譚敏

摘 要：PBL剪力鍵抗剪承載力高，因而在工程中得到了廣泛地應(yīng)用，但PBL剪力鍵承載力的試驗(yàn)方法和理論研究并沒有權(quán)威的規(guī)范定論，要形成一套統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的、全面的試驗(yàn)方法和理論規(guī)范來(lái)研究PBL剪力鍵的承載能力和傳力性能，還要需進(jìn)行大量的研究。

關(guān)鍵詞：PBL剪力鍵;承載力;研究方法;破壞模式

1 引言

對(duì)于PBL剪力鍵這一種新型的剪力連接構(gòu)件，從它被提出到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展應(yīng)用，不僅其連接形式越來(lái)越多，而且應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。由于PBL剪力鍵在抗剪承載能力以及剪力傳力性能方面具有傳統(tǒng)剪力連接件不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此國(guó)內(nèi)外有著不少學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究。但由于各國(guó)學(xué)者均是以自己的試驗(yàn)為基礎(chǔ)，得出的結(jié)論雖然在某一程度上有著相似性，然而當(dāng)PBL剪力鍵以不同的形式、尺寸、連接方式應(yīng)用于其它工程時(shí)，這些結(jié)論卻不一定能適用。因而，要形成一套統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的、全面的試驗(yàn)方法和理論規(guī)范來(lái)研究PBL剪力鍵的承載能力和傳力性能，還要需進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究。

2 研究方法

目前，對(duì)PBL剪力鍵的承載能力以及傳力性能的研究方法主要是通過(guò)試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）試驗(yàn)研究：由于PBL剪力鍵的試驗(yàn)研究目前并沒有統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法，目前大多數(shù)學(xué)者所做的試驗(yàn)一般是參照歐洲規(guī)范4提出的推出試驗(yàn)（Specific Push test），如下圖1所示，即在工字鋼翼緣兩側(cè)焊接開孔鋼板，可在開孔鋼板之間貫穿鋼筋來(lái)提高PBL剪力鍵承載能力，并設(shè)置箍筋，然后澆筑混凝土在工字鋼翼緣兩側(cè)形成剪力鍵，在工字鋼腹板上施加荷載直至構(gòu)件破壞。從而可以在試驗(yàn)機(jī)上得出PBL剪力鍵從施加荷載到構(gòu)件破壞的荷載-滑移曲線即P-S曲線，來(lái)分析PBL剪力鍵的受力特點(diǎn)及傳力性能，并可以從試件的破壞過(guò)程中分析引起試件破壞的主要因素。由于PBL剪力鍵的試驗(yàn)難以做到對(duì)實(shí)際工程中剪力連接進(jìn)行全部研究，只是利用部分構(gòu)件的縮放模型來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)分析，其試驗(yàn)結(jié)果具有一定的局限性，但其所得出的研究結(jié)論對(duì)工程應(yīng)用以及數(shù)值分析還是具有參考價(jià)值。

例如：在2006年修建佛山平勝大橋時(shí)，湖南大學(xué)研究生胡建華就對(duì)其鋼混結(jié)合部位的PBL剪力連接件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，該試驗(yàn)根據(jù)不同的影響因素共制作了8組24個(gè)PBL剪力鍵，分析研究了PBL剪力鍵在不同的開孔鋼板直徑大小及個(gè)數(shù)、貫穿鋼筋的直徑大小、箍筋的配筋率對(duì)其承載能力的影響，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果為佛山平勝大橋中鋼混結(jié)合部位的PBL剪力鍵的承載能力提供了計(jì)算公式，具有實(shí)際工程意義。

2010年，西南交通大學(xué)教授李小珍、衛(wèi)星及學(xué)者肖林等對(duì)21個(gè)PBL剪力鍵試件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，該試驗(yàn)影響因素的不同共分為7組，主要研究PBL剪力鍵的極限承載能力與PBL剪力鍵的滑移量及延性系數(shù)等靜載力學(xué)之間的關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)的形容結(jié)果發(fā)現(xiàn)PBL剪力鍵的滑移量及延性系數(shù)受其承載能力的影響，PBL剪力鍵的承載能力越高，其滑移量及延性系數(shù)也隨之越大。

2007 年同濟(jì)大學(xué)的劉玉擎分別針對(duì)南寧大橋以及上海長(zhǎng)江大橋的鋼混組合部位的PBL剪力鍵進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證剪力鍵的承載能力，試驗(yàn)結(jié)果表明PBL剪力鍵承載力能夠滿足工程應(yīng)用;2009年西南交通大學(xué)的副教授衛(wèi)星及研究生肖國(guó)亮對(duì)四川綿陽(yáng)城的一座三跨雙層斜拉橋的橋塔鋼混結(jié)構(gòu)中的PBL剪力鍵進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究表明PBL剪力連接件在連接橋塔鋼混結(jié)合段具有可靠性。

