鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)中PBL剪力連接件極限承載力比較

林 云，王清遠

(四川大學建筑與環(huán)境學院，四川成都610065)

鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)，是鋼部件和混凝土或混凝土部件組合成為整體而共同工作的一種結(jié)構(gòu)，具有鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的一些共同性能。而在組合結(jié)構(gòu)中，鋼構(gòu)件和混凝土構(gòu)件是利用剪力連接件來共同工作的。所以，在組合結(jié)構(gòu)中，首先要考慮的就是剪力連接件的力學性能。較為常用的剪力連接件是栓釘剪力連接件，但是由于PBL剪力連接件具有比其他傳統(tǒng)連接件更好的力學性能，因此PBL剪力連接件的應用越來越廣泛。而剪力連接件最關(guān)心的就是其極限承載力，下文通過對比國內(nèi)外不同學者的極限承載力公式，給出幾點PBL剪力連接件進一步研究的建議。

1 PBL剪力連接件簡介

PBL剪力連接件基本形式是在鋼板上開孔后澆注混凝土，利用穿過孔中的混凝土榫來抵抗剪力流;或者在孔中穿過鋼筋。這種結(jié)構(gòu)最先是由德國E·F·Leonhardt(1987年)教授開發(fā)出來的。后經(jīng)各國學者不斷地研究和創(chuàng)新，又產(chǎn)生了很多不一樣的PBL剪力連接件。比如，Twin－PBL剪力連接件和S－PBL+栓釘剪力連接件等。

2 國外主要PBL剪力連接件計算公式

1987年，Leonhardt等人最先提出PBL剪力連接件的概念，他們基于設有貫通鋼筋試件的試驗結(jié)果，認為PBL剪力連接件的主要破壞形式是混凝土榫的剪切破壞，所以在他們提出的計算公式中并不直接反應貫通鋼筋的影響，并提出如下的計算公式:

Oguejiofor和Hosain利用梁上375mm長的剪力鍵進行試驗，得出剪力鍵破壞是因為混凝土板沿著連接線劈裂所致。PBL剪力鍵的承載力是由鋼板外混凝土、橫向普通鋼筋和混凝土榫共同控制。他們考慮了很多的物理因素，并給出了以下計算公式:

式中:Ac是連接器平面中混凝土的面積;Atr是橫向普通鋼筋的面積;Abs是混凝土榫的受剪面積。

Oguejiofor和Hosain(1996)隨后又進行了試驗，并對結(jié)果進行回歸分析，提出了一個新的公式，這個公式與之前他們提出的公式差別不大，只是改變了相關(guān)系數(shù)。

式中:Ac是混凝土的剪切面積;Atr是通過孔洞的橫向鋼筋的面積。

Nishiumi等人(1999)則把貫通鋼筋的影響看成是側(cè)面的約束力，根據(jù)試驗中的貫通鋼筋的應變大小，觀察到達到最大承載力時鋼筋都已屈服這一現(xiàn)象，為此把鋼筋屈服時的作用力看成是最大承載力時的約束力。并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)建立了抗剪強度與側(cè)面約束強度的回歸曲線，得出了下面的公式。

式中:Ac是圓孔的面積;As是貫通鋼筋的面積。

Hosaka等人(2002)認為貫通鋼筋的影響較大，應該加以考慮，所以PBL剪力鍵的承載力由混凝土榫和孔洞中的貫通鋼筋共同控制，并將試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析提出了如下的計算公式。

后來，Oguejiofor和Hosain又進行了更多的試驗并給出了一個新的計算公式，這個公式能夠更好的量化剪力鍵的抗剪能力，并且在公式的第一部分考慮了剪力鍵的端部承壓強度。

式中:h和t分別為PBL鍵鋼板高度和厚度;Atr是通過孔洞的橫向鋼筋的面積。

歐洲規(guī)范4(Ecrocade4)(2007)通過對各國大量的試驗資料進行統(tǒng)計分析，取平均值減去2倍標準差的下限作為PBL剪力鍵的極限承載力，給出了以下的計算公式。

(1)無貫通鋼筋時

以上公式中，Qu是極限承載力;fc是混凝土的立方體抗壓強度;f'c是混凝土圓柱體抗壓強度;ft是混凝土的軸心抗拉強度設計值;d是孔洞直徑;ds是橫向貫通鋼筋的直徑;n是孔洞個數(shù)。

3 國內(nèi)主要PBL剪力連接件計算公式

福州大學的宗周紅等人(1999)共進行了9只栓釘連接件和6只帶孔鋼板連接件的疲勞和靜載破壞試驗研究，并利用試驗結(jié)果分析各參數(shù)對承載力的影響，首次考慮了混凝土類型的影響，并建立了如下的計算公式。

