UHPC中PBL剪力鍵力學(xué)性能試驗研究

肖 林，廖 軒，衛(wèi) 星，陳 飛

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

PBL剪力鍵是鋼-混組合橋梁中使用的主要剪力連接件形式之一，因彈性受力階段剛度大，塑性受力階段延性好的特點被廣泛應(yīng)用于大跨度混合橋梁的鋼-混結(jié)合段中[1-3]。影響PBL剪力鍵力學(xué)性能的因素較多，其中混凝土的材料特性是關(guān)鍵因素之一[4-5]。近年來，UHPC因其高抗壓強度、高韌性、高耐久性等特點在鋼-混組合橋梁中的應(yīng)用方興未艾，將PBL剪力鍵與UPHC配合使用有望進(jìn)一步提高其力學(xué)性能。

目前學(xué)術(shù)界開展了HPC中PBL剪力鍵的力學(xué)性能研究[6-8]，通過推出試驗探索了現(xiàn)澆HPC橋面板中PBL剪力鍵的力學(xué)性能和破壞形態(tài)，分析了鋼板開孔直徑、貫穿鋼筋直徑等構(gòu)造參數(shù)對剪力鍵性能的影響。關(guān)于UHPC中PBL剪力鍵的少量研究也集中在UHPC橋面板中PBL剪力鍵的力學(xué)行為上[9-10]，通過一定數(shù)量的推出試驗研究了剪力鍵構(gòu)造參數(shù)、鋼混界面黏結(jié)、鋼纖維含量以及橫向鋼筋對剪力鍵力學(xué)行為的影響。既有研究成果加強了對于橋面板中淺埋PBL剪力鍵力學(xué)性能的認(rèn)識，但尚不足以用于指導(dǎo)UHPC橋面板中PBL剪力鍵的設(shè)計。而PBL剪力鍵良好的抗剪剛度與承載力使得其更適用于混合橋梁中的鋼-混結(jié)合段中，在鋼-混結(jié)合段中的PBL剪力鍵的力學(xué)行為可能與橋面板中淺埋剪力鍵存在差異[11]，但目前對深埋UHPC中PBL剪力鍵的相關(guān)研究尚處于空白。

本文通過兩組推出試驗研究了UHPC中PBL剪力鍵的破壞模式、荷載-滑移曲線、應(yīng)變發(fā)展等行為，并分析了其承載力、抗剪剛度等力學(xué)性能，評估了既有PBL剪力鍵的承載力計算公式的適用性。

1 推出試驗方案

1.1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

考慮到鋼-混結(jié)合段中PBL剪力鍵的受力特征與標(biāo)準(zhǔn)推出試驗不完全一致[12-13]，且為便于與以往研究結(jié)果對比[10-12]，本文推出試驗采用“三明治”構(gòu)造，見圖1。

圖1 UHPC-PBL剪力鍵推出試驗構(gòu)造

兩組試件中，UPT1試件包含1個PBL剪力鍵，UPT6試件包含6個PBL剪力鍵。試件構(gòu)造參數(shù)見表1，模型尺寸見圖2。

表1 推出試件規(guī)格表

圖2 試驗?zāi)Ｐ?/p>

模型中開孔鋼板材質(zhì)為Q345qB，普通鋼筋、貫穿鋼筋材質(zhì)采用HRB335?；炷翞樯逃肬HPC-120，通過試驗測得其立方體抗壓強度為127.2 MPa，抗拉強度為6.5 MPa，彈性模量為42 319 MPa。

1.2 加載、測試方案

對每個試件分別進(jìn)行設(shè)計承載力、極限承載力兩種工況的加載試驗。

加載前需要確定試件的理論承載力值，以便設(shè)置合理的加載等級。文獻(xiàn)[14]在總結(jié)國內(nèi)外試驗研究成果的基礎(chǔ)上給出了開孔板連接件的承載力設(shè)計值計算式，較全面地考慮了剪力鍵承載力的影響因素，并且留有一定的安全儲備。本文采用該公式計算試件設(shè)計承載力F。

每個試件在加載前均以0.2F進(jìn)行3次預(yù)加載，每次持荷5 min，以消除開孔鋼板與UHPC間的界面黏結(jié)力。

設(shè)計承載力加載工況中，采用荷載控制分級加載，每級荷載增量20 kN，持荷5 min，加載至設(shè)計承載力F后按50 kN分級卸載。

極限承載力加載工況中，先以20 kN荷載增量分級加載至設(shè)計承載力F，然后采用位移控制加載至試件破壞。各級位移增量為0.2 mm，加載速率為0.2 mm/min，每級持荷載5 min或直至結(jié)構(gòu)響應(yīng)穩(wěn)定。

