彎折貫穿鋼筋PBL剪力鍵力學性能試驗

黃彩萍， 游文峰， 譚金甲， 楊艷霜， 甘書寬

(湖北工業大學 土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068)

鋼-混凝土組合結構由于施工方便、強度大、延性好、耐腐蝕等優點，在大型橋梁、建筑和某些特定結構中得到了廣泛應用[1]。抗剪連接件作為組合結構中的重要構件，使鋼構件與混凝土形成整體，協同工作，還能抵抗鋼板和混凝土具有分離趨勢的掀起力[2]。

因此，抗剪連接件的選擇對組合結構中各材料的性能是否能夠充分發揮起著至關重要的作用。PBL(Perfobond Leiste)抗剪連接件，又稱開孔板抗剪連接件[3]，是由德國人Leonhardt和Parterners公司共同研發的一種連接件。它的特點是將開有一定數量孔洞的鋼板焊接在鋼構件上，再埋入混凝土當中，由開孔鋼板和孔中混凝土榫共同抵抗剪力。研究人員發現，在孔中插入貫穿鋼筋能有效提高該連接件的抗剪能力，因此在后期的橋梁工程應用中，多數PBL剪力鍵會設置貫穿鋼筋。PBL剪力鍵因不受方向限制、承載力高、抗疲勞效果好等優點已于眾多大型橋梁得到應用，我國南京長江三橋、廣州新光大橋、重慶朝天門大橋均采用了該剪力鍵。

為了獲得抗剪水平更加優秀的連接件，國內外學者紛紛對PBL剪力鍵進行改良，Kim等[4]提出了Y形開孔板連接件并對12個試件展開推出試驗，結果表明增大貫穿鋼筋的直徑能提高連接件的抗剪能力且在低強度混凝土時提升效果較好；李淑琴[5]對18個開孔波折板試件展開推出試驗，結果顯示開孔波折板PBL連接件的承載力相對普通PBL連接件提高了38.8%；李幗昌等[6]對10個π形開孔板連接件試件分別進行單調推出和重復荷載推出試驗，研究結果表明，貫穿鋼筋的設置能使連接件的延性更好，減小腹板間距能提高連接件的承載力；Liu等[7]提出了一種橡膠環PBL連接件，討論了不同橡膠環厚度對PBL連接件受力性能的影響，研究結果表明，橡膠環能提高PBL剪力鍵的滑移能力，降低其抗剪剛度，6 mm厚的橡膠環對滑移量的提升效果最好。

實際工程中PBL連接件的布置方式以群鍵為主，在一些鋼板尺寸較為狹小，而傳力需求較大的結構中，布置上述改良型PBL剪力鍵，可能出現施工空間不足、施工難度大、不能在滿足構造要求的前提下焊接開孔板等問題。本文提出一種簡單可行的改進方法，將普通直形貫穿鋼筋彎折后，放入開孔板中，利用鋼筋良好的抗拉性能，提高連接件的承載力。

多數學者[8～10]為詳細研究PBL剪力鍵的受力機理，會在開孔板及貫穿鋼筋上下表面黏貼應變片或三向應力花用以分析其應力應變關系。但應變片無法對試驗加載全過程進行實時動態監測，且測點容易損壞導致部分測試數據失效。近年來，光纖光柵傳感技術[11～13]被廣泛應用于溫度、應變、加速度等物理量的測試，它能對結構進行實時監測，彌補了傳統應變片因測點損壞造成測試失效的缺陷。本文分別在兩種不同形態的貫穿鋼筋上布置光柵應變傳感器，對加載全過程中貫穿鋼筋的應變值進行動態監測，用以分析不同形態貫穿鋼筋的力學性能差異。

1 試件設計

本文參考歐洲規范[14]設計并制作了6個彎折貫穿鋼筋PBL推出試件和2個直形普通貫穿鋼筋PBL推出試件，試件尺寸如圖1，2所示。每個試件均由1個250 mm×200 mm×360 mm工字型鋼、2塊開有40 mm孔徑的180 mm×60 mm開孔鋼板、2根直徑14 mm的貫穿鋼筋、2塊200 mm×320 mm×360 mm混凝土板組成，其中工字型鋼與開孔板的厚度均為16 mm，彎折鋼筋彎起方法為在距離鋼筋端頭5 cm處逆時針彎起45°，彎折長度23 cm，整個彎折鋼筋呈反“Z”字形,。試件各材料的主要力學指標如表1所示。為避免混凝土發生脆性破壞，根據我國現行GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》[15]按構造要求配置鋼筋骨架。

