鋼-混組合結(jié)構(gòu)開孔板連接件力學(xué)性能研究綜述

費(fèi) 文

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

鋼-混凝土組合梁，顧名思義是由鋼梁與混凝土板通過某種連接方式組合起來的一種新型結(jié)構(gòu)，這樣組合起來可以使得兩種材料能夠共同受力和協(xié)調(diào)變形，充分發(fā)揮兩種材料各自在力學(xué)性能方面的優(yōu)點(diǎn)。鋼梁與混凝土板之間的連接方式是影響鋼-混組合梁強(qiáng)度的重要因素之一，通常將這種連接方式稱為剪力連接件。剪力連接件能抵抗鋼板和混凝土在界面處豎向分離的作用并能傳遞兩者之間的縱向剪力，使兩者成為一個(gè)整體共同工作，防止在使用過程中兩種材料之間產(chǎn)生相互滑移和剝離。因此，在一定程度上，鋼-混凝土組合梁的強(qiáng)度取決于剪力連接件的強(qiáng)度。

目前，鋼-混組合梁中常用的剪力件中，開孔板（德文Perfobond Leiste，簡(jiǎn)寫為PBL）連接件以及栓釘連接件是應(yīng)用最為廣泛的兩種剪力件，本文詳細(xì)介紹PBL連接件的相關(guān)研究成果。

1 PBL連接件簡(jiǎn)介

開孔板（PBL）剪力連接件是由Leonhardt以及Parterners公司于1987年共同研發(fā)的一種帶圓孔鋼板，可直接焊接到鋼梁翼緣上的新型連接件（簡(jiǎn)寫為PBL）。

PBL剪力連接件的構(gòu)造形式如圖1所示，一般由以下幾個(gè)部分組成：開孔鋼板、混凝土以及放在開孔鋼板之中的鋼筋（稱之為貫穿鋼筋）。與其他的連接件相比，PBL連接件有抗疲勞性能優(yōu)異、加工簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。

圖1 PBL剪力連接件的構(gòu)造形式

PBL剪力連接件的作用機(jī)理是開孔鋼板中的混凝土榫能抵抗鋼與混凝土間的豎向分離作用和縱向剪力，其呈縱向布置，與鋼梁的方向一致[1]。開孔鋼板孔中的混凝土榫可以加強(qiáng)鋼板和混凝土之間的結(jié)合，并且不會(huì)影響到混凝土中主筋和箍筋的布置，除了混凝土榫之外，還可以通過增加貫穿鋼筋來加強(qiáng)鋼板與混凝土之間的結(jié)合。由于PBL連接件承載力高，剛度大，抗疲勞性能好，且施工便捷的特點(diǎn)，近幾十年，我國修建的組合橋梁之中大多使用PBL剪力件。

2 PBL剪力件推出試驗(yàn)及抗剪承載力影響因素

一般地，對(duì)PBL連接件的研究通常使用推出試驗(yàn)和梁式試驗(yàn)來評(píng)估其抗剪能力。但是由于梁式試驗(yàn)試驗(yàn)周期長(zhǎng)以及試驗(yàn)過程繁瑣，且試驗(yàn)結(jié)果與推出試驗(yàn)相比較差，所以國內(nèi)目前關(guān)于PBL剪力連接件梁式試驗(yàn)研究較少，一般采用推出試驗(yàn)進(jìn)行研究。因此本文主要對(duì)PBL剪力連接件的推出試驗(yàn)進(jìn)行介紹和總結(jié)。最常用的剪力件極限承載力試驗(yàn)方法是推出試驗(yàn)，推出試驗(yàn)的構(gòu)件如圖2所示，構(gòu)造形式主要有H型鋼、開孔鋼板、貫穿鋼筋以及混凝土板組成。試驗(yàn)時(shí)，會(huì)將試驗(yàn)荷載施加于鋼板之上直至破壞為止，得出來的最大荷載即為該試驗(yàn)試件的極限抗剪承載力。

圖2 推出試驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

目前，PBL剪力件的推出試驗(yàn)并沒有統(tǒng)一的規(guī)范，但影響推出試驗(yàn)的因素是相同的。國內(nèi)外眾多學(xué)者通過多種試驗(yàn)對(duì)其抗剪承載力的主要影響因素進(jìn)行了研究，主要有以下幾個(gè)因素：

a）混凝土強(qiáng)度 根據(jù)宗周紅[2-4]等人對(duì)混凝土強(qiáng)度對(duì)抗剪承載力影響的相關(guān)試驗(yàn)研究得出，PBL連接件主要由混凝土榫以及貫穿鋼筋來抵抗剪力，混凝土板也對(duì)PBL連接件有約束作用。在其他條件不變的情況下，混凝土強(qiáng)度增加10%，相應(yīng)的極限抗剪承載力會(huì)增加3%至5%。

