PBL剪力鍵推出試驗方法的比較

摘要：根據國內外PBL推出試驗的研究結果將PBL推出試驗分為三大類：普通鋼-混凝土組合梁PBL連接鍵推出試驗;波紋鋼腹板組合梁PBL連接鍵推出試驗;斜拉橋、懸索橋鋼-混凝土混合結構PBL連接鍵推出試驗。本文對比分析了這三大類PBL連接鍵推出試驗模型、荷載-滑移曲線以及極限承載力表達式的異同，給出了相應的建議，為制定有關PBL連接鍵推出試驗標準化模型的規范提供參考。

關鍵詞：PBL剪力連接鍵;推出試驗;荷載-滑移曲線;極限承載力

Abstract：With"the"references"of"the"current"domestic"and"international"existing"PBL"shear"connector"push-out"test"models"and"results，this"paper"divided"the"PBL"shear"connector"push-out"tests"into"three"categories"according"to"the"purpose"of"the"experiments：the"PBL"shear"connector"push-out"tests"of"ordinary"steel-concrete"composite"beams;the"PBL"shear"connector"push-out"tests"of"concrete"box-girder"with"corrugated"steel"web;the"PBL"shear"connector"push-out"tests"of"steel-concrete"joint"in"cable-stayed"bridge"or"suspension"bridge.The"difference"of"the"PBL"shear"connector"push-out"test"models，the"load-slip"curves"and"the"equations"of"shear"resistance"have"been"discussed，the"corresponding"improvement"suggestions"have"also"been"provided"in"this"paper.It"can"provide"a"reference"for"the"National"Norms"making"standardized"push-out"tests"of"PBL"shear"connectors.

Keywords：PBL"shear"connector;push-out"tests;load-slip"curve;ultimate"bearing"capacity

0"前言

隨著組合橋梁技術的發展，組合結構使用范圍較為廣泛，可以用于簡支梁橋、連續梁橋、斜拉橋、懸索橋和波紋鋼腹板組合橋梁等結構。組合結構的優點是能充分發揮鋼結構的受拉性能和混凝土的受壓性能。組合梁中較為關鍵的位置是剪力鍵，目前剪力鍵的形式較多，例如栓釘連接鍵、PBL剪力連接鍵、型鋼連接鍵等[1]，各國學者做了大量的試連接鍵（開孔鋼板連接鍵）、鋼筋連接鍵、高強螺栓驗，探索了剪力鍵的極限承載力計算公式，破壞機理和疲勞強度等。栓釘、槽鋼和彎筋連接鍵的承載能力計算公式在各國的規范中都有體現，但計算公式無論在形式上還是計算結果上還有一定的差異性[2]。

各國學者也根據自己實際研究的問題設計了很多PBL連接鍵推出試驗模型，分析了影響其極限承載力的因素，擬合得到了相應的計算公式，但是這些計算公式都有很大的局限性，計算結果與試驗結果差別較大。因此，有必要分析各類推出試驗模型的差異性，根據PBL連接鍵使用的不同條件，設計相應的能真實反映實際結構受力狀態的試驗模型，為實際結構的極限承載力計算提供依據。本文主要將PBL推出試驗分為普通鋼-混凝土組合梁PBL連接鍵推出試驗（以下簡稱組合梁推出試驗）;波紋鋼腹板組合梁PBL連接鍵推出試驗（以下簡稱波紋鋼腹板組合梁推出試驗）;斜拉橋、懸索橋鋼-混凝土混合段PBL連接鍵推出試驗（以下簡稱混合結構推出試驗）三大類，對比分析以上三種試驗模型及其荷載-滑移曲線的差異，分析由不同試驗結果擬合得到的極限承載力計算公式的異同，提出改進方法，為規范不同橋梁結構PBL連接鍵推出試驗的試驗方法提供參考。

