周煉成，周建華，劉育初，趙海波，賀紹華

（1、中國鐵路廣州局集團有限公司廣州工程建設指揮部 廣州 510100；2、中鐵三局集團第二工程有限公司 石家莊 050011；3、廣東工業(yè)大學 廣州 510006）

0 引言

開孔板連接件（Perfobond strip connector，簡稱PBL）由開孔鋼板、貫穿鋼筋和孔內(nèi)混凝土榫組成，利用孔內(nèi)鋼筋混凝土榫“銷栓”作用抵抗外部荷載。歐美等西方發(fā)達國家結合鋼混組合結構特征，采用Eu?rocode 4［1］標準推出試件評估PBL 的抗剪性能。我國和日本多基于混合梁鋼混結合段構造，制作插入式推出試件評估PBL抗剪性能。

國內(nèi)外針對PBL 連接件的抗剪性能及計算方法已展開大量研究。ROBERTS 等人［2］最早對PBL 的力學性能進行了試驗研究，并給出了承載力計算公式；OGUEJIOFOR［3］研究了孔數(shù)、孔間距、橫向鋼筋、混凝土強度等對PBL 力學性能的影響，提出了考慮榫、橫向鋼筋和開孔板端部承壓作用的承載力計算公式；VIANNA 等人［4-5］研究了PBL的抗剪性能，報道了組合梁中PBL 的最終破壞均由混凝土板劈裂控制；宗周紅等人［6］研究了混凝土強度、配筋率及貫穿鋼筋位置等對PBL 抗剪性能的影響，發(fā)現(xiàn)開孔鋼板端部的混凝土板開裂形狀和大小，主要受板內(nèi)橫向鋼筋控制；賀紹華等人［8］研究了插入式PBL 的抗剪性能，建立了鋼混結合段孔內(nèi)榫剪斷形式下、考慮開孔鋼板與混凝土黏結作用的PBL承載力計算式。

目前，國內(nèi)外規(guī)范對PBL 力學性能的測試方法尚無統(tǒng)一規(guī)定，各國學者主要利用推出試驗研究PBL 的抗剪性能。由于PBL的抗剪承載力與破壞模式密切相關，鋼混組合結構和鋼混混合段中PBL 的破壞形態(tài)各異，對其承載力的計算也應結合連接件構造進行。［11］以往學者給出的PBL 計算式，各部分系數(shù)取值均是基于各自推出試驗結果回歸得到，在用于其他學者設計的推出試件時計算精度往往差強人意?；诖?，本文通過總結國內(nèi)外學者的推出試驗結果，分析不同推出試件形式下PBL 的受力特征，并基于連接件構造特征及傳力機理，提出適于不同PBL構造的承載力計算方法。

1 PBL構造特征

PBL 是德國Leonhardt and Partners［2］提出的新型的抗剪連接件，用于解決傳統(tǒng)焊釘所潛在的疲勞問題。經(jīng)過三十多年的發(fā)展，PBL 已被廣泛應用于橋梁工程實際。與傳統(tǒng)焊釘?shù)膯蝹瓤辜舨煌琍BL 沿開孔板兩側均可發(fā)揮作用，抗剪承載力也相對更高［9-11］。對于鋼混組合梁橋，PBL 的開孔鋼板通過縱向角焊縫與鋼梁翼緣連接，由于角焊縫的焊腳尺寸較小，相比截面熔透焊的焊釘對鋼梁影響也更小，如圖1?所示。對于鋼混混合梁橋，其結合段一般為有格室構造，格室內(nèi)豎向隔板開孔并穿入鋼筋，與灌注的混凝土形成PBL傳遞荷載，如圖2所示［11］。

圖1 PBL的構造與布置Fig.1 Structure and Layout of PBL

圖2 PBL推出試件構造形式Fig.2 Push out the PBL Specimen Structure Form

2 PBL推出試驗

針對PBL 的力學性能，國內(nèi)外學者通過推出試驗進行了大量的研究。較為常見的推出試件形式有標準推出試件和插入式推出試件。標準推出試件主要參考了Euro Code 4 規(guī)范［1］，由H 型鋼和焊接于翼緣的開孔鋼板組成，如圖2?所示。由于組合梁混凝土板通常較薄，外部荷載作用下，開孔鋼板端部承壓導致混凝土應力集中，極限狀態(tài)下易發(fā)生翼板劈裂破壞。標準推出試件的PBL 多為混凝土劈裂破壞控制，能較好地反映鋼混組合梁中PBL 的受力特征，以往有關其抗剪承載力計算的公式也多基于標準推出試驗結果提出。