（2）數(shù)值模擬：隨著社會(huì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步，各種計(jì)算機(jī)性能的提高以及各種大型通用有限元分析軟件的應(yīng)用發(fā)展，通過(guò)利用高級(jí)有限元分析軟件建立PBL剪力鍵模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬分析結(jié)果與試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，能有效提高PBL剪力鍵試驗(yàn)研究的精準(zhǔn)程度。并且可以直接采用有限元軟件模擬分析實(shí)際工程中的PBL 剪力鍵的受力情況，節(jié)約人力、物力、財(cái)力，提高經(jīng)濟(jì)效益。

最早利用有限元分析軟件對(duì)PBL剪力鍵進(jìn)行模擬分析的是外國(guó)學(xué)者Oguejiofor和Hosaintl，他們采用簡(jiǎn)化的模擬方法，將修正的混凝土剛度來(lái)代替鋼筋混凝土材料的剛度，并且在分析過(guò)程中不考慮鋼板與混凝土之間的滑動(dòng)約束，同時(shí)鋼板與混凝土之間采用共節(jié)點(diǎn)的方法進(jìn)行模擬PBL剪力鍵的受力情況;隨后科研人員Suhaib Yahya Kasim Al-Darzi在Oguejiofor和Hosaintl的模擬方法上進(jìn)行改進(jìn)，分別考慮了鋼板、鋼筋和開孔鋼板的剛度，并引用材料的本構(gòu)關(guān)系對(duì)構(gòu)件進(jìn)行屬性設(shè)置進(jìn)行分析;中國(guó)學(xué)者肖琳、衛(wèi)星等人在原有的基礎(chǔ)上，并考慮了鋼構(gòu)件和混凝土在超過(guò)彈性階段后的非線性變化，模擬分析PBL剪力鍵的極限承載力及變形力;張清華等人在研究南京長(zhǎng)江三橋鋼混結(jié)合段的PBL剪力鍵模型中，考慮了鋼筋和混凝土的粘結(jié)一滑移關(guān)系對(duì)PBL剪力鍵極限承載能力及變形能力的影響;劉玉擎在自己的PBL剪力鍵模型中采用彈性單元接觸來(lái)約束剪力鍵之間的接觸面，此方法為有限元模擬分析PBL剪力鍵中又一種新的概念，為有限元軟件精細(xì)模擬分析PBL剪力鍵提供了新的方法?？梢姅?shù)值模擬方法已經(jīng)得到了充分的發(fā)展。

3 破壞模式

PBL剪力鍵主要依靠開孔鋼板中的混凝土榫來(lái)傳力，從而使鋼板與混凝土緊密連接共同受力工作，當(dāng)圓孔中插入貫通鋼筋時(shí)能進(jìn)一步加強(qiáng)兩種之間的結(jié)合作用。當(dāng)PBL剪力鍵傳力時(shí)，其受力機(jī)理主要從三個(gè)方面進(jìn)行考慮，分別是沿開孔鋼板水平方向的縱向剪力，另一方面沿開孔鋼板豎向方向的分離力，這兩種力主要是由開孔鋼板孔中的混凝土榫來(lái)提供;最后一方面是由沿開孔鋼板橫向方向的橫向剪力，這種力主要是由受壓鋼板與混凝土之間的摩擦力以及受壓鋼板與開孔鋼板之間的焊縫連接來(lái)提供。其受力形式如下圖2所示。

由于影響PBL剪力鍵承載力的因素較多，而且PBL剪力鍵自身的構(gòu)造形式也是最主要的影響因素之一，因而當(dāng)PBL剪力鍵達(dá)到極限承載能力而破壞時(shí)，也會(huì)因主要影響因素的不同而出現(xiàn)不同的破壞模式，其破壞模式大致可以從以下4種情況考慮：

（1）當(dāng)開孔鋼板的板厚較薄或者是孔間間距較小時(shí)，相鄰兩孔之間的鋼板會(huì)先于孔中的混凝土破壞，這種是由于鋼板被剪斷而起的破壞模式稱為剪切破壞。

（2）當(dāng)開孔鋼板板厚不足，混凝土強(qiáng)度等級(jí)較低時(shí)，孔中混凝土?xí)扔诳组g的鋼板破壞，這種破壞模式稱為割裂破壞。

（3）當(dāng)開孔鋼板過(guò)厚，且開孔直徑較大時(shí)，混凝土由于其材料特性的原因，即抗剪強(qiáng)度低于抗壓強(qiáng)度，孔中的混凝土?xí)霈F(xiàn)剪切破壞。

（4）當(dāng)在開孔鋼板的孔中設(shè)置貫通鋼筋加孔中強(qiáng)混凝土的橫向約束時(shí)，其最終破壞以孔中的混凝土超過(guò)彈性階段，直至貫穿鋼筋屈服或混凝土被壓碎為破壞標(biāo)志，這種破壞模式稱為壓縮破壞。