測點布置見圖3。試驗測試內(nèi)容主要包括試件承載力、鋼-UHPC相對滑移、貫穿鋼筋應(yīng)力以及UHPC的應(yīng)力。試件承載力由壓力機自帶壓力傳感器獲取；采用千分表測量焊接在開孔鋼板兩側(cè)的相對變形鋼筋與混凝土塊的豎向位移，獲得剪力鍵的相對滑移；貫穿鋼筋與UHPC應(yīng)力采用應(yīng)變片測試，其中貫穿鋼筋應(yīng)力測點位于其中心點左右兩側(cè)各32 mm處，在每根貫穿鋼筋上左右、上下對稱布置4個測點。

圖3 應(yīng)力與相對滑移測點布置

2 推出試驗結(jié)果

2.1 試件破壞過程與破壞形態(tài)

試件表面破壞形態(tài)見圖4。由圖4(a)可見，加載時裂縫首先出現(xiàn)在UHPC塊外側(cè)中部；隨著荷載增加，裂縫以不同發(fā)展速率分別向上、下延伸，裂紋寬度逐漸擴大，鋼纖維從UHPC中被拔出或拉斷，但未出現(xiàn)新的裂縫，期間鋼與UHPC相對滑移持續(xù)穩(wěn)定增長。試件加載后期，相對滑移快速增加，試件表現(xiàn)出良好的延性。最終破壞形態(tài)為貫穿鋼筋剪斷，而UHPC除外側(cè)豎向裂縫外，其余部分完好，能對剪力鍵形成有效的包裹作用。

由圖4(b)可見，對于多剪力鍵的UPT6試件，UHPC表面裂縫寬度更小，裂縫發(fā)展更為緩慢。在加載后期，第1排剪力鍵首先被剪斷，此時第2、3排剪力鍵仍能繼續(xù)承載。

圖4 試件表面破壞形態(tài)

加載完成后沿垂直方向切開已破壞的試件，觀察其內(nèi)部破壞形態(tài)，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)貫穿鋼筋上部的UHPC榫被壓碎成白色粉末，下部有少量UHPC榫從界面剝落，但貫穿鋼筋基本位于鋼板孔洞中間，孔內(nèi)UHPC未發(fā)生塑性流動?？锥磧?nèi)混凝土的破壞情況見圖5。

圖5 開孔鋼板孔洞內(nèi)混凝土榫破壞形態(tài)

試件破壞后開孔鋼板的兩組試件的開孔鋼板均保持完好，孔壁均未發(fā)生變形。

貫穿鋼筋被剪斷后的變形形態(tài)見圖6。由圖6可知，UPT1中貫穿鋼筋的彎曲變形很小，在鋼板與UHPC界面處有較大的剪切變形，其破壞模式以剪切破壞為主；UPT6中貫穿鋼筋發(fā)生一定程度的彎曲變形，且斷口附近出現(xiàn)明顯頸縮現(xiàn)象，破壞模式為拉剪破壞。

圖6 試件破壞后的貫穿鋼筋形態(tài)

PBL剪力鍵的傳力與破壞機理見圖7。由圖7可知，混凝土榫受到鋼板，貫穿鋼筋以及周圍混凝土的約束限制，所形成的三軸壓縮區(qū)將開孔鋼板上的荷載擴散至貫穿鋼筋的彎曲區(qū)域。

圖7 PBL剪力鍵的傳力與破壞機理

普通混凝土中的PBL剪力鍵失效時，由于混凝土強度相對鋼材低，混凝土榫易被壓碎并在剪力鍵核心受力區(qū)發(fā)生塑性流動，導(dǎo)致貫穿鋼筋被擠到開孔鋼板邊緣與鋼板接觸，若貫穿鋼筋直徑較小則可能被開孔鋼板剪斷，若開孔鋼板較薄則有可能被貫穿鋼筋撕裂[11]。當(dāng)發(fā)生貫穿鋼筋被剪斷時，鋼筋往往會產(chǎn)生明顯的彎曲變形。

UHPC強度高、彈性模量大，在剪力鍵破壞時，UHPC榫壓碎區(qū)域相對較小，鋼筋受彎曲域變小，荷載更加集中，從而導(dǎo)致貫穿鋼筋彎曲變形較小。由于鋼纖維的橋接作用，被壓碎的UHPC仍能有效包裹貫穿鋼筋，將開孔鋼板上的荷載分散至貫穿鋼筋，最終貫穿鋼筋被剪斷。