表1 推出試件材料屬性 MPa

圖1 彎折鋼筋PBL試件構造/mm

圖2 直形鋼筋PBL試件構造/mm

2 測點布置及加載方案

2.1 相對滑移量測點布置

剪力連接件連接鋼構件和混凝土構件，如果鋼-混結合面滑移量過小，結構可能因連接件的延性不足發生脆性破壞，而滑移量過大又會造成連接件抗剪剛度降低。因此型鋼與混凝土的相對滑移量是考察連接件延性的一個重要指標。本文相對滑移量測點布置在鋼-混結合面的中部，如圖3所示。

圖3 相對滑移測點布置

2.2 應變測點布置

應變可以直接反映構件的受力狀態。本文采用光柵應變傳感器代替傳統的應變片對兩種形態的貫穿鋼筋在加載全過程應變值進行動態監測。

如圖4所示，在直形1號和彎折1～3號試件的貫穿鋼筋上布置光柵傳感器應變測點，兩個底座焊接好后將光柵傳感器安裝于底座上，為保證測量的精確性，使用硬質PVC塑料對傳感器進行封裝，起到保護傳感器和隔絕混凝土的作用，如圖5所示。本文采用型號為JFSS-04的低溫敏型光纖光柵應變傳感器，中心波長1510～1590 nm，測量標距為60 mm，采用如圖6所示的美國Micro Optics公司生產的SM-125解調儀，該解調儀的波長掃描范圍滿足要求，掃描頻率為2 Hz，波長及應變的變化情況由配套計算機軟件自動記錄，無需人工讀取，在加載全過程中，設定解調儀的解調頻率為3次/min。

圖4 光柵應變測點布置/mm

圖5 光柵應變傳感器封裝

圖6 SM-125解調儀

2.3 加載方案

推出試驗在電液伺服壓力試驗機YAW-3000G上進行，利用垂線法及球角鋼板對中調平。試驗開始前以100 kN的預壓荷載對試件進行預壓，微調試件位置，當4個百分表讀取的相對滑移量誤差在±0.1 mm以內時認為試件處于軸心受壓狀態。

正式加載采用分級位移加載，設定加載速率為0.4 mm/min，每級位移荷載0.4 mm，持荷2 min。當加載位移達到4 mm后，為保證試驗安全，調整加載速率至0.2 mm/min，每級位移荷載為0.2 mm，持荷2 min，直至試件破壞，試驗加載如圖7所示。

圖7 試驗加載過程

3 試驗結果分析

3.1 試件破壞形態

(1)本次試驗中，8個試件均是以混凝土嚴重開裂無法繼續承載宣告破環的，此時試驗機無法繼續施加位移荷載停止試驗。

(2)如圖8所示，直形鋼筋試件的主要破壞位置在混凝土頂面及側面。試件破壞時，混凝土頂面出現較大橫向裂縫并朝兩側延伸；底部混凝土因受到較大壓力，從側面開始出現豎向裂縫，并向上延伸。

圖8 直形鋼筋試件混凝土開裂部位

(3)彎折鋼筋試件的主要破壞位置在混凝土頂面及鋼-混結合面，如圖9所示。混凝土頂部裂縫隨荷載的增大只向單邊延伸；結合面處混凝土出現斜向裂縫，最終剪切破環。

圖9 彎折鋼筋試件混凝土開裂部位

(4)試驗加載結束后，對試件混凝土進行不同方向剖切，平行于開孔板的剖切面稱為1-1，平行于貫穿鋼筋的剖切面稱為2-2，剖切部位如圖10所示。

圖10 剖切面示意/mm

直形鋼筋試件的剖切面如圖11所示。由圖11a可見，混凝土底部先開始出現斜向裂縫，然后向上延伸，直至貫通；由圖11b可見，開孔板下部混凝土已被割裂，位于開孔板兩側的混凝土開裂，呈剪壓破壞，鋼筋末端周圍的混凝土出現斜向裂縫，直至貫通。