1.普通鋼-混凝土組合梁PBL連接鍵推出試驗

普通鋼-混凝土組合梁中的PBL連接鍵主要承受鋼和混凝土接觸面之間的水平剪力和豎向掀起力作用，工字鋼翼緣上焊接的連接鋼板可以有效的抵抗接觸面的作用力。連接鋼板的連續焊接與栓釘連接鍵等單體焊接相比其焊接的可靠性高，通過混凝土榫的連接使得PBL連接鍵不存在其他連接鍵所存在的焊接疲勞問題[3]。PBL連接鍵適合在某些承受較大動力荷載的組合結構橋梁中采用，因此研究組合梁中PBL連接鍵的受力性能具有較高的實用價值。

1.1組合梁典型推出試驗模型

圖1組合梁典型推出試驗模型

Fig1.The"push-out"tests"of"composite"beams

針對該類型的剪力連接鍵，國外學者[4-6]設計了圖1所示的剪力連接鍵推出試驗模型，即在工字鋼的翼緣中間焊接帶孔鋼板，在孔洞中放置貫通鋼筋，通過混凝土榫的剪切和鋼筋的受拉抵抗外部作用。Oguejiofor和Hosain[7]通過試驗研究發現：推出試驗結果可以用來計算組合梁的抗彎極限承載力;組合梁試驗中單個連接鍵的極限承載力是推出試驗中單個連接鍵極限承載力的1.1倍左右。連接鍵在這種推出試驗模型中的受力狀態與圖2組合梁的模型中連接鍵的受力狀態相似，能夠較為準確的模擬實際的受力情況。

圖2"普通鋼-混凝土組合梁示意圖

Fig2.Ordinary"steel-concrete"composite"beams"model

1.2"組合梁推出試驗荷載-滑移曲線

組合梁推出試驗得到的典型荷載滑移-曲線如圖3所示，通過分析大量試驗數據發現此類推出試驗荷載-滑移曲線有著相似的滑移趨勢。當滑移量小于（混凝土翼緣未發生裂縫）時，剪力鍵和混凝土之間沒有明顯的滑移，表明交界面的粘結力在發揮主要作用，PBL剪力件和混凝土協同受力，荷載-滑移曲線呈線性關系;當滑移量超過開裂滑移量時，剪力鍵開始發生滑移，滑移量隨荷載的增加而緩慢增加，混凝土榫中的應力不斷增加，逐漸將荷載傳遞到鋼筋中，鋼筋受拉產生變形，導致滑移量增加較快，荷載增加較慢，荷載-滑移曲線呈現明顯的非線性;當滑移量大于極限承載力滑移量時，混凝土榫部分壓碎，荷載進一步傳遞到鋼筋中，鋼筋的變形增加，甚至達到屈服，此時滑移量明顯增加，混凝土翼緣板繼續開裂，荷載有一定的下降趨勢，直至最后混凝土翼緣板發生劈裂破壞。

圖3"組合梁推出試驗典型荷載-滑移曲線

Fig3.The"load-slip"curve"of"push-out"tests"of"composite"beams

該曲線與其他兩種推出試驗的區別是混凝土翼緣板順著剪力鍵的方向發生劈裂破壞，而且滑移曲線中有明顯的下降段（BC段）。

1.3"組合梁推出試驗極限承載力計算公式

Oguejiofor和Hosain[8]根據推出試驗提供了PBL連接鍵的極限承載力表達式（1），這類表達式可以正確反映混凝土翼緣板沿著連接鍵發生劈裂破壞模式。表達式的第一項與混凝土翼緣的劈裂有關，第二項與貫穿鋼筋的約束有關，第三項與混凝土榫的抗剪強度有關。綜合反應在開孔大小、混凝土的強度、鋼筋的直徑、強度和混凝土的剪切面積等因素上。

（1）式中-混凝土的圓柱體抗壓強度;-孔中貫穿鋼筋的面積;d-孔洞的直徑;n-鋼板孔洞的個數;t-剪力連接鋼板厚度;h-混凝土到剪力鍵底部的高度;-鋼筋的屈服強度。

