PBL剪力連接件的推出及拔出試驗力學性能研究

楊欣松， 王志宇， 付磊， 王清遠

(1.四川大學建筑與環境學院， 成都610065；2.四川理工學院機械工程學院， 四川自貢643000)

PBL剪力連接件的推出及拔出試驗力學性能研究

楊欣松1， 王志宇1， 付磊2， 王清遠1

(1.四川大學建筑與環境學院， 成都610065；2.四川理工學院機械工程學院， 四川自貢643000)

介紹了目前國內外研究中關于PBL連接件較為典型的幾種構造形式，不同連接件試驗的方法，以及近年來國內學者針對其力學性能改善而做出的新型PBL連接件；采用6個PBL剪力連接件，其中3個在500噸微機控制電液伺服壓力實驗機進行推出實驗，另外3個通過一套自主設計的單調加載裝置進行拔出實驗，比較了孔徑大小、腹板厚度以及埋置深度對試件極限承載能力的影響。研究表明：加大孔徑和腹板厚度能有效地提升剪力連接件的極限抗剪承載力；增加埋置深度能顯著地增強剪力連接件的極限抗拉拔承載力。

PBL連接件；組合結構；推出試驗；拔出實驗；極限承載力

引言

鋼-混凝土組合結構是由鋼結構和混凝土結構組合構成，且性能上得到優化的一種結構。鋼結構和混凝土結構的設計組合，能讓鋼材的抗拉性能和混凝土抗壓性能得到更為充分的發揮，從而獲得更為顯著的收效[1]。要實現這種鋼-混凝土組合結構，需要通過剪力連接件將二者聯系起來，因此，剪力連接件是保證組合結構實現協同工作的關鍵，它的設計就顯得十分重要。在以往的工程中，栓釘、槽鋼、彎筋等是剪力連接件的主要設計形式。其中，栓釘連接件的研究已比較成熟[2]。隨著研究的深入，繼栓釘等傳統連接件后又發展出PBL剪力連接件這一性能更優的新型抗剪連接件，并已應用在實際工程中[3]。近年來，國內外學者也對各種形式的PBL連接件進行了大量的分析和研究。

本文通過對近期國內外關于PBL連接件的形式和試驗方法進行整合、分析，得出各類型的PBL剪力連接件的優缺點；并通過2組共6個開設4個圓形孔的PBL剪力連接件試件分別進行推出試驗和拔出試驗，簡析其孔徑大小、腹板厚度、埋深對于構件抗剪及抗拉拔承載力性能的影響。

1PBL剪力連接件的類型簡介

PBL剪力連接件，在德國被稱為PerfobondLeiste，其設計最早來源于Parterners公司與德國人Leonhardt的研究成果，作為一種可直接在工字型鋼梁上焊接的帶圓孔鋼板[4]，它的特點是利用孔洞中的混凝土榫和孔間鋼板來承受縱向的剪力流。研究顯示，當在孔洞設置貫通鋼筋時，連接件的極限承載能力可以得到極大提高[5]。正因其較為優勢的力學性能，各國學者對PBL剪力連接件進行了深入的研究，也形成了各種不同的構造形式，即沿鋼板縱向布置開孔、圓孔與幾何構造等構造形式。

目前，根據用于承受剪力流構造類型的不同可將PBL剪力連接件分為普通PBL剪力連接件(圖1)、Twin-PBL剪力連接件(圖2)、S-PBL剪力連接件(圖3)三類。普通PBL剪力連接件[6]依靠素混凝土榫和鋼筋協同承受剪力流；Twin-PBL剪力連接件[7]則是將開孔鋼板增加至兩塊，通過焊接提高連接件的整體性和抗剪承載力；而S-PBL剪力連接件[7]增加了栓釘構件，利用栓釘的變形能力，從而提高連接件承受剪力流的能力。