圖11 直形鋼筋試件混凝土剖切面

彎折鋼筋試件的剖切面如圖12所示。由圖12a可見，混凝土底部出現斜向裂縫，但沒有貫通；由圖12b可見，開孔板底部的混凝土出現大面積破壞，但上部由于試件采用的是彎折鋼筋，試件受力時，沒有發生類似于直形鋼筋試件的貫通裂縫。

圖12 彎折鋼筋試件混凝土剖切面

(5)鑿開部分試件，取出開孔板中的貫穿鋼筋。直形鋼筋和彎折鋼筋的變形對比如圖13所示，兩種鋼筋沒有發生過大的變形，在開孔板的位置有輕微彎曲，說明試件均是由于混凝土被剪切破壞而失效的。

圖13 兩種貫穿鋼筋變形對比/cm

3.2 極限承載力

本次試驗采用位移加載，試驗機會自動換算每級位移荷載對應力的大小，本文取加載過程中試驗機記錄的最大剪力作為試件的極限承載力。由于每個試件中包含2個PBL剪力鍵，將試件所受最大剪力的1/2作為單個連接件的抗剪承載力。表2列出了本次試驗8個試件的極限承載力及單個PBL剪力鍵的抗剪承載力。

表2 試件承載力匯總 kN

由表2可見，彎折鋼筋PBL剪力鍵的抗剪承載力為233.07 kN，較普通PBL剪力鍵提高了10.42%。表3列出了部分學者的試驗參數及單孔PBL剪力鍵的抗剪承載力。由表3可見，本次試驗所得PBL剪力鍵的抗剪承載力與其他學者的試驗結果較為接近，試驗效果良好。

表3 部分學者試驗參數及抗剪承載力匯總

針對含有貫穿鋼筋的PBL剪力鍵，許多學者及國家規范均給出了抗剪承載力計算公式，我國學者胡建華等[18]基于自身推出試驗，提出了以下計算公式：

(1)

式中：Qu為極限承載力；α取1.320125；β為普通橫向鋼筋影響系數，當橫向鋼筋的配箍率不大于0.18%時，β取1.204479，大于0.18%時，β取1.042948；Atr，A′tr為貫穿鋼筋和普通橫向鋼筋截面面積；fy，f′y為貫穿鋼筋和普通橫向鋼筋的抗拉強度；γ為構件系數，取1.95168；Asc為環形混凝土榫的面積；fc為混凝土立方體抗壓強度。

Medberry等[19]考慮了型鋼翼緣板與混凝土結合面的摩擦力，提出了以下計算公式：

(2)

式中：b為混凝土厚度；h為開孔板下邊沿至混凝土底部的距離；Ac為型鋼翼緣板與混凝土的接觸面面積；n為開孔數量；D為開孔板孔徑；f′cd為混凝土圓柱體抗壓強度。

文獻[14]提出了以下計算公式：

(3)

式中：56×103≤A≤380×103；d為貫穿鋼筋直徑；γ一般取1.0。

文獻[20]提出了下列計算公式：

(4)

式中：72.3×103≤A≤488.0×103；γb取1.3。

現將本次試驗相關參數帶入上述計算公式，得出PBL剪力鍵的抗剪承載力計算值，如表4所示。

表4 PBL剪力鍵抗剪承載力計算值匯總 kN

由表4可見，本次試驗所得普通直形鋼筋PBL剪力鍵的抗剪承載力與式(1)計算值較為吻合，與式(2)的計算值偏差較大。式(2)中鋼-混結合面的摩擦力偏大，實際情況是結合面一旦出現分離，摩擦力幾乎為0。而式(3)(4)沒有考慮混凝土中普通鋼筋的抗剪，計算得到的PBL剪力鍵抗剪承載力偏小。所以式(1)與實際情況較為相符，本文試驗得到相關數據可靠。

