開孔板連接件力學性能研究綜述

周 陽， 么超逸

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

0 引 言

鋼和混凝土是各類工程建設中最主要的兩種建筑材料，而鋼—混凝土組合結構或鋼—混凝土混合結構，充分利用兩種材料的優勢，形成受力更合理的結構體系，而受到設計者們的喜愛[1].鋼—混凝土組合結構利用了混凝土的抗壓強度性能和鋼的抗拉強度性能，以增加結構的剛度和承載能力.鋼—混凝土混合結構是在梁的長度方向，將鋼梁和混凝土梁通過鋼—混結合段將兩者結合在一起，在大型橋梁的主梁和橋塔中得到廣泛應用[2-4].鋼—混凝土組合梁和混合梁中鋼結構和混凝土的內力傳遞主要依靠剪力鍵的作用，因此剪力鍵的設計是兩種結構能否協同工作、可靠傳力的關鍵.目前，應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，相關規范中對其承載能力也列出了相應的計算公式.相較于剪力釘，PBL剪力鍵具有承載能力高、抗疲勞性能好等優點，近年來得到了廣泛的應用[7-8].

1 PBL剪力鍵簡介

圖1組合結構中PBL剪力鍵示意圖

在鋼—混凝土組合結構中，如圖1(a)中的結構形式，若未設貫穿鋼筋，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構之間分離；若設貫穿鋼筋，由貫穿鋼筋和混凝土榫承擔鋼結構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—混混合結構，一般鋼—混結合段傳遞的剪力較鋼—混組合結構大，故PBL剪力鍵布置數量也更多.例如主梁鋼—混結合段，一般采用承壓板—有格室式構造，在格室隔板上開孔，并貫穿鋼筋構成PBL剪力鍵，圖2為一典型格室構造[15-16].

圖2鋼—混結合段典型格室

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，而推出試驗結果較梁試驗結果保守.所以，目前對PBL剪力鍵力學性能的研究主要依靠推出試驗，由于各國規范中沒有對PBL剪力鍵的推出試驗作出統一規定，并且在實際工程應用中，PBL剪力鍵構造參數等均有差異，導致其推出試驗試件構造各異，并未形成統一標準.由于影響PBL剪力鍵力學性能的因素多，試件采用的材料、構造尺寸等不盡相同，導致推出試驗結果差異較大，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用作參考.

根據PBL剪力鍵在鋼—混凝土組合結構和混合結構中的構造形式，目前推出試驗結構構造可以分為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類構造.圖3(b)為B類構造是在A類構造基礎上，兩側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，故設計參數中開孔隔板厚度、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類推出試驗構造.

圖3 PBL剪力鍵的推出試驗構造圖

3 PBL剪力鍵靜力行為研究

3.1 PBL剪力鍵構造參數研究

PBL剪力鍵由開孔鋼板、混凝土及貫穿鋼筋組成，研究表明，其承載能力與其構造參數相關，包括開孔鋼板的厚度、開孔鋼板孔徑、開孔的孔洞數、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種構造形式的試驗研究數據[17-26].

3.1.1 構造形式的影響

根據表1～表3可以獲得，構造參數相似但構造形式不同的PBL剪力鍵的極限承載能力.Ahn等[18]的試驗研究表明，B類構造中Twin-PBL剪力鍵(單孔)的抗剪承載能力是A類構造PBL剪力鍵的84%～89%.肖林等[19]對相同結構參數的C類構造PBL剪力鍵承載為A類構造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類構造承載遠遠大于A類構造.

表1 PBL剪力鍵A類構造推出試驗研究數據

表2 PBL剪力鍵B類構造推出試驗研究數據

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類構造和表3中8～9試件采用A類構造，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，結果表明兩者承載能力接近.

由此可見，三類構造中就單孔PBL剪力鍵而言，C類構造承載力最高，B類構造承載能力稍低于A類構造的承載能力.所以，在鋼—混結合段中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類構造推出試驗研究數據

3.1.2 混凝土的影響

對于A類構造，Oguejiofor等[17]和Ahn等[18]的推出試驗研究表明，在其他參數保持不變情況下，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類構造，表3中研究者肖林等[19]對構造參數相同，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、側立、倒立狀態時連接鍵的承載能力(見表2中7～9試件)，試驗結果表明，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

根據表2中的歸類，2試件和4試件在其他結構參數不變的情況下，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，則孔內混凝土榫面積增大，則PBL剪力鍵承載能力增加[19].B類構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造PBL剪力鍵承載能力因素之一.在其他結構參數不變的情況下，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，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，在相同構造參數情況下，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類構造，表2中3～5試件，從不設貫穿鋼筋到分別增設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對PBL剪力鍵承載能力進行研究，見表3中10～17試件.試驗結果表明，改變貫穿鋼筋的位置，即當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，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，但是由于試驗設計不一，且結構構造具有離散性，并未形成統一的計算方法.目前，國內外一些研究機構提出的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]分別設計和制作栓釘和PBL剪力鍵的推出試驗模型，對兩種連接件的疲勞性能進行對比試驗分析，結果表明，在40%的極限荷載作用下，經過200萬次的循環作用后，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剪力鍵和剪力釘的抗疲勞性能，也得出了同樣的結論，即PBL剪力鍵的抗疲勞性能遠優于剪力釘，且在同等試驗環境下，經疲勞試驗后，PBL剪力鍵的相對滑移量也遠小于剪力釘.

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，試驗結果表明帶孔鋼板的承載力及抗疲勞性都優于栓釘連接件.歐陽雯欣等[31]以0.1的試驗應力比對6個PBL剪力鍵推出試驗進行疲勞加載.試驗結果表明，隨著疲勞加載次數的增加，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，設計并制作了6組24個PBL剪力鍵推出試驗模型，研究其在不同荷載反復作用下的疲勞性能.結果表明，試件的疲勞破壞形式為混凝土板的開裂，當疲勞荷載比(疲勞荷載與設計承載力比值)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.研究的三種結構參數都對PBL剪力鍵的抗疲勞性能有一定影響.汪炳等[34-35]設計并制作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)和疲勞加載次數為參數變量，以考察疲勞荷載后剪力鍵的力學退化性能.結果表明，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的增加呈現出先慢后快的非線性退化趨勢.

5 結 語

相關研究顯示，影響PBL剪力鍵力學性能的因素較多，包括構造形式、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范以指導對PBL剪力鍵的研究，導致推出試驗構造形式各異，試驗成果沒有得到有效地應用.本研究建議應盡快完善PBL剪力鍵試驗方法及相關規范.同時，鑒于國內外學者針對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，應加強對影響剪力鍵疲勞的因素及理論基礎的研究.尤其是在疲勞加載后，PBL剪力鍵的力學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—混結合段和主塔鋼—混結合段中，多采用剪力釘和PBL剪力鍵混合使用的形式，關于兩者協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.