黃彩萍， 游文峰， 譚金甲， 楊艷霜， 甘書寬

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068)

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)由于施工方便、強(qiáng)度大、延性好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在大型橋梁、建筑和某些特定結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。抗剪連接件作為組合結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件，使鋼構(gòu)件與混凝土形成整體，協(xié)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(jié)構(gòu)中各材料的性能是否能夠充分發(fā)揮起著至關(guān)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(fā)的一種連接件。它的特點(diǎn)是將開有一定數(shù)量孔洞的鋼板焊接在鋼構(gòu)件上，再埋入混凝土當(dāng)中，由開孔鋼板和孔中混凝土榫共同抵抗剪力。研究人員發(fā)現(xiàn)，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(yīng)用中，多數(shù)PBL剪力鍵會設(shè)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(yōu)點(diǎn)已于眾多大型橋梁得到應(yīng)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(yōu)秀的連接件，國內(nèi)外學(xué)者紛紛對PBL剪力鍵進(jìn)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(jié)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(qiáng)度混凝土?xí)r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(jié)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(jìn)行單調(diào)推出和重復(fù)荷載推出試驗，研究結(jié)果表明，貫穿鋼筋的設(shè)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(huán)PBL連接件，討論了不同橡膠環(huán)厚度對PBL連接件受力性能的影響，研究結(jié)果表明，橡膠環(huán)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(huán)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(jié)構(gòu)中，布置上述改良型PBL剪力鍵，可能出現(xiàn)施工空間不足、施工難度大、不能在滿足構(gòu)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(jìn)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(shù)學(xué)者[8～10]為詳細(xì)研究PBL剪力鍵的受力機(jī)理，會在開孔板及貫穿鋼筋上下表面黏貼應(yīng)變片或三向應(yīng)力花用以分析其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。但應(yīng)變片無法對試驗加載全過程進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)測，且測點(diǎn)容易損壞導(dǎo)致部分測試數(shù)據(jù)失效。近年來，光纖光柵傳感技術(shù)[11～13]被廣泛應(yīng)用于溫度、應(yīng)變、加速度等物理量的測試，它能對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實時監(jiān)測，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)應(yīng)變片因測點(diǎn)損壞造成測試失效的缺陷。本文分別在兩種不同形態(tài)的貫穿鋼筋上布置光柵應(yīng)變傳感器，對加載全過程中貫穿鋼筋的應(yīng)變值進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，用以分析不同形態(tài)貫穿鋼筋的力學(xué)性能差異。

1 試件設(shè)計

本文參考?xì)W洲規(guī)范[14]設(shè)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(xué)指標(biāo)如表1所示。為避免混凝土發(fā)生脆性破壞，根據(jù)我國現(xiàn)行GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[15]按構(gòu)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(gòu)造/mm

圖2 直形鋼筋PBL試件構(gòu)造/mm

2 測點(diǎn)布置及加載方案

2.1 相對滑移量測點(diǎn)布置

剪力連接件連接鋼構(gòu)件和混凝土構(gòu)件，如果鋼-混結(jié)合面滑移量過小，結(jié)構(gòu)可能因連接件的延性不足發(fā)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(biāo)。本文相對滑移量測點(diǎn)布置在鋼-混結(jié)合面的中部，如圖3所示。

圖3 相對滑移測點(diǎn)布置

2.2 應(yīng)變測點(diǎn)布置

應(yīng)變可以直接反映構(gòu)件的受力狀態(tài)。本文采用光柵應(yīng)變傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的應(yīng)變片對兩種形態(tài)的貫穿鋼筋在加載全過程應(yīng)變值進(jìn)行動態(tài)監(jiān)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(yīng)變測點(diǎn)，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(zhì)PVC塑料對傳感器進(jìn)行封裝，起到保護(hù)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(yīng)變傳感器，中心波長1510～1590 nm，測量標(biāo)距為60 mm，采用如圖6所示的美國Micro Optics公司生產(chǎn)的SM-125解調(diào)儀，該解調(diào)儀的波長掃描范圍滿足要求，掃描頻率為2 Hz，波長及應(yīng)變的變化情況由配套計算機(jī)軟件自動記錄，無需人工讀取，在加載全過程中，設(shè)定解調(diào)儀的解調(diào)頻率為3次/min。