圖1普通PBL剪力連接件

圖2Twin-PBL剪力連接件

圖3S-PBL剪力連接件

事實上，PBL剪力連接件也存在不足。其一，將鋼筋貫穿多排并列布置的開孔直鋼板有一定操作難度，同時也給施工帶來不便。其二，S-PBL剪力連接件需焊接開孔鋼板和栓釘，從而增加焊接量。另外，焊接工藝的不同，將會提高工程造價[3]。

2PBL剪力連接件的試驗研究

工程中，常采用PBL剪力連接件抵抗混凝土板和鋼構件之間的剪力流，同時還起到防止混凝土和鋼構件脫落的作用。因此，PBL剪力連接件的抗剪承載力是衡量連接件性能優劣的關鍵因素之一。為此，國內外學者對PBL剪力連接件的抗剪承載力進行了大量的相關試驗，并已得到了一定的研究成果。然而，PBL剪力連接件還需抵抗混凝土翼板與鋼梁在結合面垂直方向一定的抗拔力作用，目前少有關于此連接件的抗拔性能的研究和文獻[8]。并且，國際上對PBL剪力連接件的試驗方法還沒有統一的規范性文件。

2.1PBL連接件的試驗方法

目前，測試PBL連接件力學性能的試驗方法主要有推出試驗、梁式試驗和拔出試驗三種[9]。其中，梁式試驗因較長的試驗周期及復雜的實施過程，國內目前用其研究PBL剪力連接件力學性能的文獻并不多見。

2.1.1推出試驗

推出試驗的目的是得到剪力連接件的荷載-滑移曲線，以此為標準衡量其抗剪承載力等力學性能。現今對于PBL剪力連接件的試驗主要都是基于歐洲規范EC4[5]中栓釘連接件的推出試驗而進行的。

試驗表明，推出試驗中，PBL剪力連接件的極限承載力一般與鋼材強度、腹板厚度、混凝土強度等級、孔洞類型、直徑與數目，以及貫穿在孔洞中的鋼筋尺寸等因素有關。

值得注意的是，通過對大量試驗結果的對比分析，發現PBL剪力連接件的推出試驗結果較為理想化，不能對連接件本身在混凝土中的受力狀態進行全面分析。因此得出結論：推出試驗因不能充分反映連接件的實際受力情況，進而難以得到真實的極限承載力[10]。

2.1.2拔出試驗

PBL剪力連接件在承受剪力流的同時，還要防止鋼梁和混凝土翼板的分離，因此，研究PBL剪力連接件的抗拔性能同樣至關重要。

目前國內對PBL剪力連接件的抗拔性能研究較少，但也有許多研究者關注到這一問題的重要性。同濟大學李現輝等[11]通過拔出試驗設計出了一種鋼梁腹板開槽形狀為等腰梯形的剪力連接件，試驗結果表明其拔出承載能力最大可達抗剪承載力43%，遠超規范中所要求的10%。另外，四川大學薛輝等[12]等設計了一套專為測試剪力連接件抗拔性能的裝置，主要由3個工字鋼、2個千斤頂和2個力傳感器搭建而成，通過該試驗裝置可以得到拔出力-相對位移的曲線，以此判斷剪力連接件的抗拔性能。

2.2PBL剪力連接件疲勞性能

除了研究PBL連接件的抗剪和抗拔性能外，在橋梁等結構中，PBL連接件還承受靜力荷載以及反復荷載的作用。所以，也需要對其抗疲勞性能進行研究，但國內外目前對其抗疲勞性能的研究還尚顯不足[13]。

楊勇等[14]通過10塊鋼板-混凝土組合橋面板試件，以栓釘布置、開孔鋼板連接件數量及疲勞荷載幅值3個因素為控制參數，研究了鋼板-混凝土組合橋面在疲勞荷載下的受力性能。

