賀紹華，方 志，張 龍，李 谷，劉 明

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

鋼-混結(jié)合段作為混合梁橋的關(guān)鍵受力部位，其內(nèi)力一般通過剪力鍵傳遞。目前使用較廣的剪力鍵主要是傳統(tǒng)栓釘鍵，具有焊接方便、可批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但存在抗疲勞性能不足的問題，且布置密度通常較大，給焊接施工帶來(lái)不便[1]。開孔板抗剪連接件PBL(perfobond rib connector)于1987年由德國(guó)Partners公司首先開發(fā)提出，主要由開有多個(gè)孔洞的鋼板和孔內(nèi)貫穿鋼筋組成，具有施工簡(jiǎn)便、受力性能優(yōu)異等特點(diǎn)[2]。

自PBL問世以來(lái)，各國(guó)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛研究[3-12]，但主要集中在普通混凝土PBL。在高強(qiáng)混凝土PBL方面，HEGGER等[13]通過推出試驗(yàn)和大尺寸組合梁試驗(yàn)，研究循環(huán)荷載下高強(qiáng)混凝土PBL的受力性能，結(jié)果表明高強(qiáng)混凝土PBL抗疲勞性能可以得到較大改善?；钚苑勰┗炷罵PC(Reactive Powder Concrete)是一種基于最大密實(shí)度原理配置的超高性能混凝土，具有強(qiáng)度高、耐久性好等特點(diǎn)[14]。它不含粗骨料，將RPC作為混合梁鋼-混結(jié)合段的灌注材料，其更易通過剪力鍵間隙進(jìn)入內(nèi)部，從而解決普通混凝土難以灌注密實(shí)的問題。且RPC相對(duì)普通混凝土具有更好的力學(xué)特性，其進(jìn)入結(jié)合段后有望進(jìn)一步改善PBL的受力性能，目前相關(guān)研究較少。

PBL的破壞形態(tài)可分為孔內(nèi)榫剪斷、開孔鋼板屈服、混凝土榫壓碎和混凝土板劈裂等，不同破壞形態(tài)下PBL的傳力原理差異明顯[9]?？變?nèi)榫剪斷時(shí)，PBL的抗剪能力得到充分發(fā)揮，是鋼-混結(jié)合段PBL期望的破壞形態(tài)，目前對(duì)該破壞形態(tài)下PBL傳力原理的研究還不夠明確[12]。文獻(xiàn)[15]研究表明：黏結(jié)作用對(duì)剪力鍵承載力的影響不容忽略，已有PBL承載力計(jì)算式均未考慮開孔板與混凝土間的黏結(jié)作用，承載力計(jì)算結(jié)果偏小，導(dǎo)致結(jié)合段PBL的布置密度偏大，加大了施工難度。因此，通過試驗(yàn)建立考慮黏結(jié)作用的PBL承載力公式，對(duì)充分發(fā)揮PBL的抗剪能力、簡(jiǎn)化結(jié)合部抗剪構(gòu)造也具有現(xiàn)實(shí)意義。

基于以上現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了能反映鋼-混結(jié)合段PBL構(gòu)造特征的插入式試件，對(duì)采用RPC澆筑、孔內(nèi)榫剪斷破壞形式下的PBL傳力原理進(jìn)行研究，同時(shí)制作C50普通混凝土試件進(jìn)行對(duì)比?；谠囼?yàn)結(jié)果，推導(dǎo)得到破壞形式為孔內(nèi)榫剪斷、考慮開孔板與混凝土間黏結(jié)作用的混合梁鋼-混結(jié)合段PBL承載力計(jì)算公式。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