2.2 荷載-應(yīng)變曲線

圖8 應(yīng)力測點布置

圖9 貫穿鋼筋荷載-應(yīng)變曲線

由圖8可知，貫穿鋼筋中應(yīng)變片沿鋼筋軸向布置，以監(jiān)測貫穿鋼筋發(fā)生軸向變形或彎曲變形時的應(yīng)力狀態(tài)。由圖9可知，在UPT1試件的加載初期，貫穿鋼筋基本無應(yīng)變，表明此時貫穿鋼筋保持平直狀態(tài)，主要是UHPC榫承擔(dān)荷載；隨著荷載增加UHPC榫逐步失效，在孔內(nèi)的貫穿鋼筋開始發(fā)生彎曲、剪切變形；當(dāng)UHPC榫剪斷后，原本由UHPC榫承擔(dān)的荷載轉(zhuǎn)由貫穿鋼筋分擔(dān)，貫穿鋼筋受力類似于支撐在兩端UHPC塊上并承受開孔鋼板集中荷載的彈性地基梁，加載點處的彎曲應(yīng)變持續(xù)增大。對于UPT6試件，第一排剪力鍵承擔(dān)荷載最大，其貫穿鋼筋的應(yīng)變發(fā)展最快，第二排剪力鍵次之、第三排最小。

2.3 荷載-滑移曲線

各試件的荷載滑移曲線見圖10。由圖10可知，剪力鍵的受力過程可分為彈性階段、彈塑性階段、屈服階段。在彈性階段，同組試件的荷載-滑移曲線非常接近，其他階段各試件試驗結(jié)果的離散性較小。由于UHPC無粗骨料，材料性能較為均勻，作為PBL剪力鍵主要傳力構(gòu)造的UHPC榫力學(xué)性能較穩(wěn)定，因此同組試件剪力鍵的力學(xué)性能差異較小。

圖10 荷載-滑移曲線

在彈性階段UHPC榫尚未發(fā)生剪切破壞，試件主要依靠UHPC榫與貫穿鋼筋共同傳遞剪力，抗剪剛度較大；隨著荷載增加，UHPC榫內(nèi)產(chǎn)生剪切裂縫，剪力鍵進(jìn)入彈塑性階段，試件抗剪剛度降低；UHPC榫被剪斷后試件進(jìn)入屈服階段，UHPC榫所承擔(dān)的荷載轉(zhuǎn)由貫穿鋼筋承載，剪力鍵相對滑移量迅速增加，剛度明顯下降。UPT1與UPT6兩組試件的極限滑移量比較接近，均在16 mm左右，并表現(xiàn)出較強的延性。UPT6的極限承載力約為UPT1的2.6倍。

UPT6試件使用了3排6個PBL剪力鍵，各排剪力鍵的相對滑移曲線比較見圖11。由圖11可知，承載時自上往下第一排剪力鍵滑移量最大、第二排次之、第三排最小，假定各排剪力鍵剛度相同，則第一排剪力鍵承擔(dān)的荷載最大、第三排剪力鍵承擔(dān)的荷載最小。

圖11 UPT6各排剪力鍵的荷載-滑移曲線

2.4 荷載、滑移與應(yīng)變的關(guān)系

加載過程中剪力鍵的荷載、滑移與貫穿鋼筋應(yīng)變的關(guān)系見圖12，圖12中UPT6取其第一排剪力鍵中貫穿鋼筋的應(yīng)變。由圖14可知，在加載初期，貫穿鋼筋應(yīng)變增長滯后于相對滑移，進(jìn)一步說明在加載初期UHPC榫的變形是造成相對滑移的主要原因。

圖12 荷載與相對滑移、貫穿鋼筋應(yīng)變曲線

剪力鍵的相對滑移與貫穿鋼筋應(yīng)變的關(guān)系曲線見圖13。由圖13可見，當(dāng)相對滑移量小于0.2 mm時，兩組試件貫穿鋼筋的應(yīng)變基本保持不變或增長緩慢，此時主要是UHPC榫承擔(dān)荷載。隨著荷載增加，UHPC榫失效后貫穿鋼筋成為承擔(dān)荷載的主要構(gòu)件。

圖13 滑移與貫穿鋼筋應(yīng)變曲線

從剪力鍵試件的微觀行為(構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài))中可發(fā)現(xiàn)：剪力鍵初期的承載能力與滑移能力主要體現(xiàn)在UHPC榫的抗剪切能力與變形能力上；隨著UHPC榫剪切裂縫的產(chǎn)生，貫穿鋼筋逐步承擔(dān)更多荷載，成為主要受力構(gòu)件；發(fā)生剪切破壞的UHPC榫主要起到包裹鋼筋、分散傳力的作用，剪力鍵的極限承載力則主要由貫穿鋼筋的抗剪能力決定，鋼筋下方的UHPC塊提供一定剛度的支撐作用。