圖4 光柵應(yīng)變測點(diǎn)布置/mm

圖5 光柵應(yīng)變傳感器封裝

圖6 SM-125解調(diào)儀

2.3 加載方案

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

正式加載采用分級位移加載，設(shè)定加載速率為0.4 mm/min，每級位移荷載0.4 mm，持荷2 min。當(dāng)加載位移達(dá)到4 mm后，為保證試驗安全，調(diào)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(jié)果分析

3.1 試件破壞形態(tài)

(1)本次試驗中，8個試件均是以混凝土嚴(yán)重開裂無法繼續(xù)承載宣告破環(huán)的，此時試驗機(jī)無法繼續(xù)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(cè)面。試件破壞時，混凝土頂面出現(xiàn)較大橫向裂縫并朝兩側(cè)延伸；底部混凝土因受到較大壓力，從側(cè)面開始出現(xiàn)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(jié)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(jié)合面處混凝土出現(xiàn)斜向裂縫，最終剪切破環(huán)。

圖9 彎折鋼筋試件混凝土開裂部位

(4)試驗加載結(jié)束后，對試件混凝土進(jìn)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(xiàn)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(cè)的混凝土開裂，呈剪壓破壞，鋼筋末端周圍的混凝土出現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(fā)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(jī)會自動換算每級位移荷載對應(yīng)力的大小，本文取加載過程中試驗機(jī)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(xué)者的試驗參數(shù)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(xué)者的試驗結(jié)果較為接近，試驗效果良好。

表3 部分學(xué)者試驗參數(shù)及抗剪承載力匯總

針對含有貫穿鋼筋的PBL剪力鍵，許多學(xué)者及國家規(guī)范均給出了抗剪承載力計算公式，我國學(xué)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(shù)，當(dāng)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(qiáng)度；γ為構(gòu)件系數(shù)，取1.95168；Asc為環(huán)形混凝土榫的面積；fc為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度。

Medberry等[19]考慮了型鋼翼緣板與混凝土結(jié)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(shù)量；D為開孔板孔徑；f′cd為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度。

文獻(xiàn)[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(xiàn)[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(xiàn)將本次試驗相關(guān)參數(shù)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(jié)合面的摩擦力偏大，實際情況是結(jié)合面一旦出現(xiàn)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(guān)數(shù)據(jù)可靠。

3.3 荷載滑移曲線

本次推出試驗鋼-混結(jié)合面的相對滑移量取四個百分表讀數(shù)(每級荷載讀數(shù)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(dá)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(dāng)荷載小于100 kN時，滑移量極其微小，這是由于結(jié)合面的粘結(jié)抵消了部分剪力。當(dāng)結(jié)合面的粘結(jié)完全消除后，滑移量隨著荷載的增大開始緩慢增加，直至達(dá)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(jìn)入塑性階段后，荷載-滑移曲線出現(xiàn)了二次上升現(xiàn)象，直形鋼筋在進(jìn)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(dá)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(xué)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(xué)者Ohelers基于大量的推出試驗，以1/2極限荷載對應(yīng)的割線斜率作為抗剪剛度；我國學(xué)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(jù)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(dāng)剪力為極限荷載的1/2時，結(jié)合面的滑移量已相對較大，可以判定8個試件均已進(jìn)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(dāng)剪力為極限荷載的1/3時，此時鋼-混結(jié)合面的粘結(jié)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(dāng)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(rèn)為此處為曲線線性與非線性階段的臨界點(diǎn)，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(yīng)變分析