參考日本鶴見航道橋橋塔鋼-混結(jié)合段剪力鍵的試驗(yàn)方法[16]，采用插入式試件進(jìn)行研究，共設(shè)計(jì)2類7組共28個(gè)插入式試件進(jìn)行破壞試驗(yàn)。試件根據(jù)混凝土材料分為RPC試件和C50普通混凝土試件，每類試件按剪力鍵類型分為1組栓釘試件和6組PBL試件，其中6組PBL試件依承載力組成特點(diǎn)分別為純黏結(jié)試件、無(wú)黏結(jié)純榫試件、含黏結(jié)純榫試件、含黏結(jié)鋼筋試件、無(wú)黏結(jié)PBL試件和標(biāo)準(zhǔn)PBL試件。純黏結(jié)試件旨在研究開孔板與混凝土間的黏結(jié)作用，其承載力僅由黏結(jié)作用提供；無(wú)黏結(jié)純榫試件鋼板表面涂油消除黏結(jié)，意在研究孔內(nèi)混凝土榫的抗剪作用；含黏結(jié)純榫試件為黏結(jié)和混凝土榫共同作用，研究?jī)烧吖餐芰r(shí)的性能；含黏結(jié)鋼筋試件鋼板孔內(nèi)設(shè)置直徑與開孔大小接近的貫穿鋼筋，對(duì)黏結(jié)和貫穿鋼筋的協(xié)同抗剪進(jìn)行研究；無(wú)黏結(jié)PBL試件鋼板表面涂油，孔內(nèi)有貫穿鋼筋和混凝土榫，對(duì)貫穿鋼筋和混凝土榫共同作用下的受力性能進(jìn)行研究；標(biāo)準(zhǔn)PBL試件在無(wú)黏結(jié)PBL試件的基礎(chǔ)上，考慮鋼板與混凝土間的黏結(jié)作用，對(duì)黏結(jié)、貫穿鋼筋和混凝土榫三者共同受力時(shí)的傳力原理進(jìn)行研究。試件制作時(shí)，均消除鋼板端部混凝土的支承作用。每組制作2個(gè)相同試件，試件具體分類見表1。

表1 試件基本特征

開孔鋼板高555 mm、寬300 mm、厚25 mm，孔內(nèi)貫穿鋼筋采用HRB335，普通箍筋為HPB235，配箍率0.64%。為保證混凝土對(duì)貫穿鋼筋能有效錨固，設(shè)計(jì)鋼板兩側(cè)混凝土厚190 mm。試件編號(hào)意義如下：ST—栓釘試件；P—PBL試件；R/C—RPC或C50普通混凝土；bn—開孔板與混凝土的黏結(jié)狀態(tài)，b0表示無(wú)黏結(jié)，b1為有黏結(jié)；rn—孔內(nèi)貫穿鋼筋情況，r0表示無(wú)貫穿鋼筋，r1為有貫穿鋼筋；dn—孔內(nèi)混凝土榫情況，d0為無(wú)混凝土榫，d1為有混凝土榫。如PR-b1r0d1表示采用RPC澆筑的PBL試件，開孔板與混凝土間有黏結(jié)，孔內(nèi)有混凝土榫，無(wú)貫穿鋼筋。圖1為試件的基本構(gòu)造及尺寸。

(a)栓釘試件

(b)PBL試件圖1 插入式試件構(gòu)造

圖1(a)為栓釘試件基本尺寸，鋼板兩側(cè)對(duì)稱焊接φ22、長(zhǎng)度為150 mm的栓釘，圖1(b)為PBL試件，其中純黏結(jié)試件鋼板不開孔，含黏結(jié)鋼筋試件鋼板開孔直徑21 mm，其余試件鋼板開孔直徑均為60 mm，且無(wú)黏結(jié)純榫試件、含黏結(jié)純榫試件孔內(nèi)無(wú)貫穿鋼筋，無(wú)黏結(jié)PBL試件、標(biāo)準(zhǔn)PBL試件孔內(nèi)有貫穿鋼筋。試驗(yàn)加載參照EC4規(guī)定[17]：第一階段從5%預(yù)估極限荷載加載到40%預(yù)估極限荷載，加載通過力控制，速率5 kN/s；第二階段通過鋼板滑移進(jìn)行控制，加載從開始到結(jié)束不少于15 min，采用LVDT對(duì)鋼板自由端滑移進(jìn)行采集，圖2為成型的插入式試件。

