陳 彬 徐 云 劉英鑫 王 衡 Aleksandr G.Chernykh Egor V.Danilov Pavel S.Koval

（1.華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045；2.俄羅斯圣彼得堡國(guó)立建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，列寧格勒 圣彼得堡 190005)

0 引言

現(xiàn)代木-混凝土組合結(jié)構(gòu)是木材與混凝土材料相結(jié)合的一種新型組合結(jié)構(gòu)形式。由于木材的抗拉性能和混凝土翼板的抗壓性能較好，通過(guò)抗剪連接件將兩者組合在一起，可充分利用木材抗拉及混凝土的抗壓性能，從而起到傳遞縱向剪力及防止木梁與混凝土翼板發(fā)生掀起的作用。相比于傳統(tǒng)木梁，現(xiàn)代木-混凝土組合梁的整體性、抗彎剛度、防火性能都有較大改善。PBL（Perfobond Leiste）剪力連接件是由開(kāi)孔鋼板、混凝土榫及貫穿鋼筋組成的剪力連接件，由于其抗剪剛度大、承載力高、抗疲勞性能好、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，PBL 剪力連接件已經(jīng)成為很有前景的連接件。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)PBL 剪力連接件的性能進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究與理論分析。Schanack等［1］進(jìn)行了連接件剪切性能試驗(yàn)、木-混凝土組合梁靜力試驗(yàn)和數(shù)值模擬，數(shù)值分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)發(fā)現(xiàn)，有限元模擬能較好地預(yù)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果。李禮［2］進(jìn)行了膠合木組合梁橋靜力試驗(yàn)和數(shù)值模擬，結(jié)果表明，支座類型會(huì)影響其梁端滑移。袁帥［3］進(jìn)行了現(xiàn)代木-混凝土組合梁橋承載力研究，提出了抗彎承載力公式，數(shù)值模擬結(jié)果與理論推導(dǎo)結(jié)果吻合。王衡等［4］進(jìn)行了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方法探究，優(yōu)化了建筑結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方法。Vianna 等［5］對(duì)PBL 剪力鍵組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)分析，研究結(jié)果表明，鋼板厚度對(duì)剪力鍵抗滑移性能有很大影響。Kim 等［6］對(duì)焊接有Y 形PBL 剪力鍵的組合梁受剪行為進(jìn)行靜載試驗(yàn)，結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)剪力鍵，Y 形PBL 剪力鍵具有更高剛度和極限荷載。楊勇等［7］進(jìn)行了PBL 連接件的單調(diào)加載推出試驗(yàn)，結(jié)果表明，端承型試件的抗剪承載力和抗剪剛度高于非端承型試件。黃彩萍等［8］提出一種新型彎折貫穿鋼筋PBL 剪力鍵，并進(jìn)行推出試驗(yàn)，結(jié)果表明，彎折貫穿鋼筋能有效提高PBL 剪力鍵的延性，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)PBL 剪力連接件抗剪承載力的計(jì)算并未形成統(tǒng)一的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法。鑒于此，本研究選取5 個(gè)代表性的計(jì)算公式，結(jié)合PBL剪力連接件的受力特點(diǎn)，采用控制變量法，對(duì)比分析不同計(jì)算公式中混凝土抗壓強(qiáng)度和開(kāi)孔直徑參數(shù)對(duì)剪力連接件抗剪承載力的作用規(guī)律，并優(yōu)化組合梁的設(shè)計(jì)參數(shù)。研究成果可以為現(xiàn)代木-混凝土組合梁橋的設(shè)計(jì)及PBL 剪力連接件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

2 PBL剪力連接件抗剪承載力計(jì)算公式

《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）［9］主要考慮了混凝土榫抗剪作用和貫穿鋼筋作用，給出的PBL 剪力連接件抗剪承載力計(jì)算見(jiàn)式（1）。

式中：VuP為連接件抗剪承載力，N；d為開(kāi)孔直徑，mm；ds為貫穿鋼筋直徑，mm；f c為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；f sd為貫穿鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa。

歐洲規(guī)范Eurocode 4［10］通過(guò)對(duì)大量推出試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并考慮貫穿鋼筋和混凝土的影響，具體計(jì)算見(jiàn)式（2）。

