鋼-混組合結構開孔板連接件力學性能研究綜述

費 文

（山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，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構，這樣組合起來可以使得兩種材料能夠共同受力和協(xié)調變形，充分發(fā)揮兩種材料各自在力學性能方面的優(yōu)點。鋼梁與混凝土板之間的連接方式是影響鋼-混組合梁強度的重要因素之一，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-混凝土組合梁的強度取決于剪力連接件的強度。

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

1 PBL連接件簡介

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（簡寫為PBL）。

PBL剪力連接件的構造形式如圖1所示，一般由以下幾個部分組成：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、加工簡單的優(yōu)勢。

圖1 PBL剪力連接件的構造形式

PBL剪力連接件的作用機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鋼板和混凝土之間的結合，并且不會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鋼板與混凝土之間的結合。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，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剪力件推出試驗及抗剪承載力影響因素

一般地，對PBL連接件的研究通常使用推出試驗和梁式試驗來評估其抗剪能力。但是由于梁式試驗試驗周期長以及試驗過程繁瑣，且試驗結果與推出試驗相比較差，所以國內目前關于PBL剪力連接件梁式試驗研究較少，一般采用推出試驗進行研究。因此本文主要對PBL剪力連接件的推出試驗進行介紹和總結。最常用的剪力件極限承載力試驗方法是推出試驗，推出試驗的構件如圖2所示，構造形式主要有H型鋼、開孔鋼板、貫穿鋼筋以及混凝土板組成。試驗時，會將試驗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試件的極限抗剪承載力。

圖2 推出試驗模式

目前，PBL剪力件的推出試驗并沒有統(tǒng)一的規(guī)范，但影響推出試驗的因素是相同的。國內外眾多學者通過多種試驗對其抗剪承載力的主要影響因素進行了研究，主要有以下幾個因素：

a）混凝土強度 根據(jù)宗周紅[2-4]等人對混凝土強度對抗剪承載力影響的相關試驗研究得出，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PBL連接件有約束作用。在其他條件不變的情況下，混凝土強度增加10%，相應的極限抗剪承載力會增加3%至5%。

b）開孔板厚度和強度 根據(jù)趙晨等[5-6]對鋼板強度等的相關試驗，開孔板厚度和強度會影響PBL連接件的破壞模式。當鋼板強度較低時，鋼板屈服會首先發(fā)生；當鋼板較薄時，混凝土榫會發(fā)生劈裂破壞，不能充分發(fā)揮混凝土的性能；當鋼板強度和厚度足夠時，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]對鋼板開孔直徑的試驗得出，混凝土榫的大小由孔徑的直徑直接決定，鋼板開孔直徑也會影響到混凝土粗骨料的進入，開孔直徑太小會使得粗骨料無法進入混凝土榫中。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，抗剪承載力分別增大約10%和30%。王濤[7]對試件試驗得出在其余變量相同的情況下，當鋼板開口孔徑增加20%，分別對應極限荷載值增加40%作用，但是同時也會降低構件的延性，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，會導致孔間鋼板應力集中致使鋼板屈服破壞；開孔間距較大時，則無法充分利用有限的開孔鋼板面積。在一定范圍內，承載力隨開孔間距的增加而增強，但是增強效果并不明顯，開孔肋板間距增加4倍時，PBL剪力件抗剪性能僅增加6%[8]。

e）貫穿鋼筋直徑與強度 王濤對試件試驗得出，當貫穿鋼筋直徑為16 mm、20 mm和22 mm，分別對應極限荷載值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，對提高PBL的承載力均有較大的貢獻[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影響到粗骨料進入孔中，反而會降低承載力。因此，貫穿鋼筋的直徑應該選擇合理的范圍。

3 PBL連接件抗剪承載力計算公式

國內外學者們在考慮不同影響因素的情況下，通過推出試驗得到了PBL剪力件的極限承載力計算公式。本節(jié)就國內外文獻，羅列出了如下公式。

表1 PBL剪力件承載力計算公式及考慮因素

4 現(xiàn)有研究不足

盡管國內外對開孔鋼板連接件的承載力等方面進行了大量的研究，但開孔鋼板連接件主要通過推出試驗研究連接件的各項性能，由于推出試驗試件結構形式不同，影響PBL剪力件極限承載能力的因素也較多，無法對全部影響因素進行研究，對于連接件的設計未達成相關共識。因此，國內對于開孔鋼板連接件的設計，未給出統(tǒng)一的規(guī)范。同時，受試驗條件的限制，學者們對連接件進行研究時，一般基于推出試驗研究個別因素對抗剪能力的影響，通過擬合公式研究PBL剪力件極限承載能力計算公式，但是由于試件的結構形式不一，且結構構造具有離散性，未形成統(tǒng)一的計算方法。

5 結語

本文通過對國內外相關文獻的總結，簡要介紹了PBL剪力連接件的歷史來歷和基本構造。總結了國內外文獻關于PBL連接件推出試驗的極限承載力影響因素，主要從混凝土強度、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行了討論。系統(tǒng)闡述了國內外文獻得到影響PBL剪力件力學性能的相關因素，又根據(jù)影響因素從國內外文獻中概括了PBL剪力連接件的抗剪承載力的計算公式，以供后續(xù)對PBL剪力連接件抗剪承載力進行研究的研究人員提供參考。