3.3 荷載滑移曲線

本次推出試驗鋼-混結合面的相對滑移量取四個百分表讀數(每級荷載讀數減去初讀)的平均值，8個試件的荷載-滑移曲線如圖14所示。

圖14 荷載-滑移曲線

由圖14可見：

(1)PBL剪力鍵的荷載-滑移曲線在彈性階段的滑移量非常小，肉眼基本觀察不出鋼板和混凝土之間的相對滑移，達到最大承載力后，由于混凝土局部開裂，試件承載力迅速下降。

(2)8個試件的荷載滑移曲線在彈性階段趨勢基本相同。當荷載小于100 kN時，滑移量極其微小，這是由于結合面的粘結抵消了部分剪力。當結合面的粘結完全消除后，滑移量隨著荷載的增大開始緩慢增加，直至達到最大承載力，但滑移量的增幅始終較小。

(3)彎折鋼筋試件在進入塑性階段后，荷載-滑移曲線出現了二次上升現象，直形鋼筋在進入塑性階段后，荷載-滑移曲線緩慢下降，沒有再上升，說明彎折鋼筋試件的承載力在達到極限后不會立即失效，有利于提高PBL連剪力鍵的延性。

3.4 抗剪剛度分析

對于抗剪剛度的定義，各國學者的方法有所不同。日本研究人員以荷載-滑移曲線中1/3極限荷載處的割線斜率作為抗剪剛度[21]；愛爾蘭學者Ohelers基于大量的推出試驗，以1/2極限荷載對應的割線斜率作為抗剪剛度；我國學者大多以滑移量為0.2 mm處的割線斜率作為抗剪剛度。本文依據上述三種抗剪剛度計算方法，分別計算每個試件中單個PBL剪力鍵的抗剪剛度，表5列出了兩種貫穿鋼筋PBL剪力鍵抗剪剛度的平均值。

由表5可見：

表5 PBL剪力鍵抗剪剛度匯總 kN/mm

(1)1/2極限荷載處的割線剛度明顯小于其他兩種計算方法得出的抗剪剛度，這是由于當剪力為極限荷載的1/2時，結合面的滑移量已相對較大，可以判定8個試件均已進入塑性階段，所以此方法計算得到的是PBL剪力鍵在塑性階段的抗剪剛度。

(2)當剪力為極限荷載的1/3時，此時鋼-混結合面的粘結力還未完全消除，相對滑移量非常微小，所以此方法計算得到的是PBL剪力鍵在彈性階段的抗剪剛度。

(3)當滑移量為0.2 mm時，荷載-滑移曲線的切線斜率與割線斜率之比約為0.5，可認為此處為曲線線性與非線性階段的臨界點，采用此處的割線斜率作為PBL剪力鍵的抗剪剛度較為合理，按此方法計算得到的彎折鋼筋PBL剪力鍵的抗剪剛度為472.33 kN·mm-1，較直形鋼筋PBL剪力鍵提升了10.67%。

3.5 應變分析

本文光柵應變傳感器所測試的為傳感器正下方60 mm范圍內不同形態貫穿鋼筋的應變。本次試驗捕捉了整個加載過程中貫穿鋼筋的應變值，圖15給出了整個加載過程中兩種貫穿鋼筋的應變值。根據鋼筋的應變變化可以得出貫穿鋼筋是否屈服，進而分析PBL剪力鍵的破壞機理。由于試驗的加載方向為千斤頂從混凝土底部向上施加位移荷載，為避免傳感器受到混凝土或封裝套的擠壓，將光柵應變傳感器布置在貫穿鋼筋上表面，所測應變為壓應變。

圖15 貫穿鋼筋應變隨時間的變化趨勢

由圖15可見：

(1)整個加載過程可分為加載初期、前期、中期、后期四個階段。在加載初期，鋼-混結合面傳遞的剪力較小，主要由型鋼與混凝土之間的粘結抵抗，兩種貫穿鋼筋的應變值很小，鋼筋處于彈性階段，將所測應變值換算成應力值，直形鋼筋的應力為0.72 MPa左右，彎折鋼筋的應力范圍為0.81～4.88 MPa。