當(dāng)連接件承載力由橫向普通鋼筋、貫穿鋼筋和混凝土榫提供時(shí)［11］，承載力計(jì)算見(jiàn)式（3）。

式中：α為貫穿鋼筋影響系數(shù)，取1.32；f y為貫穿鋼筋屈服強(qiáng)度，MPa；β為橫向鋼筋影響系數(shù)，取1.204 479；A'tγ為箍筋截面積，mm2；f'y為箍筋屈服強(qiáng)度，MPa；γ為混凝土榫影響系數(shù)，取1.95。

當(dāng)連接件承載力由端部混凝土、孔內(nèi)混凝土和貫穿鋼筋提供時(shí)［12］，基于試驗(yàn)結(jié)果，承載力計(jì)算見(jiàn)式（4）。

式中：αA為反映貫穿鋼筋對(duì)孔內(nèi)混凝土的約束作用系數(shù)。

楊勇等［7］認(rèn)為，開(kāi)孔板端部混凝土承壓作用、孔內(nèi)混凝土和貫穿鋼筋抗剪作用是剪力連接件抗剪承載力的主要組成，計(jì)算見(jiàn)式（5）。

式中：f cu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，MPa；? 為開(kāi)孔板高度，mm；t為開(kāi)孔板厚度，mm。

3 數(shù)據(jù)對(duì)比與分析

為對(duì)比不同的公式中混凝土抗壓強(qiáng)度和開(kāi)孔直徑對(duì)于PBL 剪力連接件抗剪承載力作用規(guī)律，根據(jù)式（1）到式（5），選取PBL 開(kāi)孔直徑為50 mm，得到混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與PBL 剪力連接件抗剪承載力關(guān)系，如圖1 所示。選取混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為40 MPa，得到開(kāi)孔直徑與PBL剪力連接件抗剪承載力關(guān)系，如圖2所示。

圖1 混凝土抗壓強(qiáng)度與抗剪承載力關(guān)系

圖2 開(kāi)孔直徑與抗剪承載力關(guān)系

由圖1、圖2可知，在5個(gè)公式中，混凝土抗壓強(qiáng)度、開(kāi)孔直徑都與PBL 抗剪承載力呈線性正相關(guān)。根據(jù)式（1）到式（4）得到的抗剪承載力主要集中在100 kN 附近，而式（5）計(jì)算得到的抗剪承載力遠(yuǎn)大于其他公式的計(jì)算值，最大相差629 kN。由楊勇等[6]的研究可知，式（5）考慮了開(kāi)孔板端部承壓作用，而其他公式只考慮混凝土榫的抗剪作用和貫穿鋼筋作用，沒(méi)有考慮端部混凝土的承壓作用。同時(shí)，式（1）、式（3）和式（5）計(jì)算所得的趨勢(shì)增長(zhǎng)較為平緩，表明抗剪承載力計(jì)算值受混凝土抗壓強(qiáng)度和開(kāi)孔直徑大小影響較小。

綜上所述，式（2）與式（5）計(jì)算得到的抗剪承載力與其他公式計(jì)算的結(jié)果具有較大的偏差，考慮到計(jì)算方法的通用性，在現(xiàn)代木-混凝土組合梁橋的設(shè)計(jì)及PBL 剪力連接件的設(shè)計(jì)優(yōu)化中，應(yīng)具體考慮公式的使用條件，選擇其他3 個(gè)公式進(jìn)行計(jì)算，避免計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究選取5 個(gè)代表性的計(jì)算公式，結(jié)合PBL剪力連接件的受力特點(diǎn)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)控制變量法對(duì)比分析不同計(jì)算公式中混凝土強(qiáng)度等級(jí)和開(kāi)孔直徑參數(shù)對(duì)剪力連接件極限承載力的作用規(guī)律，得到以下結(jié)論。

①混凝土抗壓強(qiáng)度和開(kāi)孔直徑對(duì)公式（2）與公式（5）抗剪承載力計(jì)算結(jié)果影響較大，對(duì)其他三個(gè)公式的計(jì)算結(jié)果影響較小。

②混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)公式（4）影響明顯，而開(kāi)孔直徑大小的影響不顯著，要進(jìn)一步增加變量去驗(yàn)證。

③通過(guò)公式（5）計(jì)算結(jié)果可知，開(kāi)孔板端部承壓作用會(huì)導(dǎo)致承載力計(jì)算值具有較大的偏差，可能會(huì)影響到PBL抗剪承載力的評(píng)估。