b）開孔板厚度和強(qiáng)度 根據(jù)趙晨等[5-6]對(duì)鋼板強(qiáng)度等的相關(guān)試驗(yàn)，開孔板厚度和強(qiáng)度會(huì)影響PBL連接件的破壞模式。當(dāng)鋼板強(qiáng)度較低時(shí)，鋼板屈服會(huì)首先發(fā)生；當(dāng)鋼板較薄時(shí)，混凝土榫會(huì)發(fā)生劈裂破壞，不能充分發(fā)揮混凝土的性能；當(dāng)鋼板強(qiáng)度和厚度足夠時(shí)，可以有效地約束混凝土，因此增大鋼板厚度有利于提高PBL連接件的承載力。

c）鋼板的開孔直徑 根據(jù)Zheng等[3]對(duì)鋼板開孔直徑的試驗(yàn)得出，混凝土榫的大小由孔徑的直徑直接決定，鋼板開孔直徑也會(huì)影響到混凝土粗骨料的進(jìn)入，開孔直徑太小會(huì)使得粗骨料無法進(jìn)入混凝土榫中。PBL連接件抗剪承載力隨開孔直徑增大而提高，圓孔型試件的孔徑由50 mm增加至60 mm和75 mm時(shí)，抗剪承載力分別增大約10%和30%。王濤[7]對(duì)試件試驗(yàn)得出在其余變量相同的情況下，當(dāng)鋼板開口孔徑增加20%，分別對(duì)應(yīng)極限荷載值增加40%作用，但是同時(shí)也會(huì)降低構(gòu)件的延性，使得試件呈現(xiàn)脆性破壞。

d）開孔間距（相鄰兩孔中心距離） 開孔間距較小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致孔間鋼板應(yīng)力集中致使鋼板屈服破壞；開孔間距較大時(shí)，則無法充分利用有限的開孔鋼板面積。在一定范圍內(nèi)，承載力隨開孔間距的增加而增強(qiáng)，但是增強(qiáng)效果并不明顯，開孔肋板間距增加4倍時(shí)，PBL剪力件抗剪性能僅增加6%[8]。

e）貫穿鋼筋直徑與強(qiáng)度 王濤對(duì)試件試驗(yàn)得出，當(dāng)貫穿鋼筋直徑為16 mm、20 mm和22 mm，分別對(duì)應(yīng)極限荷載值451.80 kN、624.70 kN和758.70 kN。貫穿鋼筋可提高PBL的承載力以及延性，且在使用階段和破壞階段，對(duì)提高PBL的承載力均有較大的貢獻(xiàn)[9-10]。在一定程度上，增大貫穿鋼筋的直徑可提高PBL的抗剪承載力，但如果鋼筋直徑過大可能會(huì)影響到粗骨料進(jìn)入孔中，反而會(huì)降低承載力。因此，貫穿鋼筋的直徑應(yīng)該選擇合理的范圍。

3 PBL連接件抗剪承載力計(jì)算公式

國內(nèi)外學(xué)者們?cè)诳紤]不同影響因素的情況下，通過推出試驗(yàn)得到了PBL剪力件的極限承載力計(jì)算公式。本節(jié)就國內(nèi)外文獻(xiàn)，羅列出了如下公式。

表1 PBL剪力件承載力計(jì)算公式及考慮因素

4 現(xiàn)有研究不足

盡管國內(nèi)外對(duì)開孔鋼板連接件的承載力等方面進(jìn)行了大量的研究，但開孔鋼板連接件主要通過推出試驗(yàn)研究連接件的各項(xiàng)性能，由于推出試驗(yàn)試件結(jié)構(gòu)形式不同，影響PBL剪力件極限承載能力的因素也較多，無法對(duì)全部影響因素進(jìn)行研究，對(duì)于連接件的設(shè)計(jì)未達(dá)成相關(guān)共識(shí)。因此，國內(nèi)對(duì)于開孔鋼板連接件的設(shè)計(jì)，未給出統(tǒng)一的規(guī)范。同時(shí)，受試驗(yàn)條件的限制，學(xué)者們對(duì)連接件進(jìn)行研究時(shí)，一般基于推出試驗(yàn)研究個(gè)別因素對(duì)抗剪能力的影響，通過擬合公式研究PBL剪力件極限承載能力計(jì)算公式，但是由于試件的結(jié)構(gòu)形式不一，且結(jié)構(gòu)構(gòu)造具有離散性，未形成統(tǒng)一的計(jì)算方法。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的總結(jié)，簡(jiǎn)要介紹了PBL剪力連接件的歷史來歷和基本構(gòu)造?？偨Y(jié)了國內(nèi)外文獻(xiàn)關(guān)于PBL連接件推出試驗(yàn)的極限承載力影響因素，主要從混凝土強(qiáng)度、開孔鋼板的厚度、開孔間距、開孔孔徑、開孔數(shù)目以及貫穿鋼筋的直徑進(jìn)行了討論。系統(tǒng)闡述了國內(nèi)外文獻(xiàn)得到影響PBL剪力件力學(xué)性能的相關(guān)因素，又根據(jù)影響因素從國內(nèi)外文獻(xiàn)中概括了PBL剪力連接件的抗剪承載力的計(jì)算公式，以供后續(xù)對(duì)PBL剪力連接件抗剪承載力進(jìn)行研究的研究人員提供參考。