馬略卡島(Mallorca)位于地中海，面積3640平方公里(南北75公里、東西100公里)，馬略卡島首府帕爾馬。馬略卡島上到處是砂質(zhì)的海灘、陡峭的懸崖、種植著橄欖或是杏樹的田野等自然風(fēng)光。

3 UHPC中PBL剪力鍵的力學(xué)性能

3.1 評定指標(biāo)

為研究PBL剪力鍵在UHPC和普通混凝土中的性能差異，取文獻(xiàn)[15]中的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，樣本參數(shù)見表2。

表2 推出試件參數(shù)表

關(guān)于PBL剪力鍵的設(shè)計承載力PRd，各研究學(xué)者有提出不同的計算方法[16-18]，但在適用性上有區(qū)別，文獻(xiàn)[15]中提出一種既考慮PBL剪力鍵的變形又從宏觀上考慮剪力鍵受力狀態(tài)的方法，即將PBL剪力鍵的荷載-滑移曲線通過線性擬合的方式來確定正常使用階段狀態(tài)，當(dāng)線性擬合的系數(shù)足夠高時，則將該曲線段的最大荷載作為剪力鍵的設(shè)計承載力PRd。這種方法比較符合UHPC中PBL剪力鍵的實際工作狀態(tài)，因此采取該方法擬合確定剪力鍵的設(shè)計承載力。擬合結(jié)果見圖14，圖14中的擬合系數(shù)均大于0.9。

圖14 設(shè)計承載力線性擬合結(jié)果

本文中剪力鍵的抗剪剛度取為荷載-滑移曲線中正常使用階段的割線斜率Ks為

Ks=PRd/δRd

( 1 )

式中：δRd為設(shè)計承載力對應(yīng)的相對滑移量。

剪力鍵的延性系數(shù)Dc是其變形能力的體現(xiàn)，Dc計算式為

Dc=δu/δRd

( 2 )

式中：δu為剪力鍵破壞時的極限滑移量。

3.2 PBL剪力鍵的靜力性能指標(biāo)對比

各組試件的靜力性能指標(biāo)試驗結(jié)果見表3，表3中數(shù)據(jù)均為同組試件的平均值。由表3可知，UPT試件的極限承載力、設(shè)計承載力、設(shè)計滑移量以及抗剪剛度都優(yōu)于PT試件，而PT25的延性系數(shù)要優(yōu)于UPT1。

表3 PBL剪力鍵的靜力性能指標(biāo)

下面對兩類混凝土試件的主要力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行對比分析。

3.2.1 設(shè)計承載力

PT25、PT25M試件的設(shè)計承載力分別為UPT1、UPT6試件的59%、76%，兩者除混凝土材料不同以外，PT試件的貫穿鋼筋直徑更大，說明在正常使用階段內(nèi)，混凝土強度是影響PBL剪力鍵設(shè)計承載力的主要因素，UHPC可顯著提高PBL剪力鍵的設(shè)計承載力。UPT6、PT25M試件的單鍵設(shè)計承載力分別為UPT1、PT25試件的44%、56%，說明在正常使用階段，UHPC中剪力鍵之間受力的不均勻程度較普通混凝土中更高。

3.2.2 極限承載力

各組試件的平均單鍵極限承載力大小排序為：UPT1>PT25>UPT6>PT25M，UPT1試件的極限承載力為PT25的1.98倍，UPT6試件的極限承載力為PT25M的1.47倍，可見UHPC可顯著提高PBL剪力鍵的極限承載力。UPT1試件的極限承載力為UPT6試件的2.25倍，而PT25的極限承載力為PT25M的1.67倍，說明UHPC中各剪力鍵受力更不均衡。

3.2.3 抗剪剛度

在正常使用階段，孔內(nèi)混凝土強度和貫穿鋼筋直徑共同決定了剪力鍵的抗剪能力。PT25、PT25M試件的抗剪剛度分別小于UPT1、UPT6試件，且PT25試件的抗剪剛度僅為UPT1試件的60.35%，可見UHPC能顯著提高PBL剪力鍵的抗剪剛度。UPT6試件中貫穿鋼筋截面面積僅占PT25M試件中的64%，但UPT6試件的抗剪剛度是PT25M試件的1.14倍，說明UHPC的高強特性可彌補貫穿鋼筋直徑較小所導(dǎo)致的剪力鍵抗剪剛度不足。

3.2.4 延性系數(shù)

