開孔板連接件力學(xué)性能研究綜述

周 陽， 么超逸

(1.成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 四川 成都 610106; 2.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司， 北京 100088)

0 引 言

鋼和混凝土是各類工程建設(shè)中最主要的兩種建筑材料，而鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)或鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)，充分利用兩種材料的優(yōu)勢，形成受力更合理的結(jié)構(gòu)體系，而受到設(shè)計者們的喜愛[1].鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)利用了混凝土的抗壓強度性能和鋼的抗拉強度性能，以增加結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力.鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)是在梁的長度方向，將鋼梁和混凝土梁通過鋼—混結(jié)合段將兩者結(jié)合在一起，在大型橋梁的主梁和橋塔中得到廣泛應(yīng)用[2-4].鋼—混凝土組合梁和混合梁中鋼結(jié)構(gòu)和混凝土的內(nèi)力傳遞主要依靠剪力鍵的作用，因此剪力鍵的設(shè)計是兩種結(jié)構(gòu)能否協(xié)同工作、可靠傳力的關(guān)鍵.目前，應(yīng)用較廣的剪力連接件是剪力釘和開孔板連接件(Perfobond leiste，PBL)[5-6].剪力釘以其布置不受受力方向的限制且施工工藝成熟等特點，一直備受工程界的喜愛，相關(guān)規(guī)范中對其承載能力也列出了相應(yīng)的計算公式.相較于剪力釘，PBL剪力鍵具有承載能力高、抗疲勞性能好等優(yōu)點，近年來得到了廣泛的應(yīng)用[7-8].

1 PBL剪力鍵簡介

圖1組合結(jié)構(gòu)中PBL剪力鍵示意圖

在鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)中，如圖1(a)中的結(jié)構(gòu)形式，若未設(shè)貫穿鋼筋，開孔鋼板孔洞中形成的混凝土榫起主要傳剪作用，并防止鋼和混凝土結(jié)構(gòu)之間分離；若設(shè)貫穿鋼筋，由貫穿鋼筋和混凝土榫承擔(dān)鋼結(jié)構(gòu)和混凝土板之間的剪力，則可提高剪力鍵的抗剪承載能力.圖1(b)中的Twin-PBL剪力連接件相較于單個PBL剪力鍵，多設(shè)立一塊開孔鋼板，不僅可以增加抗扭剛度，還可以提高剪力鍵的整體性能和承載能力[13-14].

對于鋼—混混合結(jié)構(gòu)，一般鋼—混結(jié)合段傳遞的剪力較鋼—混組合結(jié)構(gòu)大，故PBL剪力鍵布置數(shù)量也更多.例如主梁鋼—混結(jié)合段，一般采用承壓板—有格室式構(gòu)造，在格室隔板上開孔，并貫穿鋼筋構(gòu)成PBL剪力鍵，圖2為一典型格室構(gòu)造[15-16].

圖2鋼—混結(jié)合段典型格室

2 PBL剪力鍵推出試驗方法

對PBL剪力鍵的研究方法主要為推出試驗和梁試驗，而推出試驗結(jié)果較梁試驗結(jié)果保守.所以，目前對PBL剪力鍵力學(xué)性能的研究主要依靠推出試驗，由于各國規(guī)范中沒有對PBL剪力鍵的推出試驗作出統(tǒng)一規(guī)定，并且在實際工程應(yīng)用中，PBL剪力鍵構(gòu)造參數(shù)等均有差異，導(dǎo)致其推出試驗試件構(gòu)造各異，并未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).由于影響PBL剪力鍵力學(xué)性能的因素多，試件采用的材料、構(gòu)造尺寸等不盡相同，導(dǎo)致推出試驗結(jié)果差異較大，缺乏可比性.因此，本研究在以往推出試驗的基礎(chǔ)上，對PBL剪力鍵的靜力及疲勞性能進行歸納和整理，為進一步研究及工程應(yīng)用作參考.

根據(jù)PBL剪力鍵在鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)中的構(gòu)造形式，目前推出試驗結(jié)構(gòu)構(gòu)造可以分為3種，具體如圖3所示.在鋼—混組合梁中，PBL剪力鍵不僅要傳遞剪力，還要防止鋼梁和混凝土梁之間的掀離，所以一般采用如圖3(a)所示的A類構(gòu)造.圖3(b)為B類構(gòu)造是在A類構(gòu)造基礎(chǔ)上，兩側(cè)各增加一塊開孔板件，適用于Twin-PBL剪力鍵的推出試驗研究.在鋼—混凝土接頭中，PBL剪力鍵的開孔隔板、貫穿鋼筋由澆筑的混凝土完全包裹住，不能起到防止掀離的作用，同時，PBL剪力鍵傳遞荷載也較大，故設(shè)計參數(shù)中開孔隔板厚度、開孔孔徑、貫穿鋼筋直徑等也較大，所以一般采用圖3(c)所示的C類推出試驗構(gòu)造.