圖2 澆筑成型的插入式試件

1.2 材料特性

RPC具有流動(dòng)性大、不含粗骨料的特點(diǎn)，采用其作為鋼-混結(jié)合段灌注材料，可通過壓漿方式實(shí)現(xiàn)灌注，結(jié)合段質(zhì)量更易保障?？紤]到常規(guī)壓漿設(shè)備難以施工含鋼纖維的漿體，故試驗(yàn)采用的RPC不含鋼纖維，其配比見表2。

表2 素RPC材料配合比

RPC的設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度為100 MPa，普通混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，分別制作RPC和C50立方體和棱柱體試件18個(gè)。由于實(shí)橋結(jié)合段在灌注RPC后一般不具備熱養(yǎng)條件，故所有試件均采用常溫養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期28 d。

RPC立方體邊長(zhǎng)為100 mm，棱柱體為100 mm×100 mm×400 mm；C50混凝土立方體邊長(zhǎng)為150 mm，棱柱體為150 mm×150 mm×300 mm。實(shí)測(cè)RPC、C50、栓釘和鋼筋的材料性能見表3、表4。

表3 混凝土材料性能

表4 鋼筋、栓釘材料性能

2 破壞形態(tài)及荷載-滑移曲線分析

表5為試件靜力試驗(yàn)結(jié)果，極限荷載Pu為試件的荷載峰值，極限滑移Su為Pu對(duì)應(yīng)的鋼板自由端滑移。

表5 試驗(yàn)結(jié)果

注：式( 2 )見后文“5 PBL鍵承載力計(jì)算模型”。

2.1 破壞形態(tài)

試驗(yàn)結(jié)束后檢查開孔板未發(fā)現(xiàn)鋼板屈服，同時(shí)除純黏結(jié)試件外，其余試件均因孔內(nèi)榫剪斷破壞，且不同混凝土澆筑的同組試件破壞形態(tài)相近。

圖3(a)～圖3(c)為PBL試件的破壞情況。純黏結(jié)試件破壞以鋼板從混凝土中推出為標(biāo)志，試件破壞后表面無(wú)裂縫；無(wú)黏結(jié)純榫試件和含黏結(jié)純榫試件破壞時(shí)混凝土榫沿鋼板兩側(cè)剪斷，表面僅有少量微小裂縫；含黏結(jié)鋼筋試件破壞時(shí)貫穿鋼筋剪斷，鋼筋斷面剪切痕跡明顯，試件裂縫較多；無(wú)黏結(jié)PBL試件和標(biāo)準(zhǔn)PBL試件中貫穿鋼筋周圍由于有混凝土榫包裹，貫穿鋼筋剪斷時(shí)彎曲變形明顯(圖3(c))。圖3(d)為沿焊接根部剪斷的栓釘，栓釘身無(wú)明顯變形，根部斷面剪切特征明顯，破壞后的栓釘試件表面裂縫較少。

(a)PR/C-b1r1d0破壞形態(tài)

(b)PR/C-b0(1)r1d1破壞形態(tài)

(c)PR/C-b0(1)r1d0(1)鋼筋破壞形態(tài)

(d)剪斷的栓釘形態(tài)圖3 試件破壞形態(tài)

2.2 荷載滑移曲線

圖4為試件的荷載-鋼板滑移曲線。由圖4可知：采用RPC和C50澆筑的同組試件曲線特征接近，但荷載峰值和極限滑移值差異明顯。

(a)PR/C-b1r0d0試件荷載滑移曲線

(b)PR/C-b0r0d1試件荷載滑移曲線

(c)PR/C-b1r0d1試件荷載滑移曲線

(d)PR/C-b1r1d0荷載滑移曲線

(e)PR/C-b0r1d1試件荷載滑移曲線

(f)PR/C-b1r1d1試件荷載滑移曲線圖4 試件荷載-滑移曲線

圖4(a)為純黏結(jié)試件滑移曲線。峰值荷載前，鋼板和混凝土貼合緊密，化學(xué)黏結(jié)與摩擦作用共同抗剪，滑移增長(zhǎng)緩慢；峰值荷載附近，化學(xué)黏結(jié)完全消退，滑移增長(zhǎng)迅速，且滑移大于2 mm后，滑動(dòng)摩擦大小基本保持穩(wěn)定。