(2)結合面的粘結完全消除后試驗進入加載前期，貫穿鋼筋在荷載作用下開始受力，剪力由貫穿鋼筋與環形混凝土榫共同抵抗，鋼筋上表面開始壓縮，傳感器監測到的應變逐漸增大。

(3)試驗進入加載中期后，直形鋼筋的應變變化不大，而彎折鋼筋的應變仍在繼續增大，對比此階段的荷載滑移-曲線，此時直形鋼筋試件所受剪力為397.23 kN，為最大剪力的96.4%，彎折鋼筋試件所受剪力約為最大剪力的91.2%，加載速率及時間均相同的條件下，彎折鋼筋的應變遠大于直形鋼筋的應變，說明彎折鋼筋分配到的剪力更大。

(4)試驗進入加載后期時，兩種貫穿鋼筋的應變值均無明顯變化，這是由于此時的混凝土已嚴重開裂，混凝土對貫穿鋼筋失去了約束作用，試件僅靠混凝土的殘余強度進行承載。

4 數值分析

4.1 數值建模

尺寸按推出試件設置，模型中所有構件均采用C3D8R單元；混凝土榫與開孔鋼板、工字型鋼與混凝土的接觸面均采用面面接觸，并設置0.5的摩擦系數；混凝土底部施加全約束，荷載自鋼板頂部向下施加，加載方式為位移加載；鋼材采用雙折線理想彈塑性本構模型，混凝土采用丁發興[22]提出的單軸受力損傷本構模型，模型網格如圖16所示。

圖16 模型網格示意

4.2 試驗與數值計算結果對比分析

(1)抗剪承載力及荷載-滑移曲線

由圖14可見：對于兩種貫穿鋼筋PBL剪力鍵荷載-滑移曲線，有限元計算值與試驗值較為吻合，規律也相同，有限元計算的荷載-滑移曲線也分為上升和下降兩個階段。直形鋼筋PBL剪力鍵抗剪承載力的實測平均值為211.07 kN，對應滑移量為0.96 mm，有限元計算值為214.14 kN，對應滑移量為0.97 mm，計算誤差為1.4%。彎折鋼筋PBL剪力鍵抗剪承載力的實測平均值為233.07 kN，對應滑移量為1.07 mm，有限元計算值為231.20 kN，對應滑移量為1.02 mm，計算誤差為0.08%。

(2)貫穿鋼筋的應力

兩種貫穿鋼筋的最大Mises應力云圖如圖17所示。

圖17 兩種貫穿鋼筋應力對比/MPa

由圖17可見：兩種貫穿鋼筋均在中部出現較高的應力水平，該部分位于開孔板中心，應力由鋼筋中部向兩端逐漸降低，鋼筋端部的應力非常微小。直形鋼筋的最大實測應力為29.78 MPa，有限元計算最大應力為32.09 MPa，彎折鋼筋的最大實測應力為54.16 MPa，有限元計算最大應力為70.90 MPa，均發生在鋼筋中部，有限元計算結果和推出試驗相符。兩種貫穿鋼筋的最大應力均遠小于鋼筋的屈服應力371 MPa，說明PBL剪力鍵的破壞并非由貫穿鋼筋屈服引起。

5 結 論

本文結合光纖光柵傳感技術以推出試驗的方式分析了普通直形鋼筋PBL剪力鍵和彎折鋼筋PBL剪力鍵的各項受力指標，得出以下結論：

(1)在各項材料相同的條件下，彎折鋼筋PBL剪力鍵的承載力較普通直形鋼筋PBL剪力鍵提高了10.42%，抗剪剛度提升了10.67%，經過改良后的PBL剪力鍵抗剪性能優于普通PBL剪力鍵；

(2)彎折鋼筋PBL剪力鍵達到極限承載力后，結構不會立刻失效，承載力在下降階段會出現二次上升，提高了PBL剪力鍵的延性；

(3)彎折鋼筋PBL剪力鍵有效地改善了剪力連接件在達到承載力時混凝土出現貫通裂縫的現象，有利于結構的承載。

(4)PBL剪力鍵的破壞以縱向混凝土的開裂為主，使用PBL剪力鍵時應注意開孔板和貫穿鋼筋的埋深問題。