PBL剪力鍵承載力研究綜述

譚敏

摘 要：PBL剪力鍵抗剪承載力高，因而在工程中得到了廣泛地應(yīng)用，但PBL剪力鍵承載力的試驗(yàn)方法和理論研究并沒(méi)有權(quán)威的規(guī)范定論，要形成一套統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的、全面的試驗(yàn)方法和理論規(guī)范來(lái)研究PBL剪力鍵的承載能力和傳力性能，還要需進(jìn)行大量的研究。

關(guān)鍵詞：PBL剪力鍵;承載力;研究方法;破壞模式

1 引言

對(duì)于PBL剪力鍵這一種新型的剪力連接構(gòu)件，從它被提出到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展應(yīng)用，不僅其連接形式越來(lái)越多，而且應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。由于PBL剪力鍵在抗剪承載能力以及剪力傳力性能方面具有傳統(tǒng)剪力連接件不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此國(guó)內(nèi)外有著不少學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究。但由于各國(guó)學(xué)者均是以自己的試驗(yàn)為基礎(chǔ)，得出的結(jié)論雖然在某一程度上有著相似性，然而當(dāng)PBL剪力鍵以不同的形式、尺寸、連接方式應(yīng)用于其它工程時(shí)，這些結(jié)論卻不一定能適用。因而，要形成一套統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的、全面的試驗(yàn)方法和理論規(guī)范來(lái)研究PBL剪力鍵的承載能力和傳力性能，還要需進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究。

2 研究方法

目前，對(duì)PBL剪力鍵的承載能力以及傳力性能的研究方法主要是通過(guò)試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）試驗(yàn)研究：由于PBL剪力鍵的試驗(yàn)研究目前并沒(méi)有統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法，目前大多數(shù)學(xué)者所做的試驗(yàn)一般是參照歐洲規(guī)范4提出的推出試驗(yàn)（Specific Push test），如下圖1所示，即在工字鋼翼緣兩側(cè)焊接開(kāi)孔鋼板，可在開(kāi)孔鋼板之間貫穿鋼筋來(lái)提高PBL剪力鍵承載能力，并設(shè)置箍筋，然后澆筑混凝土在工字鋼翼緣兩側(cè)形成剪力鍵，在工字鋼腹板上施加荷載直至構(gòu)件破壞。從而可以在試驗(yàn)機(jī)上得出PBL剪力鍵從施加荷載到構(gòu)件破壞的荷載-滑移曲線即P-S曲線，來(lái)分析PBL剪力鍵的受力特點(diǎn)及傳力性能，并可以從試件的破壞過(guò)程中分析引起試件破壞的主要因素。由于PBL剪力鍵的試驗(yàn)難以做到對(duì)實(shí)際工程中剪力連接進(jìn)行全部研究，只是利用部分構(gòu)件的縮放模型來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)分析，其試驗(yàn)結(jié)果具有一定的局限性，但其所得出的研究結(jié)論對(duì)工程應(yīng)用以及數(shù)值分析還是具有參考價(jià)值。

例如：在2006年修建佛山平勝大橋時(shí)，湖南大學(xué)研究生胡建華就對(duì)其鋼混結(jié)合部位的PBL剪力連接件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，該試驗(yàn)根據(jù)不同的影響因素共制作了8組24個(gè)PBL剪力鍵，分析研究了PBL剪力鍵在不同的開(kāi)孔鋼板直徑大小及個(gè)數(shù)、貫穿鋼筋的直徑大小、箍筋的配筋率對(duì)其承載能力的影響，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果為佛山平勝大橋中鋼混結(jié)合部位的PBL剪力鍵的承載能力提供了計(jì)算公式，具有實(shí)際工程意義。

2010年，西南交通大學(xué)教授李小珍、衛(wèi)星及學(xué)者肖林等對(duì)21個(gè)PBL剪力鍵試件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，該試驗(yàn)影響因素的不同共分為7組，主要研究PBL剪力鍵的極限承載能力與PBL剪力鍵的滑移量及延性系數(shù)等靜載力學(xué)之間的關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)的形容結(jié)果發(fā)現(xiàn)PBL剪力鍵的滑移量及延性系數(shù)受其承載能力的影響，PBL剪力鍵的承載能力越高，其滑移量及延性系數(shù)也隨之越大。