圖4(b)為無(wú)黏結(jié)純榫試件滑移曲線。峰值荷載前，孔內(nèi)混凝土榫處于彈性受力狀態(tài)，滑移隨加載線性增大；混凝土榫剪斷后，滑移增長(zhǎng)加快，受斷面上摩擦作用影響，曲線在進(jìn)入下降段后仍有一定的殘余承載力。

圖4(c)為含黏結(jié)純榫試件滑移曲線，其特征與圖4(b)無(wú)黏結(jié)純榫試件相似。由于鋼板與混凝土間有黏結(jié)作用，含黏結(jié)純榫試件曲線的彈性變化段比無(wú)黏結(jié)純榫試件長(zhǎng)，峰值荷載和殘余荷載更大。

圖4(d)為含黏結(jié)鋼筋試件滑移曲線?；瘜W(xué)黏結(jié)失效前，鋼板滑移較??；黏結(jié)作用失效后，貫穿鋼筋承擔(dān)絕大部分剪力，滑移隨貫穿鋼筋屈服迅速增大，曲線在貫穿鋼筋剪斷的同時(shí)進(jìn)入下降段。

圖4(e)為無(wú)黏結(jié)PBL試件滑移曲線。由于接觸面為無(wú)黏結(jié)狀態(tài)，所有荷載均由孔內(nèi)鋼筋混凝土榫承擔(dān)，鋼板前期滑移主要為鋼筋混凝土榫的彈性變形；混凝土包裹榫剪斷后，貫穿鋼筋承擔(dān)大部分剪力并逐漸屈服，滑移增長(zhǎng)加快，貫穿鋼筋剪斷后荷載迅速減小。

由圖4(f)可知，標(biāo)準(zhǔn)PBL試件滑移曲線分段特征明顯：第一階段，荷載主要由化學(xué)黏結(jié)承擔(dān)，鋼板幾乎無(wú)滑移；第二階段，化學(xué)黏結(jié)失效后，滑動(dòng)摩擦與孔內(nèi)鋼筋混凝土榫共同抗剪，滑移隨荷載增大逐漸增大；第三階段，混凝土包裹榫剪斷，貫穿鋼筋屈服，滑移迅速增大；最后，曲線隨貫穿鋼筋剪斷進(jìn)入下降段。

結(jié)合試件的破壞特征和荷載-滑移曲線，可對(duì)剪力鍵承載力組成進(jìn)行分析，以PC-b1r0d1和PR-b1r1d1試件為例，圖5為分析示意。

PC-b1r0d0和PC-b0r0d1的承載力分別由黏結(jié)作用和混凝土榫作用組成，其破壞形態(tài)分別為鋼板推出和混凝土榫剪斷，與PC-b1r0d1中黏結(jié)和混凝土榫的失效特征一致。因此在滑移協(xié)調(diào)的前提下，結(jié)合黏結(jié)和混凝土榫單獨(dú)作用下的滑移曲線，可對(duì)兩者共同作用時(shí)的承載力進(jìn)行分析。結(jié)合圖5(a)，PC-b1r0d1-1極限滑移為1.634 mm，PC-b1r0d0-1和PC-b0r0d1-1曲線上與此滑移對(duì)應(yīng)的荷載值分別為156 kN和253 kN，即通過試件的滑移曲線可分別得到PC-b1r0d1-1中黏結(jié)作用和混凝土榫作用提供的抗力依次為156 kN和253 kN。

