含小型粗骨料UHPC中栓钉连接件的抗剪性能

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.11.011

东北大学学报（自然科学版） ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (11): 1604-1611.DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2024.11.011

含小型粗骨料UHPC中栓钉连接件的抗剪性能

王衍¹(), 王者超², 李昌昊³, 崔鹏⁴

^1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110819
^2.东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁沈阳 110819
^3.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088
^4.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100034

收稿日期:2023-05-29 出版日期:2024-11-15 发布日期:2025-02-24
通讯作者: 王衍
作者简介:王衍（1990-），男，辽宁辽阳人，东北大学讲师
王者超（1980-），男，山东高唐人，东北大学教授，博士生导师.
基金资助:
辽宁省自然科学基金资助项目(2023BSBA103);东北大学博士后基金资助项目(01270012810282);国家自然科学基金重点资助项目(52038003)

Shear Performance of Headed Studs in UHPC Containing Small Coarse Aggregates

Yan WANG¹(), Zhe-chao WANG², Chang-hao LI³, Peng CUI⁴

^1.School of Resources & Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China
^2.Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines，Northeastern University，Shenyang 110819，China
^3.CCCC Highway Consultants Co. ，Ltd. ，Beijing 100088，China
^4.Beijing Urban Construction Design and Development Group Co. ，Ltd. ，Beijing 100045，China.

Received:2023-05-29 Online:2024-11-15 Published:2025-02-24
Contact: Yan WANG
About author:WANG Yan， E-mail： wangyan2@mail.neu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

随着钢-超高性能混凝土（ultra?high performance concrete, UHPC）轻型组合梁跨径不断增加，梁内水平剪力增幅明显，故栓钉连接件的抗剪性能设计愈加关键.通过标准推出试验研究钢-含小型粗骨料UHPC板间栓钉抗剪力学性能，揭示了标准推出试件的荷载-滑移量行为与破坏模式，提出了单钉抗剪刚度和单钉抗剪承载力计算方法.试验结果表明：推出试件破坏模式为栓钉连接件根部被剪断，推出试件破坏滑移量在0.5~1.2 mm之间，单钉极限抗剪强度为400.7 MPa.理论计算结果表明：依据现有规范，按照破坏荷载0.5倍或滑移量达到0.2 mm时，设计栓钉抗剪刚度偏安全，单钉抗剪承载力范围为95.51~129.20 kN，是试验值的62.7%~84.8%.含小型粗骨料UHPC板中栓钉连接件在设计时，抗剪刚度应考虑折减系数为0.57~0.73，承载能力无需折减.

关键词: 组合结构, 栓钉连接件, 超高性能混凝土, 抗剪刚度, 抗剪承载力

Abstract:

With the increasing span of steel-UHPC lightweight composite girders and the horizontal shear force in girders， the design of shear performance of headed studs in the lightweight composite girders becomes increasingly critical. The shear performance of headed studs between steel and UHPC with small coarse aggregates is studied via standard push?out specimens. The load?slippage behavior and failure mode of standard specimens are revealed， and the calculation methods for shear stiffness and capacity of single headed stud are proposed. Test results show that the failure mode of specimens is that the roots of headed studs are cut off. The failure slippage range of the push?out specimen is between 0.5~1.2 mm， and the ultimate shear strength of the single headed stud is 400.7 MPa. Theoretical calculation results show that according to existing design specifications， the shear stiffness is designed safely at the half failure load or the slippage of 0.2 mm. The design shear capacity of the single headed stud is calculated in the range of 95.51~129.20 kN， which was only 62.7%~84.8% of the test results. Therefore， when designing headed studs for UHPC deck panels with small coarse aggregates， the shear stiffness should consider a reduction coefficient of 0.57~0.73， and the shear capacity should not be reduced.

Key words: composite structure, headed stud, ultra?high performance concrete, shear stiffness, shear capacity

中图分类号:

U 443.37

王衍, 王者超, 李昌昊, 崔鹏. 含小型粗骨料UHPC中栓钉连接件的抗剪性能[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(11): 1604-1611.

Yan WANG, Zhe-chao WANG, Chang-hao LI, Peng CUI. Shear Performance of Headed Studs in UHPC Containing Small Coarse Aggregates[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2024, 45(11): 1604-1611.

图/表 11

图1 标准推出试验构件（单位：mm）（a）—正视图；（b）—左视图；（c）—俯视图；（d）—栓钉尺寸.

Fig.1 Standard specimen for push?out test (unit：mm)

表1 1m3常规UHPC组成成分

Table 1 Compositions of 1m3 conventional UHPC

材料名称		尺寸	质量/kg
UHPC 凝胶材料	石英砂	毫米级	848.4
	水泥	微米级	771.2
	粉煤灰	微米级	77.1
	石英粉	微米级	154.2
	硅灰	亚微米级	154
	高效减水剂	微米级	10.1
端勾型钢纤维		?0.2 mm×13 mm	157
水		微米级	168

表2 1m3含小型粗骨料UHPC组成成分 (kg)

Table 2 Compositions of 1m3 UHPC with small coarse aggregates

材料名称	UHPC凝胶材料	河沙	玄武岩	端构型钢纤维?0.2 mm×13 mm	水
质量	1 080	580	600	157	162.6

表3 UHPC基本力学性能

Table 3 Primary mechanical properties of UHPC

检验项目	试件尺寸/mm	数量	试验结果平均值
检验项目	试件尺寸/mm	数量	常规UHPC	含小型粗骨料UHPC
E_c	300×100×100	5	42.8 GPa	52.1 GPa
f_cc	100×100×100	10	143.0 MPa	151.0 MPa
f_cp	300×100×100	15	118.5 MPa	127.1 MPa
f_cf	400×100×100	15	25.2 MPa	22.4 MPa
ε_sh	515×100×100	3	402 με	200 με

表4 钢材基本力学性能

Table 4 Primary mechanical properties of steel

钢材种类	弹性模量E_s	屈服强度f_s	极限强度f_u
钢材种类	GPa	MPa	MPa
Q345钢板	206	374	521
HRB400钢筋	206	462	583
ML15栓钉	206	300	400

图2 推出试验加载布置

Fig. 2 Loading setups for push?out test

图3 推出试件破坏模式（a）—破坏形式；（b）—UHPC破坏表面.