從以上闡述的四個(gè)面可知，PBL剪力鍵的破壞會(huì)因不同的影響而出現(xiàn)不同的破壞模式，由于其失效的標(biāo)準(zhǔn)也很難確定，所以PBL剪力的破壞模式也不可一概而論。在這個(gè)問(wèn)題方面，有許多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究探討，主要形成了以下兩種觀點(diǎn)：一是以混凝土的劈裂破壞為PBL剪力鍵破壞的標(biāo)志。這種觀點(diǎn)主要是從混凝土的強(qiáng)度方面來(lái)考慮，由于混凝土的抗壓強(qiáng)度大于其劈裂強(qiáng)度，而且PBL剪力鍵正常使用階段的破壞模式均由混凝土的劈裂破壞引起的，因而以混凝土的劈裂破壞為PBL剪力鍵的破壞標(biāo)志;另一種觀點(diǎn)認(rèn)為應(yīng)以孔中貫穿鋼筋的屈服為破壞標(biāo)志。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PBL剪力鍵孔中混凝土出現(xiàn)劈裂破壞時(shí)，PBL剪力鍵還能繼續(xù)承載直至混凝土被壓碎或者貫穿鋼筋屈服，因而研究人員認(rèn)為PBL剪力鍵應(yīng)當(dāng)以貫穿鋼筋處于屈服狀態(tài)時(shí)才會(huì)喪失承載能力。但以上兩種的判定模式具有其不足的方面，第一種觀點(diǎn)忽略了PBL剪力鍵在非彈性階段的承載能力，使PBL剪力鍵的承載力得不到有效的發(fā)揮;而第二種觀點(diǎn)又無(wú)法避免PBL剪力鍵孔中的混凝土在貫穿鋼筋屈服前出現(xiàn)劈裂破壞的現(xiàn)象，缺乏安全儲(chǔ)備。因而，為了在兩種觀點(diǎn)之間找到平衡點(diǎn)，又有學(xué)者提出了新的觀點(diǎn)，即考慮PBL剪力鍵的塑性性能，以期望能解決這一問(wèn)題，得出新的結(jié)論。

4 PBL剪力鍵承載力影響因素分析

根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者所做的研究成果發(fā)現(xiàn)，PBL剪力鍵承載力受多種因素的影響，現(xiàn)就幾個(gè)主要因素進(jìn)行分析如下：

（1）混凝土的強(qiáng)度等級(jí)：混凝土是PBL剪力鍵的重要組成部分，內(nèi)應(yīng)力的傳遞需要直接通過(guò)孔中的混凝土榫來(lái)傳遞，因而混凝土的強(qiáng)度等級(jí)能直接影響PBL剪力鍵的承載能力，研究表明，PBL剪力鍵的承載能力會(huì)隨混凝土的強(qiáng)度等級(jí)的提高而增大。

（2）開孔直徑：開孔直徑的大小決定了混凝土榫的抗剪面積，在一定的開孔直徑內(nèi)，增大開孔鋼板的開孔直徑，混凝土榫的抗剪面積也隨之增大，因而PBL剪力鍵所能承受的剪應(yīng)力也就越大。

（3）貫穿鋼筋：貫穿鋼筋能夠有效約束孔中混凝土榫的受力狀態(tài)，使之處于三向約束的狀態(tài)，當(dāng)混凝土受力超過(guò)彈性階段后，貫穿鋼筋還能繼續(xù)承載，以貫穿鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度或混凝土被壓碎為破壞標(biāo)志，從而能有效提高PBL剪力鍵的承載能力，剪力鍵的承載能力能隨著貫穿鋼筋的強(qiáng)度以及直徑的增大得到進(jìn)一步的提升。

（4）開孔鋼板厚度：通過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，開孔鋼板的厚度以PBL剪力鍵承載力具有一定的正相關(guān)性，開孔鋼板越厚，孔內(nèi)混凝土榫的受壓面積越大，PBL剪力鍵的承載能力也就越強(qiáng)。

（5）開孔間距。從相關(guān)的試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)開孔間距過(guò)小時(shí)，相鄰兩孔之間的鋼板會(huì)在孔中的混凝土被破壞前剪斷，使PBL剪力鍵的承載能力得不到有效的發(fā)揮，因鋼板被剪斷而起的破壞模式稱為剪切破壞。隨著開孔間距的增加，PBL剪力鍵的承載能力也隨之增加，直到每個(gè)孔所能承受的承載力達(dá)到與單孔剪力鍵的承載力后，開孔間距對(duì)PBL剪力鍵的承載能力將不會(huì)有所影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，目前研究PBL剪力鍵承載能力的方式主要有兩種：一是試驗(yàn)研究;二是數(shù)值模擬。隨著有精細(xì)有限元分析軟件數(shù)值模擬方法的發(fā)展，數(shù)值模擬方法有望在將來(lái)代替試驗(yàn)研究，成為主流的研究方法。

根據(jù)PBL剪力鍵喪失承載力時(shí)構(gòu)件內(nèi)主要的破壞因素的不同，PBL剪力鍵的破壞模式可以分為剪切破壞、割裂破壞、壓縮破壞這三種破壞模式。由于PBL剪力鍵承載力受多種因素的影響，當(dāng)PBL剪力鍵處于不同的受力階段時(shí)，各因素對(duì)其效果的影響不同。如何能充分利用PBL剪力鍵的塑性性能，還需結(jié)合構(gòu)件的實(shí)際受力情況，針對(duì)承載力影響的主要因素去詳細(xì)的分析研究。

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