插入式推出試件參考了混合梁橋鋼混結合段的構造特點，在混凝土中插入開孔鋼板并橫向穿過鋼筋形成PBL，如圖2?所示。由于鋼混結合段一般布有大量PBL 保證內(nèi)力傳遞，開孔板端部應力水平較低，極限狀態(tài)下不會出現(xiàn)類似組合梁中混凝土板的劈裂破壞，多發(fā)生孔內(nèi)鋼筋混凝土榫斷裂破壞。插入式推出試件的PBL 多為孔內(nèi)鋼筋混凝土榫斷裂控制，能較好地反映鋼混混合梁中PBL 的受力特征，以往有關其抗剪承載力計算的公式也多基于插入式推出試驗結果提出。

3 PBL承載力計算公式

PBL 的抗剪承載力和傳力機制與其構造特征密切相關，以往對不同構造形式下PBL 抗剪計算的研究已較多，有關其承載力主要影響因素的研究也較常見。根據(jù)已有的研究成果，PBL 的抗剪承載力主要受各部件的材料強度、開孔鋼板構造、貫穿鋼筋直徑、混凝土板厚、橫向鋼筋配筋率等因素影響，基于上述參數(shù)和推出試驗結果，國內(nèi)外學者提出了大量的PBL 承載力計算方法，部分典型公式如表1所示。

表1 PBL抗剪承載力計算公式Tab.1 Calculation Formula of PBL Shear Capacity

由表1 可知，不同學者給出的抗剪承載力計算公式差異較大。對于鋼混組合梁中的PBL，標準推出試件中PBL 兩側混凝土板通常率先劈裂，故PBL 承載力上限由混凝土板劈裂控制。由于混凝土板劈裂受板內(nèi)橫向鋼筋控制，因此學者們提出的PBL 抗剪計算式通常包含鋼板端部承壓作用、孔內(nèi)鋼筋混凝土榫作用和板內(nèi)橫向鋼筋作用，部分學者將鋼板與混凝土的黏結作用也進行考慮。對于鋼混混合梁橋，由于鋼混結合段開孔鋼板與混凝土接觸面大、鋼格室對核心混凝土約束作用強，鋼板與混凝土界面黏結作用被普遍考慮為PBL承載力的重要組成部分。

由于PBL 各部件受力復雜，且各部件抗剪貢獻隨加載階段各異，從理論上推導PBL 計算公式難以實現(xiàn)。以往學者給出的PBL 計算式，各部分系數(shù)取值均是基于各自推出試驗結果回歸得到，在用于其他學者設計的推出試件時精算精度往往差強人意，難以滿足不同工程設計需求。

4 修正的PBL抗剪承載力計算方法

PBL 的抗剪承載力與破壞模式密切相關，由于鋼混組合梁和鋼混混合梁中PBL 的破壞形態(tài)各異，對其承載力的計算應根據(jù)實際構造分類進行。以往對PBL 抗剪承載力計算方法的研究表明，基于PBL 承載力組成構建物理意義明確的抗剪計算模型，然后結合大量試驗結果回歸得到模型參數(shù)取值的方法合理可行。為得到物理意義更加明確、適用于不同結構形式PBL 抗剪承載力計算的方法，本文以國內(nèi)外學者獲得的推出試驗結果為基礎，根據(jù)PBL 承載力組成特點，提出PBL承載力修正計算式。

4.1 鋼混組合梁PBL承載力計算公式

鋼混組合梁中，PBL 沿梁長縱向間斷布置，連接件破壞由混凝土翼板劈裂控制。組合梁中PBL 的抗剪承載力包括鋼板端部混凝土承壓作用、板內(nèi)橫向鋼筋作用、孔內(nèi)混凝土榫作用、貫穿鋼筋作用?；诖耍摶旖M合梁中PBL的抗剪承載力計算模型如下：

