PBL連接件抗剪承載力計(jì)算研究

周立松，黃炳生，馬千里

(南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京211816)

PBL連接件抗剪承載力計(jì)算研究

周立松，黃炳生，馬千里

(南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京211816)

分析了國(guó)內(nèi)外不同學(xué)者基于推出試驗(yàn)得出的PBL剪力連接件抗剪承載力計(jì)算公式，運(yùn)用這些公式對(duì)諸學(xué)者各自的有鋼翼緣PBL剪力連接件推出試驗(yàn)試件進(jìn)行了承載力計(jì)算。通過(guò)對(duì)比分析公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，討論各種不同抗剪承載力計(jì)算公式的適用性和準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，Verissimo和Medberry提出的計(jì)算式分別適用于孔洞中無(wú)貫穿鋼筋和有貫穿鋼筋的PBL剪力連接件。

組合結(jié)構(gòu) PBL剪力連接件 抗剪承載力 計(jì)算公式

鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)連接段是通過(guò)剪力連接件使鋼和混凝土形成一體，共同工作［1］。PBL剪力連接件(圖1)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型剪力連接件，此連接件主要是通過(guò)混凝土榫和貫通于孔中的鋼筋共同承擔(dān)剪力，與傳統(tǒng)的剪力連接件栓釘相比，PBL剪力連接件承載力高，抗疲勞性能好［2］，因而有很好的應(yīng)用前景。

圖1 PBL剪力連接件

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)PBL剪力連接件的承載力作了一些研究，并根據(jù)各自的研究成果提出了承載力計(jì)算表達(dá)式;但因試件的形式和尺寸各不相同，關(guān)注的參數(shù)各異，導(dǎo)致所提出的PBL剪力連接件的承載力計(jì)算表達(dá)式是否具有普遍適用性尚需研究。為此，本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外PBL剪力連接件推出試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)現(xiàn)有承載力表達(dá)式的適用情況和準(zhǔn)確性進(jìn)行了分析。

1 現(xiàn)有PBL連接件抗剪承載力計(jì)算公式

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)給出了各自的抗剪承載力計(jì)算式。

1)Oguejiofor和Hosain［3］承載力計(jì)算式

式中:qu為PBL剪力連接件的極限承載力;hsc為連接件的高度;tsc為連接件的厚度;fck為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度;Atr和A'tr分別為貫通鋼筋和混凝土中普通橫向鋼筋的截面面積;fy和f'y分別為貫通鋼筋和混凝土中普通橫向鋼筋的屈服強(qiáng)度;n為連接件中孔洞的個(gè)數(shù);D為連接件孔洞的直徑。

2)Medberry和Shahrooz［4］根據(jù)推出試驗(yàn)提出了一個(gè)考慮了鋼梁與混凝土板間摩擦力的PBL連接件抗剪承載力計(jì)算式

式中:b為混凝土板的厚度;h為連接件下邊緣到混凝土端部的距離;bf為型鋼翼緣的寬度;Lc為混凝土與型鋼接觸部分的長(zhǎng)度;其余符號(hào)含義同式(1)。

3)Verissimo等［5］在推出試驗(yàn)以及Oguejiofor and Hosain提出的計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，提出的PBL連接件抗剪承載力計(jì)算式為

式中:Acc為每個(gè)連接件縱向混凝土的剪切面積;其余符號(hào)含義同式(1)和式(2)。

4)Al-Darzi等［6］提出的承載力計(jì)算式為qu=255.31+7.62×10－4×hsctscfck－7.59×10－7×

式中:Asc為連接件孔洞中混凝土榫的面積;其它符號(hào)含義同式(1)。

5)胡建華等［1］依據(jù)其推出試驗(yàn)的結(jié)果，給出的PBL連接件抗剪承載力計(jì)算式為

式中:α為鋼筋影響系數(shù)，取α=1.320 125;β為橫向普通鋼筋影響系數(shù)，當(dāng)橫向普通鋼筋配筋率ρ≤0.18%時(shí)，取β=1.204 479，當(dāng)配筋率ρ＞0.18%時(shí)，取β=1.042 948;γ為混凝土影響系數(shù)，取γ= 1.951 68;Atr和A'tr分別為貫通鋼筋和混凝土中普通橫向鋼筋的截面面積;fy和f'y分別為貫通鋼筋和混凝土中普通橫向鋼筋的屈服強(qiáng)度;fc為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度;其它符號(hào)含義同式(4)。