(a)PR-b1r0d1-1

(b)PR-b1r1d1-1圖5 試件承載力組成分析

同理，結(jié)合圖5(b)，PR-b1r1d1-1的極限滑移為16.344 mm，由PR-b1r0d0-1和PR-b0r0d1-1曲線得到黏結(jié)作用和混凝土榫作用分別為122 kN和276 kN。結(jié)合圖3(c)可知，PR-b1r1d1中貫穿鋼筋呈彎剪破壞，PR-b1r1d0中貫穿鋼筋為純剪破壞，兩種破壞形式下貫穿鋼筋提供的抗力不等，故PR-b1r1d1中貫穿鋼筋作用不能通過PR-b1r1d0曲線得到；與此同時(shí)，PR-b1r0d1中黏結(jié)和混凝土榫的破壞特征與PR-b1r1d1一致，故可結(jié)合兩者曲線得到PR-b1r1d1-1中貫穿鋼筋作用。PR-b1r0d1-1曲線在滑移為16.344 mm時(shí)的荷載值為423 kN，PR-b1r1d1-1的極限承載力為651 kN，兩者之差即為貫穿鋼筋作用228 kN。因此，PR-b1r1d1-1中黏結(jié)作用、貫穿鋼筋作用、混凝土榫作用分別為122 kN、228 kN、276 kN。同理，PR/C-b1r1d0中貫穿鋼筋作用可結(jié)合PR/C-b1r0d0曲線得到，PR/C-b0r1d1中貫穿鋼筋作用結(jié)合PR/C-b0r0d1曲線也可得到。各試件分析結(jié)果見表6，表中累加值指按上述方法得到的黏結(jié)作用、貫穿鋼筋作用和混凝土榫作用三者之和。

表6 各試件承載力分析結(jié)果

由表6可知，基于荷載-滑移曲線，按滑移變形協(xié)調(diào)原則分析得到的承載力累加值與試驗(yàn)值間的最大誤差為13%，能滿足PBL承載力分析時(shí)的精度要求。后面將結(jié)合表6對(duì)PBL承載力各組成部分的影響進(jìn)行分析。

3 PBL承載力的影響因素及傳力原理

3.1 黏結(jié)作用影響

結(jié)合表5中PR-b1r0d0和PC-b1r0d0承載力結(jié)果，可得到鋼板與RPC和C50間的平均黏結(jié)強(qiáng)度分別為1.17 MPa和1.01 MPa。對(duì)比可知，雖然RPC的抗壓強(qiáng)度相對(duì)C50增大了近1倍，但RPC取代C50后的黏結(jié)強(qiáng)度僅提高了16%，黏結(jié)強(qiáng)度隨混凝土抗壓強(qiáng)度增大提高較小。

由于接觸面上的黏結(jié)作用參與抗剪，含黏結(jié)試件的承載力均較無(wú)黏結(jié)試件大。結(jié)合表5，使用RPC和C50兩種混凝土情況下，標(biāo)準(zhǔn)PBL試件承載力比無(wú)黏結(jié)PBL試件分別提高16%和7%，含黏結(jié)純榫試件比無(wú)黏結(jié)純榫試件分別提高15%和28%。此外，黏結(jié)作用對(duì)剪力鍵變形性能的影響也較大，含黏結(jié)純榫試件的極限滑移比無(wú)黏結(jié)純榫試件增大133%，標(biāo)準(zhǔn)PBL試件極限滑移比無(wú)黏結(jié)PBL試件增大129%，這是由于接觸面為無(wú)黏結(jié)狀態(tài)時(shí)，荷載經(jīng)鋼板直接傳至孔內(nèi)榫，滑移主要為榫的剪切變形；接觸面為有黏結(jié)狀態(tài)時(shí)，鋼板前期滑移主要為鋼板與兩側(cè)混凝土間的壓縮變形差，化學(xué)黏結(jié)失效后，孔內(nèi)榫參與受力，鋼板滑移包括前期的累計(jì)滑移和后期榫的變形。

3.2 混凝土榫影響

RPC相對(duì)C50具有更高的抗剪強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度，采用RPC澆筑的剪力鍵試件承載力比C50試件更大。由表5可知，RPC無(wú)黏結(jié)純榫試件的承載力比C50無(wú)黏結(jié)純榫試件增大26%，RPC含黏結(jié)純榫試件承載力比C50試件提高13%。

在貫穿鋼筋周圍包裹混凝土榫后，剪力鍵的承載力和變形能力均有較大提高。RPC和C50兩種材料下，標(biāo)準(zhǔn)PBL試件的承載力比含黏結(jié)鋼筋試件平均增大80%，極限滑移值增大143%。混凝土包裹榫對(duì)標(biāo)準(zhǔn)PBL的影響原理：滑移較小階段，混凝土包裹榫承擔(dān)大部分剪力；混凝土包裹榫剪斷后，孔內(nèi)混凝土主要向貫穿鋼筋傳遞荷載，由于混凝土分散了剪切荷載，貫穿鋼筋同時(shí)承受彎矩和剪力作用，使鋼筋內(nèi)部剪應(yīng)力減小，其抗剪能力和變形性能均較孔內(nèi)無(wú)混凝土榫的含黏結(jié)鋼筋試件得到改善。