圖4栓釘與PBL連接件的疲勞曲線對比

宗周紅等[15]通過對9只栓釘連接件和6只帶孔鋼板連接件進行了疲勞和靜載試驗，同樣得出了PBL連接件的疲勞性能遠好于栓釘連接件的疲勞性能的結論。

3新型PBL剪力連接件

近年來，國內許多學者對普通PBL連接件進行了優化改造，設計出了相較于普通PBL連接件具有更好力學性能的新型PBL連接件。

3.1開孔波折板PBL連接件

李淑琴等[7]打破了傳統剪力連接件依靠孔中混凝土榫和貫穿鋼筋協同合作來抵抗剪力的模式，選擇使用開孔波折板代替其中的開孔直鋼板(圖5)。這樣，便可使波折鋼板的斜向面也能起到承受剪力流的作用，從而進一步提高抗剪承載力。但這樣的構造形式同樣存在缺點：其一是波折鋼板構造復雜，在實際使用中會增加其制作時間和成本。其二，構件增加了連接件與翼緣接觸的面積，會使焊接工作量和貫穿鋼筋的難度加大。

圖5開孔波折板抗剪連接件

3.2槽口型PBL連接件

為解決普通PBL連接件在實際工程中鋼筋貫穿困難的難題，鄭雙杰等[8]設計出了在開孔鋼板圓孔外緣設置槽口的新型連接構造形式(圖6)。這種連接件形式不僅較好地解決了鋼筋貫穿困難的問題，同時槽口也有利于混凝土的灌漿。但試驗表明，有槽口的PBL連接件相較于無槽口的普通PBL剪力連接件在抗拔性能上有所降低[8]。

圖6槽口型PBL連接件

3.3翼緣折形PBL連接件

Hence, it is found that Qrad depends on the azimuthal mode number m and radial mode number r, and high order modes lead to lower Qrad9.

福建農林大學林磊等[16]設計了一種新型的PBL連接件，即在PBL開孔鋼板的翼緣添加了折形鋼板(圖7)。其目的是利用翼緣折形板的折形構造提高抗剪承載力，同時其孔中的混凝土榫或貫穿鋼筋還能在某種程度上防止混凝土板和鋼梁發生分離。研究結果表明：翼緣折板PBL剪力連接件的力學性能和抗滑移性都優于開孔直板PBL連接件，并且具有更好的穩定性和整體性。但在制作這種剪力連接件的過程中需要布置更多的貫穿鋼筋，在實際應用中會增加施工的難度和成本。

圖7新型翼緣型剪力連接件

除了上述介紹的幾種新型PBL連接件外，還有T形型鋼剪力連接件、腹板嵌入式連接的連接件，以及布置蛇形鋼筋的連接件等新型PBL連接件的產生。

綜上所述，目前國內PBL剪力連接件的發展呈多元化。對于PBL連接件力學性能的研究已日趨成熟。然而，系統性開展推出及拔出試驗以評價這類新型PBL連接件的極限承載力等力學性能的研究仍然還不足。

4試驗方案設計

4.1試件設計

為了系統評價PBL連接件的推出及拔出性能，本文共設計制作了6個新型PBL剪力件試件，3個Q235鋼多孔PBL剪力件用于推出試驗、3個Q235鋼單孔PBL剪力件用于拔出試驗，因考慮到推出試驗的試驗設備及加載條件限制，其中用于推出試驗的3個試件采用1∶2縮比試件，試件編號統一為Cxx-yy-z，其中：Cxx表示混凝土等級；yy表示腹板厚度；z表示鋼板孔徑大小，試件主要參數見表1。用于拔出試驗的3個試件編號統一為Cxx-yyy-z，其中：Cxx表示混凝土等級；yyy表示混凝土板厚；z表示鋼板孔徑大小，試件主要參數見表2。用于拔出試驗的試件如圖8所示；用于推出試驗的試件如圖9所示。

表1推出試驗加工試件規格

表2拔出試驗加工試件規格

圖8拔出實驗PBL連接件

圖9推出試驗剪力連接件

在試驗之初，用同一批次混凝土做6個10 mm×10 mm×10 mm的C30混凝土立方試塊，用于測試混凝土的軸心抗壓強度，與待測試件一起養護，最后采用立方塊抗壓強度的平均值作為待測試件的混凝土抗壓強度取值。

