定新型螺栓连接件在疲劳加载过程中的损伤度，建立了螺栓连接件的剩余承载力计算模型。通过与试验结果对比，模型计算值与本次试验值吻合良好。
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