結(jié)合表6，PR-b1r0d1和PC-b1r0d1中混凝土榫作用分別占試件承載力的62%和61%，PR-b1r1d1和PC-b1r1d1中混凝土榫貢獻(xiàn)的承載力占42%和38%。比較可知，由于標(biāo)準(zhǔn)PBL承載力包括黏結(jié)、混凝土榫和貫穿鋼筋3部分，其承載力中混凝土榫貢獻(xiàn)比例比僅包含黏結(jié)和混凝土榫作用的含黏結(jié)純榫試件小。

3.3 貫穿鋼筋影響

貫穿鋼筋的變形能力遠(yuǎn)大于混凝土榫，PBL的延性主要受孔內(nèi)貫穿鋼筋控制。結(jié)合表5，RPC和C50兩種材料下，無(wú)黏結(jié)PBL試件的極限滑移值為無(wú)黏結(jié)純榫試件的10.8倍，標(biāo)準(zhǔn)PBL試件的極限滑移值為含黏結(jié)純榫試件的10.5倍。同時(shí)，由于鋼材的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)高于混凝土，孔內(nèi)設(shè)置貫穿鋼筋后，PBL的承載力也明顯提高，兩種混凝土下，無(wú)黏結(jié)PBL試件承載力相對(duì)無(wú)黏結(jié)純榫試件平均增大63%，標(biāo)準(zhǔn)PBL試件承載力相對(duì)含黏結(jié)純榫試件提高50%。

結(jié)合表6，貫穿鋼筋抗剪在含黏結(jié)鋼筋試件承載力中占62%，在無(wú)黏結(jié)PBL試件中占49%，在標(biāo)準(zhǔn)PBL試件中占39%，對(duì)比可知不同試件中貫穿鋼筋貢獻(xiàn)的承載比例相差較大。這是由于標(biāo)準(zhǔn)PBL試件包含黏結(jié)作用、混凝土榫作用和貫穿鋼筋作用，無(wú)黏結(jié)PBL試件僅包含混凝土榫作用和貫穿鋼筋作用，兩試件中貫穿鋼筋提供的抗力接近，故標(biāo)準(zhǔn)PBL試件中貫穿鋼筋貢獻(xiàn)的承載比例較無(wú)黏結(jié)PBL試件小，同時(shí)含黏結(jié)鋼筋試件中貫穿鋼筋作用遠(yuǎn)大于黏結(jié)作用，因此含黏結(jié)鋼筋試件中貫穿鋼筋作用的貢獻(xiàn)比例在三者中最大。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)PBL傳力原理

標(biāo)準(zhǔn)PBL承載力由黏結(jié)作用、混凝土榫和貫穿鋼筋抗力組成。由表6可知，采用不同混凝土澆筑的標(biāo)準(zhǔn)PBL承載力中，各組成部分貢獻(xiàn)的承載比例相近。在所采用的試件尺寸下，鋼板與混凝土間的黏結(jié)作用約占標(biāo)準(zhǔn)PBL承載力的20%，貫穿鋼筋作用和混凝土榫作用分別占40%。同時(shí)，由承載力中的黏結(jié)作用換算得到鋼板與RPC間由滑動(dòng)摩擦提供的名義黏結(jié)強(qiáng)度為0.58 MPa，鋼板與C50間的名義黏結(jié)強(qiáng)度為0.48 MPa。