Fig. 3 Failure mode for push?out test specimens

表5 推出试验结果

Table 5 Results of push?out test

编号	屈服荷载	屈服滑移	破坏荷载	破坏滑移
编号	kN	mm	kN	mm
N1	989	0.278	1 388	0.766
N2	922	0.257	1 146	0.928
N3	941	0.319	1 122	0.837
标准差	28.2	0.025 7	120.1	0.066 3
平均值	950.7	0.285	1 218.6	0.844

图4 推出试件荷载-滑移量曲线（a）—试件N1；（b）—试件N2；（c）—试件N3；（d）—所有试件.

Fig.4 Load?slippage curves of push?out test specimens

表6 抗剪刚度计算方法与结果

Table 6 Calculation methods and results of shear stiffness

计算方法	计算理论	含小型粗骨料UHPC中栓钉状态	单钉抗剪刚度K计算结果	应考虑的折减系数η
计算方法	计算理论	含小型粗骨料UHPC中栓钉状态	kN·mm^-1	应考虑的折减系数η
式（1）	$K = 13 d s E c f s$ ^[19]	—	763.5	—
依据F_s	取F_s的1/3倍^[21]	弹性状态	554.3	0.73
	取F_s的0.5倍^[22]	轻微塑性损伤状态	475.1	0.62
	取F_s的0.7倍^[18]	接近完全屈服状态	437.5	0.57
依据S_p	取S_p=0.2mm^[23]	轻微塑性损伤状态	483.9	0.63
	取S_p=0.5mm^[24]	完全屈服状态	280.4	0.37
	取S_p=0.8mm^[25]	完全屈服状态	193.3	0.25
	取S_p=1.0mm^[20]	完全屈服状态	171.3	0.22

表6 抗剪刚度计算方法与结果

Table 6 Calculation methods and results of shear stiffness

计算方法	计算理论	含小型粗骨料UHPC中栓钉状态	单钉抗剪刚度K计算结果	应考虑的折减系数η
计算方法	计算理论	含小型粗骨料UHPC中栓钉状态	kN·mm^-1	应考虑的折减系数η
式（1）	$K = 13 d s E c f s$ ^[19]	—	763.5	—
依据F_s	取F_s的1/3倍^[21]	弹性状态	554.3	0.73
	取F_s的0.5倍^[22]	轻微塑性损伤状态	475.1	0.62
	取F_s的0.7倍^[18]	接近完全屈服状态	437.5	0.57
依据S_p	取S_p=0.2mm^[23]	轻微塑性损伤状态	483.9	0.63
	取S_p=0.5mm^[24]	完全屈服状态	280.4	0.37
	取S_p=0.8mm^[25]	完全屈服状态	193.3	0.25
	取S_p=1.0mm^[20]	完全屈服状态	171.3	0.22

表7 抗剪承载力计算方法与结果

Table 7 Calculation methods and results of shear capacity

公式编号	参考规范	设计计算公式	计算参数说明	单钉抗剪承载力F/kN		可靠度β
公式编号	参考规范	设计计算公式	计算参数说明	设计结果	试验结果	可靠度β
式（2）	JTG/T D64-01—2015^[19]	$F S, c = 0.7 A s γ f$	$γ = 1.67; f = 215 ? M P a$	95.51	152.30	3.79
式（2）	GB 50017—2017^[20]	$F S, c = 0.7 A s γ f$	$γ = 1.67; f = 215 ? M P a$	95.51	152.30	3.79
式（3）	EC4^[18]	$F S, c = ? A s f u / γ v$	$? = 0.8; γ v = 1.25$	97.28	152.30	3.67
式（4）	AASHTO^[26]	$F S, c = ? A s f u$	$? = 0.85$	129.20	152.30	1.54
式（5）	AISC 360-10^[27]	$F S, c = η g η p A s f u$	$η g = 1.0; η p = 0.75$	114.00	152.30	2.55

表7 抗剪承载力计算方法与结果

Table 7 Calculation methods and results of shear capacity

公式编号	参考规范	设计计算公式	计算参数说明	单钉抗剪承载力F/kN		可靠度β
公式编号	参考规范	设计计算公式	计算参数说明	设计结果	试验结果	可靠度β
式（2）	JTG/T D64-01—2015^[19]	$F S, c = 0.7 A s γ f$	$γ = 1.67; f = 215 ? M P a$	95.51	152.30	3.79
式（2）	GB 50017—2017^[20]	$F S, c = 0.7 A s γ f$	$γ = 1.67; f = 215 ? M P a$	95.51	152.30	3.79
式（3）	EC4^[18]	$F S, c = ? A s f u / γ v$	$? = 0.8; γ v = 1.25$	97.28	152.30	3.67
式（4）	AASHTO^[26]	$F S, c = ? A s f u$	$? = 0.85$	129.20	152.30	1.54
式（5）	AISC 360-10^[27]	$F S, c = η g η p A s f u$	$η g = 1.0; η p = 0.75$	114.00	152.30	2.55

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Shear Performance of Headed Studs in UHPC Containing Small Coarse Aggregates

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