圖10為推出試驗PBL剪力連接件的構造圖。試件工字鋼長度為460 mm，厚度10 mm，連接件的孔徑為30 mm。連接件底部同工字鋼底部平齊。圖11為拔出試驗PBL剪力連接件構造圖，給出了連接件尺寸和試件的構造情況，3個M16螺栓孔設置在連接件上部，1個厚度為20 mm的墊塊放置在構件底部，同時還設置了2個直徑為4 mm的螺栓孔，便于安裝元件檢測試件的位移。

圖10推出試驗PBL剪力連接件的構造圖

圖11拔出試驗PBL剪力連接件的構造圖

為防止在加載過程中混凝土板發生脆性破壞，以上6個試件均按照構造要求設置了相應的構造鋼筋。

4.2加載和測試方法

選用四川大學土木實驗室500噸微機控制電液伺服壓力實驗機進行推出試驗，嚴格按照歐洲規范4的標準進行加載，控制參數設置為位移0.5 mm/min，荷載從預期失效荷載的5%至40%進行25個加載循環，加載速率1 kN/s，直至荷載加載失效。

拔出試驗選擇在一套自主設計的單調加載裝置上進行，它主要由3個工字鋼、2個對稱布置的千斤頂和2個位于千斤頂上方的力傳感器組裝而成。試驗之初，需用M16的高強度螺栓將鋼板和試件相連，混凝土塊則用4個G型夾具夾緊于縱向工字梁翼緣處，并且將LVDT位移計布置在相應的測點；試驗時，需人工同步加載2個千斤頂，目的是讓承重軸上升以達到對試件施加拉拔力，荷載和位移均使用8通道數據采集系統進行實時監測和曲線繪制，系統采樣頻率設置為5Hz，最后可得到剪力連接件的拔出力-相對位移曲線。

4.2試驗結果

4.2.1推出試驗結果及分析

表3為推出試驗剪力連接件的測試結果，包括荷載峰值和相應峰值的滑移量，承載力特征值和滑移量特征值均根據歐洲規范4的相關規定計算取值，承載力特征值為最小失效荷載的90%，滑移量特征值為最大滑移量的90%。

表3推出試件承載力和滑移量

圖12為推出試驗的荷載-滑移曲線，曲線呈現一定的非線性，曲線表明滑移量隨荷載增加而增大，當荷載越接近峰值時，滑移量增加越明顯，當達到峰值荷載后，滑移量增加放緩，趨于較為穩定的水平。

圖12推出試驗荷載-滑移曲線

連接件的破壞過程則是在臨近峰值荷載時，其底部出現縱向裂縫，隨著荷載增加，裂縫繼續開展，最后，試件孔中混凝土剪壞，但鋼筋并未出現較大的彎折現象。

鄭雙杰等[8]對孔徑75 mm的無槽口剪力連接件進行了同樣的推出試驗，試驗結果顯示試件破壞時在開孔板附近首先出現混凝土裂縫，然后豎向、橫向及斜向開展，最終孔中混凝土剪壞，但鋼筋也未出現較大彎折變形量。

C30-10-25試件和C30-10-30試件只有孔徑大小的不同，由荷載-滑移曲線可知，C30-10-25試件荷載和位移的變化顯得更為平緩，可見孔徑大小對粘接力有影響，很明顯的是C30-10-30試件的最大靜力承載力高于C30-10-25試件，可以初步說明抗剪承載力與孔徑大小有必然聯系，且孔徑越大，抗剪承載力越高，抗剪能力越強。

C30-10-30試件和C30-12-30試件的控制參數是腹板厚度，二者的荷載-滑移曲線相似，但后者的荷載峰值略高于前者，說明腹板厚度對提高抗剪承載力有一定的作用，腹板厚度越厚，連接件的抗剪承載力就越好，但影響幅度沒有孔徑大小的改變大。