圖3 PBL剪力鍵的推出試驗構(gòu)造圖

3 PBL剪力鍵靜力行為研究

3.1 PBL剪力鍵構(gòu)造參數(shù)研究

PBL剪力鍵由開孔鋼板、混凝土及貫穿鋼筋組成，研究表明，其承載能力與其構(gòu)造參數(shù)相關(guān)，包括開孔鋼板的厚度、開孔鋼板孔徑、開孔的孔洞數(shù)、混凝土的強度、貫穿鋼筋的直徑、貫穿鋼筋強度等因素.表1～表3分別為PBL剪力鍵3種構(gòu)造形式的試驗研究數(shù)據(jù)[17-26].

3.1.1 構(gòu)造形式的影響

根據(jù)表1～表3可以獲得，構(gòu)造參數(shù)相似但構(gòu)造形式不同的PBL剪力鍵的極限承載能力.Ahn等[18]的試驗研究表明，B類構(gòu)造中Twin-PBL剪力鍵(單孔)的抗剪承載能力是A類構(gòu)造PBL剪力鍵的84%～89%.肖林等[19]對相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的C類構(gòu)造PBL剪力鍵承載為A類構(gòu)造PBL剪力鍵(已折算為單孔PBL剪力鍵)承載力的3.3～4.69倍，可見，C類構(gòu)造承載遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A類構(gòu)造.

表1 PBL剪力鍵A類構(gòu)造推出試驗研究數(shù)據(jù)

表2 PBL剪力鍵B類構(gòu)造推出試驗研究數(shù)據(jù)

劉玉擎等[22]和趙晨等[24]的研究顯示，表2中20～21試件采用B類構(gòu)造和表3中8～9試件采用A類構(gòu)造，分別對開孔孔徑為60 mm、75 mm的PBL剪力鍵進行推出試驗研究，結(jié)果表明兩者承載能力接近.

由此可見，三類構(gòu)造中就單孔PBL剪力鍵而言，C類構(gòu)造承載力最高，B類構(gòu)造承載能力稍低于A類構(gòu)造的承載能力.所以，在鋼—混結(jié)合段中PBL剪力鍵承載能力較高，在鋼—混組合梁中可以增加開孔肋板，形成Twin-PBL剪力鍵形式以增加承載能力.

表3 PBL剪力鍵C類構(gòu)造推出試驗研究數(shù)據(jù)

3.1.2 混凝土的影響

對于A類構(gòu)造，Oguejiofor等[17]和Ahn等[18]的推出試驗研究表明，在其他參數(shù)保持不變情況下，PBL剪力鍵的極限承載能力隨混凝土強度增加而增大，例如表1中2試件混凝土強度約為1試件的2倍，極限承載能力也增大47.6%；7試件較4試件的混凝土強度增大了85.2%，極限承載能力增大了28.3%.對于C類構(gòu)造，表3中研究者肖林等[19]對構(gòu)造參數(shù)相同，混凝土強度等級分別為C50和C30的5試件和7試件進行推出試驗研究，兩者相較混凝土強度增大61.2%，試件的極限承載能力增大29.6%.

針對混凝土不同澆筑方式對PBL剪力鍵承載能力的影響，劉玉擎等[22]通過推出試驗分析了PBL剪力連接鍵處于正立、側(cè)立、倒立狀態(tài)時連接鍵的承載能力(見表2中7～9試件)，試驗結(jié)果表明，混凝土的澆筑方向的不同對PBL剪力鍵的承載能力影響較小.

3.1.3 開孔板的影響

根據(jù)表2中的歸類，2試件和4試件在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，開孔板開孔直徑由40 mm增加到60 mm時，其承載能力增加42.4%[21].表2中19～21試件和表3中8～9試件，PBL剪力鍵的承載能力與孔中混凝土的抗剪面積成正比，隨孔徑增大而增大.PBL剪力鍵承載能力受貫穿鋼筋和孔內(nèi)混凝土榫的影響，在貫穿鋼筋直徑不變情況下，增大開孔直徑，則孔內(nèi)混凝土榫面積增大，則PBL剪力鍵承載能力增加[19].B類構(gòu)造包含兩片平行的開孔鋼板，所以兩片開孔板布置的相對位置即間距也是影響該類構(gòu)造PBL剪力鍵承載能力因素之一.在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，改變兩片開孔板間距，進行Twin-PBL剪力鍵推出試驗研究[18，23].表2中16～18試件，顯示了開孔肋板間距和肋板高度之比為0.5、1.0、2.0的情況下Twin-PBL剪力鍵承載能力，試驗表明，Twin-PBL剪力鍵承載能力隨著肋板間距增加而增加，但是影響較小，開孔肋板間距和肋板高度之比由0.5增大到2.0，Twin-PBL剪力鍵承載能力僅增加6%.