Medberry"和"Shahrooz[10]根據推出試驗結果擬合得到了一個更加通用的計算公式（2），此公式增加了工字鋼翼緣板和混凝土翼緣板接觸面的摩擦力。

（2）式中"b-剪力連接板的厚度;-鋼翼緣板的寬度;-混凝土和工字鋼翼緣板接觸長度。

公式（1）和公式（2）的計算結果要分別比試驗實測值高15%-50%和10%-37%左右[8，9]，計算結果偏于不安全，這類公式幾乎考慮了所有影響剪力鍵強度的因素，但是由于試件數量較少，不能從概率上保證95%以上的試件剪切強度大于公式計算結果，因此，本文建議做更多此類試件的推出試驗，用可靠度理論重新擬合各項系數的數值，得到一個能保證結構安全且能計算此類連接鍵承載能力的公式。

2.波紋鋼腹板組合梁PBL連接鍵推出試驗

波紋鋼腹板組合梁PBL連接鍵以承受抗剪作用為主，受力較普通組合梁簡單。將波紋鋼腹板埋入混凝土翼緣并打孔穿入鋼筋形成連接鍵，可無需額外焊接帶狀鋼板，沒有焊接缺陷帶來的應力減小問題。因此，此類連接鍵具有與上述連接鍵不同的受力狀態，需要制作專門的推出試驗模型才能模擬此類連接鍵的應力狀態。

2.1"波紋鋼腹板組合梁推出試驗模型

圖4為波紋鋼腹板組合梁PBL連接鍵推出試驗的典型模型[11]，它是直接在鋼板上開孔，依靠混凝土榫和貫穿鋼筋承受剪應力，破壞模式為貫穿鋼筋被剪斷[11]，這類推出試驗受力狀態與圖5波紋鋼腹板組合梁的受力狀態類似。

一般情況下，都是在外伸的鋼板上部施加外部荷載，但是考慮到這種加載方式連接鍵的極限承載力過于保守[12]，王振海等設計了一種鋼板受拉的PBL連接鍵，研究加載方式對極限承載力影響，得出的試驗結果與施加受壓荷載的結果差別不大。

圖4"波紋鋼腹板組合梁推出試驗模型

Fig4.Push-out"test"model"of"concrete"box-girder"with"corrugated"steel"web

圖5"波紋鋼腹板組合梁模型示意圖

Fig5.Concrete"box-girder"with"corrugated"steel"web

2.2"波紋鋼腹板組合梁推出試驗荷載-滑移曲線

圖6為波紋鋼腹板組合梁推出試驗典型的荷載-滑移曲線，該曲線也分為三個階段：第一階段為線彈性階段（O-A段），剪力鍵承受荷載較小，滑移主要由孔洞內混凝土榫的變形引起的，交界面上的滑移量較小，PBL剪力鍵的混凝土榫完全在線彈性階段受力，滑移曲線呈現線彈性曲線;第二階段為彈塑性階段（A-B段），隨著荷載的增大，混凝土榫不斷開裂，貫穿鋼筋受力增大，一直到B點混凝土榫被完全剪斷之前承載能力仍緩慢增加，滑移量增加較快，滑移曲線表現為明顯的非線性;第三階段為強化階段（B-C段），混凝土榫被剪斷后，貫穿鋼筋承受全部荷載，相對于混凝土這類脆性材料而言，受拉鋼筋的變形量增加更大，承載力進一步緩慢增加，一直到鋼筋被剪斷，剪力鍵達到極限承載能力。

與普通組合梁連接鍵推出試驗相比，前兩個階段基本相似，都有線彈性階段和彈塑性階段，但是第三階段承載力表現為強化特征，這與兩種試驗破壞形態差別有關。普通組合梁推出試驗是混凝土翼緣板發生劈裂破壞，當混凝土發生劈裂時，極限承載力不是完全由剪力連接鍵承擔，混凝土的配筋率和混凝土強度都決定極限承載力，所以隨著混凝土翼緣裂縫的增加，承載能力有減小的趨勢;而波紋鋼腹板組合梁推出試驗是貫穿鋼筋剪斷破壞，混凝土翼緣板不是破壞的薄弱環節，鋼筋在屈服后剪斷前延性較混凝土大，所以荷載-滑移曲線出現強化階段。王振海[13]和許燕[14]等根據推出試驗結果，通過參數分析研究，擬合出了此類推出試驗的荷載-滑移曲線公式，這些公式可以為簡化組合梁數值模擬提供參數。