結(jié)合上述分析，對(duì)孔內(nèi)鋼筋混凝土榫剪斷形式下標(biāo)準(zhǔn)PBL的傳力原理描述如下：加載初期，鋼板與混凝土間的相對(duì)滑移很小，剪力與化學(xué)黏結(jié)作用平衡；滑移增大后，化學(xué)黏結(jié)失效，滑動(dòng)摩擦和包裹在貫穿鋼筋周圍的混凝土榫共同承擔(dān)剪力，該階段貫穿鋼筋受力較??；混凝土包裹榫剪斷后，貫穿鋼筋承擔(dān)絕大部分剪力，滑動(dòng)摩擦隨滑移增大漸趨穩(wěn)定，剪斷后的混凝土榫在向貫穿鋼筋傳遞荷載的同時(shí)繼續(xù)承擔(dān)部分剪力；貫穿鋼筋破壞后，殘余承載力由接觸面上的滑動(dòng)摩擦提供。

4 標(biāo)準(zhǔn)PBL與栓釘受力性能比較

圖6為栓釘試件和標(biāo)準(zhǔn)PBL試件滑移曲線的對(duì)比。由圖6可知，彈性變化段栓釘試件和標(biāo)準(zhǔn)PBL的荷載滑移曲線基本重合；進(jìn)入屈服段后，栓釘試件承載力在滑移較小時(shí)即開始下降，而標(biāo)準(zhǔn)PBL受力具有明顯的強(qiáng)化段。結(jié)合表5，ST-RPC的極限承載力為PR-b1r1d1試件的101%，但前者的極限滑移值僅為后者的24%；ST-C50試件的承載力達(dá)到PC-b1r1d1試件的83%，但極限滑移僅為后者的18%。試驗(yàn)采用開孔直徑60 mm、貫穿鋼筋直徑20 mm的PBL試件，其抗剪能力與兩個(gè)φ22(長(zhǎng)度150 mm)栓釘?shù)目辜裟芰ο喈?dāng)，但PBL的延性更好，同時(shí)已有研究表明，PBL的抗疲勞性能也優(yōu)于栓釘[18]。因此，與傳統(tǒng)栓釘鍵相比，標(biāo)準(zhǔn)PBL鍵具有更優(yōu)異的力學(xué)性能。

(a)C50

(b)RPC圖6 栓釘-PBL鍵荷載滑移曲線對(duì)比

5 PBL鍵承載力計(jì)算模型

基于各自試驗(yàn)結(jié)果，各國(guó)學(xué)者提出相應(yīng)的PBL承載力計(jì)算公式，但由于不同試驗(yàn)的試件形式、考慮因素及剪力鍵最終破壞形態(tài)存在差異，不同學(xué)者提出的計(jì)算式形式和計(jì)算結(jié)果相差較大。選取國(guó)內(nèi)外具有代表性的PBL承載力計(jì)算式對(duì)本試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表7。

由表7可知，由不同公式計(jì)算得到的承載力計(jì)算結(jié)果相差較大。文獻(xiàn)[2，4-6，8-10，17]所提公式均基于推出試驗(yàn)，推出試件模擬了組合梁的構(gòu)造特征，混凝土板設(shè)計(jì)較薄，文獻(xiàn)中所有推出試件的破壞均為混凝土板劈裂，貫穿鋼筋未剪斷，采用該類承載力公式計(jì)算孔內(nèi)榫剪斷的PBL試驗(yàn)，得到的計(jì)算結(jié)果必然偏小。文獻(xiàn)[8]基于插入式試驗(yàn)，其對(duì)C50澆筑的PBL計(jì)算結(jié)果相對(duì)較好，但在計(jì)算強(qiáng)度較高的RPC試件時(shí)誤差較大。

表7 試驗(yàn)值與計(jì)算值比較

綜上所述，目前已有的PBL鍵計(jì)算公式對(duì)采用RPC澆筑、破壞形態(tài)為孔內(nèi)榫剪斷時(shí)的PBL鍵承載力的計(jì)算誤差較大，難以滿足設(shè)計(jì)需求。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)PBL的傳力原理，提出承載力計(jì)算式為

( 1 )