2007 年同濟(jì)大學(xué)的劉玉擎分別針對(duì)南寧大橋以及上海長(zhǎng)江大橋的鋼混組合部位的PBL剪力鍵進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證剪力鍵的承載能力，試驗(yàn)結(jié)果表明PBL剪力鍵承載力能夠滿足工程應(yīng)用;2009年西南交通大學(xué)的副教授衛(wèi)星及研究生肖國(guó)亮對(duì)四川綿陽(yáng)城的一座三跨雙層斜拉橋的橋塔鋼混結(jié)構(gòu)中的PBL剪力鍵進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究表明PBL剪力連接件在連接橋塔鋼混結(jié)合段具有可靠性。

（2）數(shù)值模擬：隨著社會(huì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步，各種計(jì)算機(jī)性能的提高以及各種大型通用有限元分析軟件的應(yīng)用發(fā)展，通過(guò)利用高級(jí)有限元分析軟件建立PBL剪力鍵模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬分析結(jié)果與試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，能有效提高PBL剪力鍵試驗(yàn)研究的精準(zhǔn)程度。并且可以直接采用有限元軟件模擬分析實(shí)際工程中的PBL 剪力鍵的受力情況，節(jié)約人力、物力、財(cái)力，提高經(jīng)濟(jì)效益。

最早利用有限元分析軟件對(duì)PBL剪力鍵進(jìn)行模擬分析的是外國(guó)學(xué)者Oguejiofor和Hosaintl，他們采用簡(jiǎn)化的模擬方法，將修正的混凝土剛度來(lái)代替鋼筋混凝土材料的剛度，并且在分析過(guò)程中不考慮鋼板與混凝土之間的滑動(dòng)約束，同時(shí)鋼板與混凝土之間采用共節(jié)點(diǎn)的方法進(jìn)行模擬PBL剪力鍵的受力情況;隨后科研人員Suhaib Yahya Kasim Al-Darzi在Oguejiofor和Hosaintl的模擬方法上進(jìn)行改進(jìn)，分別考慮了鋼板、鋼筋和開(kāi)孔鋼板的剛度，并引用材料的本構(gòu)關(guān)系對(duì)構(gòu)件進(jìn)行屬性設(shè)置進(jìn)行分析;中國(guó)學(xué)者肖琳、衛(wèi)星等人在原有的基礎(chǔ)上，并考慮了鋼構(gòu)件和混凝土在超過(guò)彈性階段后的非線性變化，模擬分析PBL剪力鍵的極限承載力及變形力;張清華等人在研究南京長(zhǎng)江三橋鋼混結(jié)合段的PBL剪力鍵模型中，考慮了鋼筋和混凝土的粘結(jié)一滑移關(guān)系對(duì)PBL剪力鍵極限承載能力及變形能力的影響;劉玉擎在自己的PBL剪力鍵模型中采用彈性單元接觸來(lái)約束剪力鍵之間的接觸面，此方法為有限元模擬分析PBL剪力鍵中又一種新的概念，為有限元軟件精細(xì)模擬分析PBL剪力鍵提供了新的方法?？梢?jiàn)數(shù)值模擬方法已經(jīng)得到了充分的發(fā)展。

3 破壞模式

PBL剪力鍵主要依靠開(kāi)孔鋼板中的混凝土榫來(lái)傳力，從而使鋼板與混凝土緊密連接共同受力工作，當(dāng)圓孔中插入貫通鋼筋時(shí)能進(jìn)一步加強(qiáng)兩種之間的結(jié)合作用。當(dāng)PBL剪力鍵傳力時(shí)，其受力機(jī)理主要從三個(gè)方面進(jìn)行考慮，分別是沿開(kāi)孔鋼板水平方向的縱向剪力，另一方面沿開(kāi)孔鋼板豎向方向的分離力，這兩種力主要是由開(kāi)孔鋼板孔中的混凝土榫來(lái)提供;最后一方面是由沿開(kāi)孔鋼板橫向方向的橫向剪力，這種力主要是由受壓鋼板與混凝土之間的摩擦力以及受壓鋼板與開(kāi)孔鋼板之間的焊縫連接來(lái)提供。其受力形式如下圖2所示。