式中：Qu為PBL 抗剪承載力（kN）；Qe為鋼板端部承壓作用（kN）；Qtr為板內(nèi)普通鋼筋作用（kN）；Qr為孔內(nèi)貫穿鋼筋作用（kN）；Qd為混凝土榫抗剪作用（kN）；n為開孔數(shù)量；ntr為板內(nèi)普通橫向鋼筋數(shù)量；D為開孔直徑（mm）；ds為貫穿鋼筋直徑（mm）；dtr為板內(nèi)普通鋼筋直徑（mm）；hsc為開孔板高度（mm）；tsc為開孔板厚度（mm）；fcu為混凝土立方體抗壓強度（MPa）；fy為貫穿鋼筋屈服強度（MPa）；fy1為板內(nèi)普通橫向鋼筋屈服強度（MPa）；α為開孔板端部混凝土承壓作用影響系數(shù)；β為板內(nèi)普通鋼筋影響系數(shù)；γ為貫穿鋼筋影響系數(shù)；δ為孔內(nèi)混凝土榫影響系數(shù)；λ為多孔抗剪效率折減系數(shù)。

結合國內(nèi)外學者［16-26］進行的97 個PBL 標準推出試驗結果，對式⑴～式⑸進行多元線性回歸，得到各部分系數(shù)取值，并代入式⑴：

4.2 鋼混結合段PBL承載力計算公式

對于混合梁橋鋼混結合段，PBL 分布于鋼格室內(nèi)部，其破壞模式由孔內(nèi)鋼筋混凝土榫剪斷控制。由于結合段鋼格室對內(nèi)部灌注的混凝土能形成有效約束，且兩者接觸面積通常很大，粘結作用對PBL 的抗剪貢獻不能忽略［27-29］。因此，鋼混結合段PBL 的承載力主要由孔內(nèi)混凝土榫、貫穿鋼筋和界面黏結作用組成，其計算模型如下：

式中：Vu為PBL 抗剪承載力（kN）；Vb為鋼板與混凝土界面粘結作用（kN）；Vr為貫穿鋼筋作用（kN）；Vd為混凝土榫作用（kN）；σ為混凝土與鋼板粘結強度（MPa），通常取1.14；A為混凝土與鋼板間接觸面積（mm2）；α為粘結作用影響系數(shù)；β為貫穿鋼筋影響系數(shù)；γ為混凝土榫影響系數(shù)；λ為多孔抗剪效率折減系數(shù)。

結合國內(nèi)外學者［30-39］進行的114個PBL 插入式推出試驗結果，對式⑺～式⑽進行多元線性回歸，得到各部分系數(shù)取值，代入式⑺：

4.3 所提承載力公式計算精度評估

上述PBL 抗剪承載力式⑹和式⑾，計算文獻中PBL推出試件的承載力結果如圖3所示。對于鋼混組合梁中的PBL 抗剪計算，由式⑹計算得到的標準推出試件承載力結果與試驗值間的皮爾遜相關系數(shù)和R2分別為0.99 和0.98，表明計算結果與試驗實測值相關性較好。對于鋼混結合段中PBL 抗剪計算，由式⑾計算得到插入式推出試件的承載力結果與試驗值間皮爾遜相關性系數(shù)和R2均為0.99，計算結果與試驗結果相關性較好。

圖3 公式計算值與試驗結果對比Fig.3 Comparison between Calculated Values of Formula and Experimental Results

5 結語

為探究不同工程結構中PBL 的承載力計算方法，本文對國內(nèi)外相關研究成果進行了梳理，分析了不同推出試件形式下PBL 的受力特征?；诖罅课墨I試驗結果和PBL 連接件構造特征及傳力機理，本文提出了適用于不同PBL 構造的承載力計算方法，并得到以下結論：

⑴標準推出試件的PBL 承載力由混凝土板的劈裂荷載控制；插入式推出試件的PBL 多為孔內(nèi)鋼筋混凝土榫斷裂控制。

⑵PBL 構造形式、混凝土強度、開孔孔徑及貫穿鋼筋直徑對其極限承載能力有較大影響。

⑶利用本文提出的鋼混組（混）合梁PBL 承載力計算方法，獲得的計算值與試驗值具備優(yōu)良的相關性，所提方法可用于鋼混組合梁和混合梁鋼混結合段PBL的抗剪承載力計算。