4.2.2拔出試驗結果及分析

表4為拔出試驗剪力連接件的測試結果，包括抗拉拔承載力、對應的峰值位移及初始開裂荷載。此處將初始開裂荷載定義為混凝土板表面出現第一條有裂縫時對應的拔出力[17]。

表4拔出試件承載力和滑移量

圖13為拔出試驗的拔出力-相對位移曲線。由圖13可知，在加載初期，隨著拔出力的急劇上升，連接件位移變化十分小，表明剪力連接件和混凝土之間的摩擦力和粘接力發揮了很大的作用；加載中期，拔出力增長率有所減小，剪力連接件的位移逐漸增長，位移變化較為明顯，表明鋼板孔中的混凝土榫以及混凝土與縱向鋼筋的協同作用承擔了部分拔出力；加載后期，隨著粘接力作用的影響降低直至消失，混凝土榫部分破壞，試件表面出現明顯裂縫，拔出力開始下降，直至孔中混凝土榫被完全剪斷，最終試件表面部分混凝土凸起，試件破壞。

圖13拔出力-相對位移曲線

3個試件的可變參量是埋置深度，當埋置深度從90 mm增加到140 mm時，極限抗抗拔承載力也從16.92 kN增加到了54.48 kN，可以說明，埋置深度的不同對剪力連接件的極限抗拔承載力有顯著影響，埋置深度越深，剪力連接件的極限抗拉拔承載力就越高。這是因為混凝土板的厚度增加，埋置深度的增加，加大了連接件和混凝土的接觸面積，使得二者之間的粘接力得到明顯的提高。

5結論

(1)連接件的孔徑大小和連接件的極限抗剪承載能力有直接聯系，孔徑越大，連接件極限抗剪承載能力表現越優。

(2)連接件的腹板厚度在一定程度上能影響連接件極限抗剪承載力，腹板越厚，極限抗剪承載力有所提高，但遠沒有孔徑大小對連接件極限抗剪承載力提高的貢獻大。

(3)連接件的埋置深度能直接提高剪力連接件的極限抗拉拔承載力，埋置深度越深，連接件極限抗拉拔承載力越強。當埋置深度由110 mm增加到225 mm時，極限抗拉拔承載力的增長率可達到224.5%。

(4)為了使PBL連接件更好地滿足正常使用的要求，在未來的研究中，可考慮改變其孔徑大小以及埋置深度等參數，以提高其極限承載能力，減少裂縫的開展和破壞。

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Experimental Research on Push-off and Pull-out Mechanical Behavior of PBL Shear Connector

YANGXinsong1,WANGZhiyu1,FULei2,WANGQingyuan1

(1.School of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu 610065, China; 2.School of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China)

The domestic and foreign research on typical structure typesof PBL connector, different fitting test methods, and the domestic scholars in recent years for its mechanical performance improvement and new PBL connector are relatively introduced.six PBL shear connectors are designed,including three PBL shear connectors used in 500 tons of computer control electro-hydraulic servo pressure experiment machine with push-off experiments,and the other three used to compare the aperture size,web plate thickness and buried depth on the influence of specimen ultimate bearing capacity, through a set of independent design with pull out experiments.The results show that increasing the aperture and web thickness can effectively enhance the ultimate shear capacity of shear connectors,and increasing the embedment depth can significantly enhance the ultimate tensile of shear connector of the bearing capacity.

Perforated Steel Plate shear connectors; composite structure; push-out tests; pull out experiments; ultimate bearing capacity

2016-12-13

國家自然科學基金(51308363;50978174)；教育部留學回國人員科研啟動基金(2013-1792-9-4)

楊欣松(1991-)，男，四川成都人，碩士生，主要從事組合結構方面的研究，(E-mail)582647402@qq.com; 王清遠(1965-)，男，重慶開縣人，教授，博士，主要從事材料和工程疲勞方面的研究，(E-mail)wangqy@scu.edu.cn

1673-1549(2017)02-0071-07

10.11863/j.suse.2017.02.15

TB115

A