本文光柵應(yīng)變傳感器所測試的為傳感器正下方60 mm范圍內(nèi)不同形態(tài)貫穿鋼筋的應(yīng)變。本次試驗捕捉了整個加載過程中貫穿鋼筋的應(yīng)變值，圖15給出了整個加載過程中兩種貫穿鋼筋的應(yīng)變值。根據(jù)鋼筋的應(yīng)變變化可以得出貫穿鋼筋是否屈服，進(jìn)而分析PBL剪力鍵的破壞機(jī)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(yīng)變傳感器布置在貫穿鋼筋上表面，所測應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變。

圖15 貫穿鋼筋應(yīng)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(jié)合面?zhèn)鬟f的剪力較小，主要由型鋼與混凝土之間的粘結(jié)抵抗，兩種貫穿鋼筋的應(yīng)變值很小，鋼筋處于彈性階段，將所測應(yīng)變值換算成應(yīng)力值，直形鋼筋的應(yīng)力為0.72 MPa左右，彎折鋼筋的應(yīng)力范圍為0.81～4.88 MPa。

(2)結(jié)合面的粘結(jié)完全消除后試驗進(jìn)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(huán)形混凝土榫共同抵抗，鋼筋上表面開始壓縮，傳感器監(jiān)測到的應(yīng)變逐漸增大。

(3)試驗進(jìn)入加載中期后，直形鋼筋的應(yīng)變變化不大，而彎折鋼筋的應(yīng)變?nèi)栽诶^續(xù)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(yīng)變遠(yuǎn)大于直形鋼筋的應(yīng)變，說明彎折鋼筋分配到的剪力更大。

(4)試驗進(jìn)入加載后期時，兩種貫穿鋼筋的應(yīng)變值均無明顯變化，這是由于此時的混凝土已嚴(yán)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(qiáng)度進(jìn)行承載。

4 數(shù)值分析

4.1 數(shù)值建模

尺寸按推出試件設(shè)置，模型中所有構(gòu)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(shè)置0.5的摩擦系數(shù)；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(gòu)模型，混凝土采用丁發(fā)興[22]提出的單軸受力損傷本構(gòu)模型，模型網(wǎng)格如圖16所示。

圖16 模型網(wǎng)格示意

4.2 試驗與數(shù)值計算結(jié)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(guī)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(yīng)滑移量為0.96 mm，有限元計算值為214.14 kN，對應(yīng)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(yīng)滑移量為1.07 mm，有限元計算值為231.20 kN，對應(yīng)滑移量為1.02 mm，計算誤差為0.08%。

(2)貫穿鋼筋的應(yīng)力

兩種貫穿鋼筋的最大Mises應(yīng)力云圖如圖17所示。

圖17 兩種貫穿鋼筋應(yīng)力對比/MPa

由圖17可見：兩種貫穿鋼筋均在中部出現(xiàn)較高的應(yīng)力水平，該部分位于開孔板中心，應(yīng)力由鋼筋中部向兩端逐漸降低，鋼筋端部的應(yīng)力非常微小。直形鋼筋的最大實測應(yīng)力為29.78 MPa，有限元計算最大應(yīng)力為32.09 MPa，彎折鋼筋的最大實測應(yīng)力為54.16 MPa，有限元計算最大應(yīng)力為70.90 MPa，均發(fā)生在鋼筋中部，有限元計算結(jié)果和推出試驗相符。兩種貫穿鋼筋的最大應(yīng)力均遠(yuǎn)小于鋼筋的屈服應(yīng)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(jié) 論

本文結(jié)合光纖光柵傳感技術(shù)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(biāo)，得出以下結(jié)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(jīng)過改良后的PBL剪力鍵抗剪性能優(yōu)于普通PBL剪力鍵；

(2)彎折鋼筋PBL剪力鍵達(dá)到極限承載力后，結(jié)構(gòu)不會立刻失效，承載力在下降階段會出現(xiàn)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(dá)到承載力時混凝土出現(xiàn)貫通裂縫的現(xiàn)象，有利于結(jié)構(gòu)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(yīng)注意開孔板和貫穿鋼筋的埋深問題。