由于影響PBL剪力鍵承載力的因素較多，而且PBL剪力鍵自身的構(gòu)造形式也是最主要的影響因素之一，因而當(dāng)PBL剪力鍵達(dá)到極限承載能力而破壞時(shí)，也會(huì)因主要影響因素的不同而出現(xiàn)不同的破壞模式，其破壞模式大致可以從以下4種情況考慮：

（1）當(dāng)開(kāi)孔鋼板的板厚較薄或者是孔間間距較小時(shí)，相鄰兩孔之間的鋼板會(huì)先于孔中的混凝土破壞，這種是由于鋼板被剪斷而起的破壞模式稱為剪切破壞。

（2）當(dāng)開(kāi)孔鋼板板厚不足，混凝土強(qiáng)度等級(jí)較低時(shí)，孔中混凝土?xí)扔诳组g的鋼板破壞，這種破壞模式稱為割裂破壞。

（3）當(dāng)開(kāi)孔鋼板過(guò)厚，且開(kāi)孔直徑較大時(shí)，混凝土由于其材料特性的原因，即抗剪強(qiáng)度低于抗壓強(qiáng)度，孔中的混凝土?xí)霈F(xiàn)剪切破壞。

（4）當(dāng)在開(kāi)孔鋼板的孔中設(shè)置貫通鋼筋加孔中強(qiáng)混凝土的橫向約束時(shí)，其最終破壞以孔中的混凝土超過(guò)彈性階段，直至貫穿鋼筋屈服或混凝土被壓碎為破壞標(biāo)志，這種破壞模式稱為壓縮破壞。

從以上闡述的四個(gè)面可知，PBL剪力鍵的破壞會(huì)因不同的影響而出現(xiàn)不同的破壞模式，由于其失效的標(biāo)準(zhǔn)也很難確定，所以PBL剪力的破壞模式也不可一概而論。在這個(gè)問(wèn)題方面，有許多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究探討，主要形成了以下兩種觀點(diǎn)：一是以混凝土的劈裂破壞為PBL剪力鍵破壞的標(biāo)志。這種觀點(diǎn)主要是從混凝土的強(qiáng)度方面來(lái)考慮，由于混凝土的抗壓強(qiáng)度大于其劈裂強(qiáng)度，而且PBL剪力鍵正常使用階段的破壞模式均由混凝土的劈裂破壞引起的，因而以混凝土的劈裂破壞為PBL剪力鍵的破壞標(biāo)志;另一種觀點(diǎn)認(rèn)為應(yīng)以孔中貫穿鋼筋的屈服為破壞標(biāo)志。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PBL剪力鍵孔中混凝土出現(xiàn)劈裂破壞時(shí)，PBL剪力鍵還能繼續(xù)承載直至混凝土被壓碎或者貫穿鋼筋屈服，因而研究人員認(rèn)為PBL剪力鍵應(yīng)當(dāng)以貫穿鋼筋處于屈服狀態(tài)時(shí)才會(huì)喪失承載能力。但以上兩種的判定模式具有其不足的方面，第一種觀點(diǎn)忽略了PBL剪力鍵在非彈性階段的承載能力，使PBL剪力鍵的承載力得不到有效的發(fā)揮;而第二種觀點(diǎn)又無(wú)法避免PBL剪力鍵孔中的混凝土在貫穿鋼筋屈服前出現(xiàn)劈裂破壞的現(xiàn)象，缺乏安全儲(chǔ)備。因而，為了在兩種觀點(diǎn)之間找到平衡點(diǎn)，又有學(xué)者提出了新的觀點(diǎn)，即考慮PBL剪力鍵的塑性性能，以期望能解決這一問(wèn)題，得出新的結(jié)論。

4 PBL剪力鍵承載力影響因素分析

根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者所做的研究成果發(fā)現(xiàn)，PBL剪力鍵承載力受多種因素的影響，現(xiàn)就幾個(gè)主要因素進(jìn)行分析如下：