年輕組患者的血脂異常、吸煙和冠心病家族史所占的比例明顯要高于對照組患者,只有原發(fā)性高血壓和糖尿病的比例要低于對照組患者(見表1)。年輕組患者中有明顯誘發(fā)因素的有26例(86.7%),其中過度勞累有9例(30.0%),情緒異常有6例(20.0%),大量飲酒有5例(16.7%),短時間內(nèi)大量吸煙有3例(10.0%),長時間熬夜有3例(10.0%)(見表2)。

3.1.4 貫穿鋼筋的影響

研究表明，PBL剪力鍵的承載能力與貫穿鋼筋和開孔鋼板孔洞中填充的混凝土形成的混凝土榫性能密切相關(guān)，表1中11～14試件[20]，表2中1～5試件，表3中1～4試件[25]顯示了有無貫穿鋼筋和不同貫穿鋼筋直徑的PBL剪力鍵承載能力.

對于A類構(gòu)造，表1中11～14試件對有無貫穿鋼筋的PBL剪力鍵的承載能力進行了研究，在相同構(gòu)造參數(shù)情況下，增加直徑為Φ14 mm的鋼筋，其承載能力較無貫穿鋼筋時分別增加18.2%和24.4%；14～15試件將鋼筋直徑從Φ14 mm增加到Φ20 mm，其承載能力增大了28.9%，但當(dāng)鋼筋直徑增加至Φ25 mm時，其承載能力有所降低.同理，對于B類和C類構(gòu)造，表2中3～5試件，從不設(shè)貫穿鋼筋到分別增設(shè)Φ14 mm和Φ20 mm的貫穿鋼筋，承載能力分別提高69.2%和151.9%；表3中1～4試件為無貫穿鋼筋和貫穿鋼筋直徑分別為Φ16 mm、Φ20 mm、Φ25 mm PBL剪力連接件，相較于無貫穿鋼筋試件，后者承載能力分別提高24.3%、53.3%、131%.

綜上所述，增設(shè)貫穿鋼筋，可以明顯提高PBL剪力鍵的承載能力，在一定范圍內(nèi)增大貫穿鋼筋的直徑，即增大受剪鋼筋的面積，PBL剪力鍵承載能力也會有顯著提高.但是，若貫穿鋼筋直徑過大，則會阻礙鋼筋和鋼板孔洞間隙中混凝土骨料的進入，混凝土榫部分的承載能力將會降低，從而降低了PBL剪力鍵的承載能力.

由于在施工過程中貫穿鋼筋很難保持在正中心的位置，以貫穿鋼筋在孔洞中的位置作為變化參數(shù)對PBL剪力鍵承載能力進行研究，見表3中10～17試件.試驗結(jié)果表明，改變貫穿鋼筋的位置，即當(dāng)貫穿鋼筋處于孔洞上、中、下位置時，PBL剪力鍵的承載能力變化幅度在7.9%內(nèi)，說明貫穿鋼筋位置對PBL剪力鍵承載能力影響較小[26].

3.2 承載能力計算公式

目前，PBL剪力鍵主要靠推出試驗獲得其極限承載能力，但是推出試驗構(gòu)造形式有所不同，影響PBL剪力鍵極限承載能力的因素也較多.學(xué)者們基于不同影響因素，利用推出試驗提出了PBL剪力鍵極限承載能力計算公式，但是由于試驗設(shè)計不一，且結(jié)構(gòu)構(gòu)造具有離散性，并未形成統(tǒng)一的計算方法.目前，國內(nèi)外一些研究機構(gòu)提出的PBL剪力鍵的計算方法[27-28]見表4所示.