式中:α1為混凝土類型的影響系數(shù)，普通混凝土取1.0，鋼纖維混凝土取1.25;α2為橫向鋼筋的位置影響系數(shù)，通常情況下取1.0，當與受剪相反方向的橫向鋼筋較多時取1.5;β1、β2為回歸系數(shù);分別取0.0029和0.75;Ac為混凝土縱向面積減去鋼板面積;Atr、fy為橫向鋼筋的總面積和屈服強度。此公式還能應用于計算栓釘?shù)臉O限承載力，具體見文獻[6］。

湖南大學的胡建華等人(2006)設計制作了15組不同的PBL試件共44個，完成了極限承載力試驗，并指出連接件的破壞模式是剪切破壞，其抗剪承載力由鋼筋(包括貫通鋼筋和橫向普通鋼筋)和混凝土榫兩部分共同提供，明確區(qū)分了橫向普通鋼筋和貫通鋼筋的作用，并推導出如下計算公式。

式中:Q'u為單孔極限承載力;Atr、A'tr分別為貫通鋼筋和橫向普通鋼筋的面積;fy、f'y分別是貫通鋼筋和橫向普通鋼筋的屈服強度;Ac為混凝土榫的面積;α為鋼筋影響系數(shù)，取1.320125;β為橫向普通鋼筋的影響系數(shù)，當配箍率ρ≤0.18%時，取 1.204479，當 配 箍 率 ρ＞0.18%時，取1.042948;γ為混凝土榫影響系數(shù)，取1.95168。

西南交通大學的張清華等人(2007)為了使剪力鍵的計算公式物理意義更加明確，通過大量的試驗數(shù)據(jù)并進行回歸分析提出了如下PBL剪力鍵極限承載力計算公式。

剪力鍵中貫通鋼筋延性破壞時，

剪力鍵中貫通鋼筋脆性破壞時，

式中:Vcu和Vsu分別為剪力鍵中混凝土榫和鋼構(gòu)件部分所承擔的承載力;α1和α2分別為混凝土類型的影響系數(shù)和橫向鋼筋影響系數(shù)，通常情況下都取1.0;β1和β2均為回歸系數(shù);μ1和μ2分別為混凝土榫和貫通鋼筋的破壞類型系數(shù)，延性破壞時，μ1=μ1=1.0，脆性破壞時，μ1=1.6，μ2=1.2;fu為鋼筋的極限強度。此公式還能應用于計算多個剪切面以及栓釘?shù)臉O限承載力，具體見文獻[9］。

4 結(jié)束語

綜上所述，有以下幾點建議供今后進一步進行PBL剪力連接件試驗研究參考。

(1)國內(nèi)外到目前為止沒有形成完整的規(guī)范來指導PBL剪力連接件的試驗，并且由于各個研究人員采用的試驗形式不盡相同，導致了各自的計算公式也不相同。為了使PBL剪力鍵更加廣泛地應用于組合結(jié)構(gòu)中，應該盡快規(guī)范PBL剪力鍵試驗的試件規(guī)格和試驗方法。

(2)國內(nèi)外目前大部分研究人員都是利用試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析后得出與自己的試驗結(jié)構(gòu)基本一致的計算公式;而只有少部分研究人員采用ANSYS等有限元軟件進行模擬。所以有關(guān)PBL剪力連接件的有限元分析是值得深入研究的方面。

(3)PBL連接件的靜載試驗研究較多，而有關(guān)疲勞性能的研究較少。以后應加大其疲勞性能的研究。

[1]聶建國，劉明，葉列平．鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)[M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005

[2]Leonhardt E F，Andrae W，Andrae H P，et al．Neues vorteilhaftes verbundmittel fur stahlverbundtragwerke mihoher Dauerfestirkeit[J］．Beton und Stahlbetonbau1987，82(12):325－331(in German)

[3]劉玉擎，曾明根，陳艾榮．連接件在橋梁結(jié)構(gòu)中的應用與研究[J］．哈爾濱工業(yè)大學學報，2003，35(8):272－275

[4]Oguejiofor E C，Hosain M U．Numerical analysis of push－out specimens with perfobond rib connectors[J］．Computer＆Structures，1996，62(4):617－624

[5]Valente I，Paulo J S．Cruz．Experimental analysis of Perfobond shear connection between steel and lightweight concrete[J］．Journal of Constructional Steel Research，2004，60:465－479

[6]Eurocade4，Design of Composite Steel and Concrete Structures[S］．BSI，London，1994

[7]宗周紅，車惠民．剪力連接件靜載和疲勞試驗研究[J］．福州大學學報(自然科學版)，1999，27(6):61－66

[8]胡建華，葉梅新，黃瓊．PBL剪力連接件承載力試驗[J］．中國公路學報，2006，19(6):65－72

[9]張清華，李喬，唐亮．橋塔鋼－混凝土結(jié)合段剪力鍵破壞機理及極限承載力[J］．中國公路學報，2007，20(1):85－90