圖6"波紋鋼腹板組合梁推出試驗典型荷載-滑移曲線

Fig6.Load-slip"curve"of"push-out"tests"of"concrete

box-girder"with"corrugated"steel"web

2.3"波紋鋼腹板組合梁推出試驗極限承載力計算

宗周紅在文獻[3]中，結合現有規范中栓釘的理論計算公式，對試驗結果做了回歸分析，提出計算公式（3）。第一項考慮了混凝土榫的作用，第二項考慮了混凝土翼緣板鋼筋作用，但沒有考慮貫穿鋼筋對極限荷載的貢獻。

（3）式中：-混凝土類型影響系數;-橫向鋼筋位置影響系數;-回歸系數;-混凝土的彈性模量。

王振海通過大量的推出試驗數據的擬合分析發現[12]：在連接鍵的承載后期混凝土榫已被剪斷，試件的極限承載力基本不受混凝土榫面積的影響。根據鋼筋剪切破壞的試驗現象提出此類連接鍵的極限承載力公式：

（4）式中"-橫向鋼筋的面積;-橫向鋼筋的抗拉強度;為回歸系數;為回歸常數。

公式（3）、（4）的計算結果偏于保守，最大可以比實際測量的極限承載力小2倍[11]，主要原因是考慮的因素較小，簡化較為嚴重，不能正確反映剪力鍵的極限承載力。此類推出試驗設計的混凝土與鋼板的體積比相對較大，當鋼板厚度相對較小時，混凝土榫或貫穿鋼筋可能成為薄弱環節，破壞模式跟其他兩種有差別。因此筆者建議適當增大此類試件的鋼板強度和鋼筋強度，改變破壞模式，使混凝土翼緣板發生劈裂破壞，再根據試驗數據進行參數分析。

3.斜拉橋、懸索橋鋼-混凝土混合結構PBL連接鍵推出試驗

目前，國內將PBL連接鍵應用于大跨度斜拉橋和懸索橋的實例還比較少：南京長江三橋鋼主塔采用PBL鍵，廣州新光大橋的剪力接頭同時使用了栓釘和PBL鍵，佛山平勝大橋鋼-混結合段也同時采用了栓釘和PBL鍵。PBL連接鍵在混合梁中同時承受抗剪、抗拉、抗彎作用，較前兩種結構受力復雜，制作實際混合段的試驗模型費時費力，工程造價高，比較簡單的方法是設計一種能模擬混合梁受力狀態的推出試驗模型。

3.1"混合結構推出試驗模型

混合結構的連接部位受力復雜，推出試驗模擬難度大，目前國內此類推出試驗模型較少，一些學者[11，16]采用波紋鋼腹板組合梁推出試驗模型近似模擬混合梁連接鍵的受力狀態，得出的試驗結果雖然能在一定程度上反映組合梁受力，但是模擬效果較差，因此有必要重新設計混合梁結構推出試驗模型，使之與實際結構受力吻合。

圖7為廣東佛山平勝大橋鋼-混凝土結合段的推出試驗模型，此類試件采用型鋼并割去型鋼上部的四角，在型鋼翼緣上開孔，在孔洞中貫穿鋼筋。這種模型可以直接利用型鋼的翼緣當作連接鍵受力，不需要焊接，施工質量容易控制。受剪鋼板的數量與前兩種相比較大，該模型與圖8自錨式懸索橋混合梁結合段受力狀態相似，適合斜拉橋、懸索橋中混合結構中鋼結構部分和混凝土部分的復雜連接[15]。

圖7"混合結構推出試驗模型

Fig7.Push-out"tests"of"hybrid"structure

圖8"平勝大橋鋼-混結合段構造

Fig8.The"detail"of"steel-concrete"joint"of"Ping"Sheng"Bridge

3.2"混合結構推出試驗荷載-滑移曲線

圖9為混合梁推出試驗典型荷載-滑移曲線，從圖9可以看出該荷載-滑移曲線與波紋鋼腹板組合梁推出試驗荷載-滑移曲線類似，也分為線彈性，彈塑性和強化三個階段。線彈性階段后期是混凝土板底部中間位置開始出現裂縫，隨著荷載增加，在彈塑性階段后期，混凝土榫被壓碎，貫穿鋼筋承受較大荷載，達到極限承載能力時混凝土翼緣板發生劈裂破壞，貫穿鋼筋彎曲變形，鋼板沒有發生明顯的變形。