式中：右邊第一項(xiàng)為鋼板與混凝土間的黏結(jié)作用；第二項(xiàng)為孔內(nèi)混凝土榫作用；第三項(xiàng)為孔內(nèi)貫穿鋼筋作用。其余參數(shù)意義如下：Vu為PBL抗剪承載力，kN；A為開孔板與混凝土的黏結(jié)面積，mm2；n為剪切面?zhèn)€數(shù)；D為鋼板開孔直徑，mm；ds為貫穿鋼筋直徑，mm；fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，MPa；fy為貫穿鋼筋抗拉屈服強(qiáng)度，MPa；α為黏結(jié)作用影響系數(shù)；β為混凝土榫影響系數(shù)；γ為貫穿鋼筋影響系數(shù)；τu為混凝土與鋼板間的極限黏結(jié)強(qiáng)度，MPa。文獻(xiàn)[19]的研究結(jié)果表明：τu=λfcu，其中0<λ≤0.02，結(jié)合實(shí)測(cè)黏結(jié)強(qiáng)度值，確定λ取0.014。

基于本文試驗(yàn)結(jié)果，采用最小二乘法回歸得到各影響系數(shù)，帶入式( 1 )可得

Vu=6.58×10-3fcuA+

( 2 )

式( 2 )對(duì)本試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果見表5，通過比較可知計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。由于文獻(xiàn)[8，12，20]的試件形式和破壞形態(tài)與本試驗(yàn)接近，采用式( 2 )對(duì)文獻(xiàn)中共61個(gè)試件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)值與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由圖7可知，式( 2 )計(jì)算值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差大部分在15%以內(nèi)，部分誤差接近25%，同時(shí)計(jì)算值與試驗(yàn)值的標(biāo)準(zhǔn)差為0.04，相關(guān)系數(shù)R2等于0.89，表明式( 2 )的計(jì)算結(jié)果能較好吻合試驗(yàn)結(jié)果?？傮w來(lái)說，基于本文試驗(yàn)得到的PBL承載力計(jì)算式，考慮了PBL的承載力組成特點(diǎn)，物理意義明確，適用于采用普通混凝土和超高性能活性粉末混凝土RPC澆筑的PBL鍵承載力的計(jì)算，可以為混合梁橋鋼-混結(jié)合段PBL的設(shè)計(jì)提供參考。

6 結(jié)論

(1)采用RPC取代C50混凝土澆筑的PBL承載力得到改善，其中無(wú)黏結(jié)純榫試件和含黏結(jié)純榫試件承載力分別提高26%和13%，含黏結(jié)鋼筋試件、無(wú)黏結(jié)PBL和標(biāo)準(zhǔn)PBL承載力依次提高12%、4%和15%。

(2)開孔鋼板與混凝土的黏結(jié)作用對(duì)改善PBL受力有一定幫助，RPC和C50兩種混凝土下，標(biāo)準(zhǔn)PBL承載力相對(duì)無(wú)黏結(jié)PBL分別提高16%和7%，滑移增大1.3倍。

(3)包裹在貫穿鋼筋周圍的混凝土榫能明顯提高PBL的抗剪能力，RPC和C50兩種混凝土下，標(biāo)準(zhǔn)PBL承載力比含黏結(jié)鋼筋試件平均增大80%。

(4)貫穿鋼筋對(duì)PBL的承載力和延性影響較大，RPC和C50兩種混凝土下，設(shè)置貫穿鋼筋的PBL承載力相對(duì)混凝土純榫試件的提高幅度在50%以上，剪力鍵變形能力增大約10倍。

(5)孔內(nèi)鋼筋混凝土榫剪斷形式下，標(biāo)準(zhǔn)PBL鍵初期承載力主要由化學(xué)黏結(jié)提供，黏結(jié)失效后由滑動(dòng)摩擦和混凝土榫共同抗剪；混凝土榫剪斷后，貫穿鋼筋承擔(dān)絕大部分剪力，剪斷后的混凝土榫在傳遞荷載至貫穿鋼筋的同時(shí)繼續(xù)承擔(dān)部分剪切荷載，試件殘余抗力由接觸面上的滑動(dòng)摩擦提供。

(6)本文提出的考慮黏結(jié)作用的PBL承載力計(jì)算式，物理意義明確，計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，但由于影響PBL承載力的因素較多，推導(dǎo)適用范圍更廣的PBL計(jì)算公式，還需進(jìn)行進(jìn)一步的參數(shù)研究。

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