2 現(xiàn)有PBL剪力連接件抗剪承載力公式適用性分析

2.1 孔洞中無(wú)貫穿鋼筋的PBL連接件

運(yùn)用各學(xué)者提出的PBL連接件承載力計(jì)算式，對(duì)有鋼翼緣孔洞中無(wú)貫穿鋼筋的PBL剪力連接件試件進(jìn)行了計(jì)算。試件試驗(yàn)值及各公式計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。圖2為試件試驗(yàn)值與各公式計(jì)算值的比較。

表1 無(wú)貫穿鋼筋的試件試驗(yàn)值及各公式計(jì)算值kN

圖2 孔洞中無(wú)貫穿鋼筋的試件承載力試驗(yàn)值與公式計(jì)算值比較

由表1和圖2可見(jiàn):

對(duì)國(guó)外試件，式(1)高估了PBL連接件的抗剪承載力，最大偏差為12%;對(duì)國(guó)內(nèi)試件，式(1)低估了開(kāi)孔板的抗剪承載力，最大偏差為30%。

式(2)高估了PBL剪力連接件的抗剪承載力，對(duì)C?ndido試件，偏差較小，僅為9%，且隨著孔洞數(shù)量的增加偏差逐漸減小;對(duì)Vianna試件，偏差較大，P21和P22試件分別為32%和19%。對(duì)國(guó)內(nèi)試件，式(2)均低估了PBL剪力連接件的抗剪承載力，對(duì)趙文娟的試件，偏差較小，S3和S4試件分別為6%和8%;對(duì)石宵爽的試件，偏差較大，最大偏差為36%。

式(3)計(jì)算值與各試件試驗(yàn)值相比時(shí)大時(shí)小。對(duì)C?ndido試件，式(3)計(jì)算值與試驗(yàn)值比較接近，偏差3%，但試件P4的式(3)計(jì)算值低于試驗(yàn)值。對(duì)Vianna試件，試件P21的式(3)計(jì)算值大于試驗(yàn)值，而P22試件的式(3)計(jì)算值小于試驗(yàn)值，偏差為16%和8%。對(duì)趙文娟試件，式(3)計(jì)算值低于試驗(yàn)值，偏差為6%;對(duì)石宵爽試件，試件S11A的式(3)計(jì)算值高于試驗(yàn)值，偏差為11%，試件S21A和S22A的式(3)計(jì)算值低于試驗(yàn)值，偏差為1%和2%。

對(duì)石宵爽試件，式(4)計(jì)算值高于試驗(yàn)值，這是因?yàn)槭?4)存在常數(shù)255.31，而石宵爽試件的試驗(yàn)值均低于此值。對(duì)其余試件，式(4)均低估了PBL剪力連接件的抗剪承載力，除試件P22偏差較大(達(dá)29%)，其余試件偏差均在12%之內(nèi)。

除趙文娟試件外，式(5)均高估了PBL剪力連接件的抗剪承載力，且偏差高達(dá)55%;對(duì)趙文娟試件，式(5)低估了PBL剪力連接件的抗剪承載力，偏差為22%。

2.2 孔洞中有貫通鋼筋PBL連接件

有鋼翼緣孔洞中有貫通鋼筋的PBL剪力連接件試件試驗(yàn)值與各公式計(jì)算值見(jiàn)表2。

圖3為試件試驗(yàn)值與各公式計(jì)算值的比較。

表2 有貫通鋼筋的試件承載力試驗(yàn)值及各公式計(jì)算值kN

圖3 孔洞中有貫穿鋼筋的試件試驗(yàn)值與公式計(jì)算值比較

由表2和圖3可看出:

對(duì)國(guó)外試件，式(1)均高估了連接件的抗剪承載力，最大偏差為30%。對(duì)國(guó)內(nèi)試件，趙文娟試件的式(1)計(jì)算值低于試驗(yàn)值，最大偏差為14%;而薛偉辰試件的式(1)計(jì)算值與試驗(yàn)值相比時(shí)大時(shí)小，試件Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ的式(1)計(jì)算值大于試驗(yàn)值，最大偏差為38%，試件Ⅳ，Ⅴ的式(1)計(jì)算值低于試驗(yàn)值，偏差為6%和5%。

式(2)計(jì)算值與各試件的試驗(yàn)值比較接近，除試件P12和試件Ⅲ偏差較大(分別為21%和44%)外，其余各試件的偏差均在15%以內(nèi)。由表2中Ahn J H以及薛偉辰的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)增加時(shí)，式(2)計(jì)算值與試驗(yàn)值的偏差逐漸減小。由文獻(xiàn)［12］可知，試件Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ除混凝土強(qiáng)度不同外，其他參數(shù)均相同，試件Ⅲ的試驗(yàn)值與公式計(jì)算值偏差達(dá)44%，這是由于混凝土強(qiáng)度低所致。

式(3)均高估了連接件的抗剪承載力，最大偏差達(dá)86%。由前文2.1知:利用式(3)計(jì)算孔洞中無(wú)貫穿鋼筋連接件的抗剪承載力時(shí)，其計(jì)算值與各試件試驗(yàn)值有較高的吻合度，而利用式(3)計(jì)算孔洞中有貫穿鋼筋時(shí)，式(3)計(jì)算值高于各試件試驗(yàn)值，可以確認(rèn)式(3)高估了橫向貫穿鋼筋的作用。

只有試件Ⅲ的式(4)計(jì)算值大于試驗(yàn)值，這是因?yàn)樵嚰蟪休d力較低，而式(4)存在著常數(shù)255.31。其余試件的式(4)計(jì)算值均小于各試件試驗(yàn)值，最大偏差為35%，這是因?yàn)锳l-Darzi［6］認(rèn)為橫向鋼筋對(duì)連接件的抗剪承載力影響較小，低估了橫向鋼筋對(duì)連接件抗剪承載力的貢獻(xiàn)。

式(5)均高估了連接件的抗剪承載力，最大偏差達(dá)94%，這是因?yàn)楹ㄈA高估了PBL連接件橫向鋼筋的作用。

3 結(jié)語(yǔ)

本文比較了國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)各自所做推出試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果與推導(dǎo)的各種PBL剪力連接件極限承載力計(jì)算公式的計(jì)算值，以驗(yàn)證這些計(jì)算公式的準(zhǔn)確性。發(fā)現(xiàn)由于國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出計(jì)算公式時(shí)考慮的因素不同，所以按這些公式計(jì)算得出的計(jì)算結(jié)果差別較大。通過(guò)比較可以得出:對(duì)有鋼翼緣孔洞中無(wú)貫穿鋼筋的PBL剪力連接件，由Verissimo提出的計(jì)算公式得到的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值有較高的吻合度;對(duì)有鋼翼緣孔洞中有貫穿鋼筋的PBL剪力連接件，由Medberry提出的計(jì)算公式得到的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值有較高的吻合度。

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Calculation study on shear capacity of PBL-type connector

ZHOU Lisong，HUANG Bingsheng，MA Qianli
(College of Civil Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing Jiangsu 211816，China)

T he calcutation formulas for the bearing capacity of PBL-type shear connectors were put forward based on the previous push-out tests.T he bearing shear capacity of all PBL-type shear connector push-out test specimens with the steel flange were calculated and compared.T he adaptability and accuracy of the different formulas for the bearing shear capacity of PBL-type shear connector was discussed.It indicated that the formula proposed by Verissimo and M edberry respectively can be used to predict the capacity of PBL-type shear connector with perforating bar or without perforating bar.

Composite structure;PBL-type shear connector;Shear capacity;Calculation formula

TU398+.9

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.12

1003-1995(2015)02-0043-04

(責(zé)任審編孟慶伶)

2014-03-18;

2014-07-06

江蘇省“六大人才高峰”資助項(xiàng)目(2011-JZ-007)

周立松(1988—)，男，江蘇沭陽(yáng)人，碩士研究生。