這類推出試驗破壞模式與組合梁推出試驗破壞模式類似，但是組合梁推出試驗發生沿著連接鍵方向的縱向劈裂，而混合梁推出試驗是從連接鍵頂端斜向混凝土翼緣底部發生破壞;荷載-滑移曲線的強化階段荷載增長率比波紋鋼腹板組合梁推出試驗小;延性要比前兩種模型小，當結構達到極限承載力時最大的滑移量僅有4-5mm左右，遠小于前兩種試驗模型的最大滑移量，但是由于連接鋼板數量的增加，極限承載力也有較大提高，這種結構的試驗結果與混合梁鋼-混結合段要求的承載能力大，控制變形小的設計要求是相符的。

`圖9"混合結構推出試驗荷載-滑移曲線

Fig9.The"load-slip"curve"of"push-out"tests"of"hybrid"structure

3.3"混合結構極限承載力計算公式

胡建華等[16]通過試驗結果擬合得到組合梁推出試驗極限承載力公式（5），第一項與貫穿鋼筋有關，第二項與混凝土中的橫向鋼筋有關，第三項與混凝土榫的抗剪強度有關。

（5）式中"-鋼筋影響系數;-橫向鋼筋影響系數;-混凝土榫影響系數;-混凝土的立方體抗壓強度。

公式（5）是在波紋鋼腹板組合梁推出試驗和混合梁推出試驗結果綜合的基礎上擬合的曲線，計算結果也偏小[11]，從目前國內計算公式擬合中發現，該類試驗模型較少，相應的試驗驗證較少。還應該繼續開展此類推出試驗，得到更為準確的公式。

4"結論

本文通過分析國內外學者制作PBL剪力連接鍵推出試驗模型形式以及推出試驗數據對比分析得出如下結論

（1）目前各國學者設計的PBL連接鍵的推出試驗模型類型較多，影響連接鍵單孔極限承載能力因素較多，受力復雜，由推出試驗結果擬合的抗剪極限承載力公式適用范圍小，沒有更多的通用性。

（2）為了方便研究不同結構的PBL連接鍵試驗，本文將各類推出試驗按照其研究對象分為三大類：普通鋼-混凝土組合梁PBL連接鍵推出試驗;波紋鋼腹板組合梁PBL連接鍵推出試驗;斜拉橋、懸索橋鋼-混凝土混合結構PBL連接鍵推出試驗。

（3）三大類連接鍵推出試驗的荷載-滑移曲線均分為三個階段，不同點是組合梁PBL連接鍵荷載-滑移曲線呈現先增加后緩慢降低的特性，其他兩類連接鍵一直呈現增加趨勢。這種差別與各類剪力連接鍵內部混凝土榫、貫穿鋼筋和混凝土翼緣板受力分配不均有關。

（4）即使是同一類試件的極限承載力計算公式對同一試驗模型計算差別也較大，主要原因是對于同一類試件，也有鋼板和混凝土強度、鋼筋直徑、孔洞大小等的差異，導致最后的破壞形態不同。而計算公式只能針對一種破壞形態，不同的破壞形態極限承載力表達式不同。筆者認為應該將推出試件設計為混凝土翼緣板發生劈裂破壞，保證連接鍵的承載力大于結構的承載力，這符合現在橋梁結構設計中強連接弱構件的理念。

由于PBL剪力連接鍵的結構形式，材料特性，尺寸等都會影響連接鍵的破壞形式、荷載-滑移曲線和極限承載力。而且目前的連接鍵推出試驗結構形式差別較大，又沒有統一的標準，本文提出的剪力鍵劃分方法為規范推出試驗形式有一定的借鑒意義。

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