剪力鍵延性系數(shù)是極限滑移量與設(shè)計滑移量的比值，主要體現(xiàn)其變形能力。由表3可知，各剪力鍵的設(shè)計滑移量相差不大，但極限滑移量相差較大。PBL剪力鍵塑性階段的變形主要來源于：①混凝土榫被壓碎后在貫穿鋼筋擠壓下發(fā)生的塑性流動;②貫穿鋼筋的彎曲與剪切變形[4]。由于UHPC中鋼纖維的橋接作用，在破壞時未發(fā)生塑性流動；一般來說貫穿鋼筋直徑越小越易彎曲變形，但由于UHPC對貫穿鋼筋較強的支撐作用，使得貫穿鋼筋破壞時以剪切變形為主。以上原因使得UPT1的極限滑移量遠(yuǎn)小于貫穿鋼筋直徑更大的PT25試件。對于群孔PBL剪力鍵，由于其滑移量取多個剪力鍵平均值，以此計算的延性系數(shù)不宜用于評估剪力鍵的延性。綜合說來UHPC中PBL剪力鍵的延性有所降低。

4 既有承載力計算式的適用性

通過試驗建立剪力鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)與承載力之間的關(guān)系，可以使實際工程只根據(jù)剪力鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)就能計算得到較精確的承載力，目前各國規(guī)范和一些研究學(xué)者均給出了PBL剪力鍵承載力的計算公式，見表4，參考各類公式計算得到承載力理論值與試驗值的對比見表5。

表4 PBL剪力鍵的承載力計算公式

表5 PBL剪力鍵的承載力值對比 kN

對于UHPC中PBL剪力鍵的極限承載力，文獻(xiàn)[17]、文獻(xiàn)[18]以及文獻(xiàn)[13]所得的承載力計算值均比試驗值小，但文獻(xiàn)[18]的計算結(jié)果相對試驗值過于保守，文獻(xiàn)[17]、文獻(xiàn)[13]規(guī)范得到的計算值與試驗值接近。對于設(shè)計承載力，文獻(xiàn)[14]所得的承載力計算值比試驗值高，文獻(xiàn)[14]的計算結(jié)果比試驗值小且較為接近，因此UHPC中的PBL剪力鍵承載力設(shè)計值可偏安全地按計算式PRd=[β1ξ(t/D)Acfc+β2Atrfy]/γv得到，其中，γv為安全系數(shù)，推薦取1.1。

目前各類公式以影響系數(shù)來表示貫穿鋼筋和混凝土榫兩者對剪力鍵承載能力的作用，相比普通混凝土，UHPC由于其優(yōu)異的力學(xué)特性使得埋入其中的剪力鍵承載能力大大提高，此時孔內(nèi)混凝土榫、貫穿鋼筋對剪力鍵承載力的貢獻(xiàn)發(fā)生改變，建議進(jìn)行更多的試驗研究并對相應(yīng)公式的系數(shù)做出調(diào)整。同時，UHPC更高的彈性模量導(dǎo)致PBL剪力鍵群的受力分配更不均勻，對于集簇布置的PBL剪力鍵，其承載力折減系數(shù)尚待更深入研究。

5 結(jié)論

本文進(jìn)行了兩組UHPC中PBL剪力鍵試件的推出試驗，并與普通混凝土中的PBL剪力鍵進(jìn)行了對比研究了UHPC中PBL剪力鍵的力學(xué)性能，并探討了現(xiàn)有PBL剪力鍵承載力計算公式的適用性。研究發(fā)現(xiàn)：

(1)UHPC中PBL剪力鍵的破壞模式為貫穿鋼筋的剪切破壞，鋼板開孔內(nèi)UHPC壓碎但無塑性流動，UHPC壓碎區(qū)較小，破壞時貫穿鋼筋基本位于孔洞中間，荷載-滑移曲線可分為彈性階段、彈塑性階段、屈服階段。

(2)UHPC中PBL剪力鍵的力學(xué)性能更加穩(wěn)定，在相似構(gòu)造及結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，UHPC較普通混凝土可提高PBL剪力鍵的設(shè)計承載力30%以上，極限承載力50%以上，抗剪剛度60%以上，但延性有所降低。

(3)現(xiàn)有規(guī)范或研究成果用于計算對UHPC中PBL剪力鍵的極限承載力偏于保守，公路規(guī)范得到的設(shè)計承載力偏大，UHPC中PBL剪力鍵單孔設(shè)計承載力可參考文獻(xiàn)[15]中的計算式計算，但對于集簇布置的PBL剪力鍵，其承載力折減系數(shù)尚需深入研究。