（1）混凝土的強(qiáng)度等級(jí)：混凝土是PBL剪力鍵的重要組成部分，內(nèi)應(yīng)力的傳遞需要直接通過(guò)孔中的混凝土榫來(lái)傳遞，因而混凝土的強(qiáng)度等級(jí)能直接影響PBL剪力鍵的承載能力，研究表明，PBL剪力鍵的承載能力會(huì)隨混凝土的強(qiáng)度等級(jí)的提高而增大。

（2）開(kāi)孔直徑：開(kāi)孔直徑的大小決定了混凝土榫的抗剪面積，在一定的開(kāi)孔直徑內(nèi)，增大開(kāi)孔鋼板的開(kāi)孔直徑，混凝土榫的抗剪面積也隨之增大，因而PBL剪力鍵所能承受的剪應(yīng)力也就越大。

（3）貫穿鋼筋：貫穿鋼筋能夠有效約束孔中混凝土榫的受力狀態(tài)，使之處于三向約束的狀態(tài)，當(dāng)混凝土受力超過(guò)彈性階段后，貫穿鋼筋還能繼續(xù)承載，以貫穿鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度或混凝土被壓碎為破壞標(biāo)志，從而能有效提高PBL剪力鍵的承載能力，剪力鍵的承載能力能隨著貫穿鋼筋的強(qiáng)度以及直徑的增大得到進(jìn)一步的提升。

（4）開(kāi)孔鋼板厚度：通過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，開(kāi)孔鋼板的厚度以PBL剪力鍵承載力具有一定的正相關(guān)性，開(kāi)孔鋼板越厚，孔內(nèi)混凝土榫的受壓面積越大，PBL剪力鍵的承載能力也就越強(qiáng)。

（5）開(kāi)孔間距。從相關(guān)的試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)開(kāi)孔間距過(guò)小時(shí)，相鄰兩孔之間的鋼板會(huì)在孔中的混凝土被破壞前剪斷，使PBL剪力鍵的承載能力得不到有效的發(fā)揮，因鋼板被剪斷而起的破壞模式稱為剪切破壞。隨著開(kāi)孔間距的增加，PBL剪力鍵的承載能力也隨之增加，直到每個(gè)孔所能承受的承載力達(dá)到與單孔剪力鍵的承載力后，開(kāi)孔間距對(duì)PBL剪力鍵的承載能力將不會(huì)有所影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，目前研究PBL剪力鍵承載能力的方式主要有兩種：一是試驗(yàn)研究;二是數(shù)值模擬。隨著有精細(xì)有限元分析軟件數(shù)值模擬方法的發(fā)展，數(shù)值模擬方法有望在將來(lái)代替試驗(yàn)研究，成為主流的研究方法。

根據(jù)PBL剪力鍵喪失承載力時(shí)構(gòu)件內(nèi)主要的破壞因素的不同，PBL剪力鍵的破壞模式可以分為剪切破壞、割裂破壞、壓縮破壞這三種破壞模式。由于PBL剪力鍵承載力受多種因素的影響，當(dāng)PBL剪力鍵處于不同的受力階段時(shí)，各因素對(duì)其效果的影響不同。如何能充分利用PBL剪力鍵的塑性性能，還需結(jié)合構(gòu)件的實(shí)際受力情況，針對(duì)承載力影響的主要因素去詳細(xì)的分析研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖林，強(qiáng)士中，李小珍，衛(wèi)星等.考慮開(kāi)孔鋼板厚度的PBL剪力鍵力學(xué)性能研究[J].工程力學(xué)，2012（08）.

[2]肖林，衛(wèi)星，強(qiáng)士中.兩類PBL剪力鍵推出試驗(yàn)的對(duì)比研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2013（11）.

[3]賀紹華，方志，張龍，李谷，劉明.混合梁鋼-混結(jié)合段PBL剪力鍵的受力性能研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2015（10）.

[4]王濤，方淑君.PBL剪力鍵靜承載能力試驗(yàn)研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016（06）.