表4 PBL剪力鍵承載能力計算公式

4 PBL剪力鍵疲勞性能研究

Leonhardt等[29]分別設(shè)計和制作栓釘和PBL剪力鍵的推出試驗?zāi)Ｐ?，對兩種連接件的疲勞性能進行對比試驗分析，結(jié)果表明，在40%的極限荷載作用下，經(jīng)過200萬次的循環(huán)作用后，栓釘滑移量較PBL剪力鍵高很多，前者達1.5 mm，后者僅0.14 mm，與栓釘相比，PBL剪力鍵具有良好的抗疲勞性能.平陽兵等[30]通過試驗對比PBL剪力鍵和剪力釘?shù)目蛊谛阅?，也得出了同樣的結(jié)論，即PBL剪力鍵的抗疲勞性能遠(yuǎn)優(yōu)于剪力釘，且在同等試驗環(huán)境下，經(jīng)疲勞試驗后，PBL剪力鍵的相對滑移量也遠(yuǎn)小于剪力釘.

此外，宗周紅等[28]對6只帶孔鋼板連接件和9只栓釘連接件進行靜力和疲勞加載，在200萬次疲勞加載后進行破壞試驗加載，試驗結(jié)果表明帶孔鋼板的承載力及抗疲勞性都優(yōu)于栓釘連接件.歐陽雯欣等[31]以0.1的試驗應(yīng)力比對6個PBL剪力鍵推出試驗進行疲勞加載.試驗結(jié)果表明，隨著疲勞加載次數(shù)的增加，PBL剪力鍵殘余變形量增大，說明其延性減弱.開孔板孔徑增大，則形成的混凝土榫面積增大，PBL剪力鍵的疲勞性能更佳.

另外，衛(wèi)星與肖林等[32-33]以開孔孔徑、鋼板厚度及貫穿鋼筋直徑作為影響參數(shù)，設(shè)計并制作了6組24個PBL剪力鍵推出試驗?zāi)Ｐ?，研究其在不同荷載反復(fù)作用下的疲勞性能.結(jié)果表明，試件的疲勞破壞形式為混凝土板的開裂，當(dāng)疲勞荷載比(疲勞荷載與設(shè)計承載力比值)不超過80%，即疲勞荷載不超過極限承載能力的57.6%時，推出試件都具有200萬次以上的疲勞壽命，部分試件在加載至350萬次后仍未見明顯損傷，說明PBL剪力鍵具有良好的抗疲勞性能.研究的三種結(jié)構(gòu)參數(shù)都對PBL剪力鍵的抗疲勞性能有一定影響.汪炳等[34-35]設(shè)計并制作9個PBL剪力鍵，其中3個采用靜力加載，其余6個采用疲勞加載，并以疲勞荷載比(即疲勞荷載峰值與極限承載力的比值)和疲勞加載次數(shù)為參數(shù)變量，以考察疲勞荷載后剪力鍵的力學(xué)退化性能.結(jié)果表明，疲勞荷載比對PBL剪力鍵的剩余承載能力影響較大，300萬次疲勞加載以后進行靜力加載，荷載比為0.5、0.6、0.7的試件極限承載力分別為初始承載力的98.3%、86.6%、76.1%，且在荷載比相同的情況下(0.6)，連接件的承載能力隨疲勞荷載次數(shù)的增加呈現(xiàn)出先慢后快的非線性退化趨勢.

5 結(jié) 語

相關(guān)研究顯示，影響PBL剪力鍵力學(xué)性能的因素較多，包括構(gòu)造形式、混凝土強度、開孔板孔徑、板厚、貫穿鋼筋直徑等等.由于目前沒有形成完整的規(guī)范以指導(dǎo)對PBL剪力鍵的研究，導(dǎo)致推出試驗構(gòu)造形式各異，試驗成果沒有得到有效地應(yīng)用.本研究建議應(yīng)盡快完善PBL剪力鍵試驗方法及相關(guān)規(guī)范.同時，鑒于國內(nèi)外學(xué)者針對PBL剪力鍵的疲勞性能雖然開展了一定的研究，但研究成果有限.因此，應(yīng)加強對影響剪力鍵疲勞的因素及理論基礎(chǔ)的研究.尤其是在疲勞加載后，PBL剪力鍵的力學(xué)退化性能尚需進一步深入研究.目前，在許多大型橋梁主梁鋼—混結(jié)合段和主塔鋼—混結(jié)合段中，多采用剪力釘和PBL剪力鍵混合使用的形式，關(guān)于兩者協(xié)同作用能力及傳力機理的研究卻鮮有涉及，需增強剪力釘和PBL剪力鍵共同作用下的試驗研究.雖然，相關(guān)研究表明，增大開孔孔徑，可以增加混凝土榫的面積，從而增大PBL剪力鍵的承載力.但目前PBL剪力鍵推出試驗孔徑都在Φ60 mm及其以下，缺乏對大孔徑PBL剪力鍵的研究，后續(xù)研究可以考慮大孔徑PBL剪力鍵(開孔孔徑Φ60 mm以上)的推出試驗研究.