陈颖骐1 苟栋元2
1重庆交通大学交通运输学院；2 招商局重庆交通科研设计院有限公司
摘要：根据国内外PBL推出试验的研究结果将PBL推出试验分为三大类：普通钢-混凝土组合梁PBL连接键推出试验；波纹钢腹板组合梁PBL连接键推出试验；斜拉桥、悬索桥钢-混凝土混合结构PBL连接键推出试验。本文对比分析了这三大类PBL连接键推出试验模型、荷载-滑移曲线以及极限承载力表达式的异同，给出了相应的建议，为制定有关PBL连接键推出试验标准化模型的规范提供参考。
关键词：PBL剪力连接键；推出试验；荷载-滑移曲线；极限承载力
Abstract：With the references of the current domestic and international existing PBL shear connector push-out test models and results，this paper divided the PBL shear connector push-out tests into three categories according to the purpose of the experiments：the PBL shear connector push-out tests of ordinary steel-concrete composite beams；the PBL shear connector push-out tests of concrete box-girder with corrugated steel web；the PBL shear connector push-out tests of steel-concrete joint in cable-stayed bridge or suspension bridge.The difference of the PBL shear connector push-out test models，the load-slip curves and the equations of shear resistance have been discussed，the corresponding improvement suggestions have also been provided in this paper.It can provide a reference for the National Norms making standardized push-out tests of PBL shear connectors.
Keywords：PBL shear connector；push-out tests；load-slip curve；ultimate bearing capacity
0 前言
随着组合桥梁技术的发展，组合结构使用范围较为广泛，可以用于简支梁桥、连续梁桥、斜拉桥、悬索桥和波纹钢腹板组合桥梁等结构。组合结构的优点是能充分发挥钢结构的受拉性能和混凝土的受压性能。组合梁中较为关键的位置是剪力键，目前剪力键的形式较多，例如栓钉连接键、PBL剪力连接键、型钢连接键等[1]，各国学者做了大量的试连接键（开孔钢板连接键）、钢筋连接键、高强螺栓验，探索了剪力键的极限承载力计算公式，破坏机理和疲劳强度等。栓钉、槽钢和弯筋连接键的承载能力计算公式在各国的规范中都有体现，但计算公式无论在形式上还是计算结果上还有一定的差异性[2]。
各国学者也根据自己实际研究的问题设计了很多PBL连接键推出试验模型，分析了影响其极限承载力的因素，拟合得到了相应的计算公式，但是这些计算公式都有很大的局限性，计算结果与试验结果差别较大。因此，有必要分析各类推出试验模型的差异性，根据PBL连接键使用的不同条件，设计相应的能真实反映实际结构受力状态的试验模型，为实际结构的极限承载力计算提供依据。本文主要将PBL推出试验分为普通钢-混凝土组合梁PBL连接键推出试验（以下简称组合梁推出试验）；波纹钢腹板组合梁PBL连接键推出试验（以下简称波纹钢腹板组合梁推出试验）；斜拉桥、悬索桥钢-混凝土混合段PBL连接键推出试验（以下简称混合结构推出试验）三大类，对比分析以上三种试验模型及其荷载-滑移曲线的差异，分析由不同试验结果拟合得到的极限承载力计算公式的异同，提出改进方法，为规范不同桥梁结构PBL连接键推出试验的试验方法提供参考。
1.普通钢-混凝土组合梁PBL连接键推出试验
普通钢-混凝土组合梁中的PBL连接键主要承受钢和混凝土接触面之间的水平剪力和竖向掀起力作用，工字钢翼缘上焊接的连接钢板可以有效的抵抗接触面的作用力。连接钢板的连续焊接与栓钉连接键等单体焊接相比其焊接的可靠性高，通过混凝土榫的连接使得PBL连接键不存在其他连接键所存在的焊接疲劳问题[3]。PBL连接键适合在某些承受较大动力荷载的组合结构桥梁中采用，因此研究组合梁中PBL连接键的受力性能具有较高的实用价值。
1.1组合梁典型推出试验模型
针对该类型的剪力连接键，国外学者[4-6]设计了图1所示的剪力连接键推出试验模型，即在工字钢的翼缘中间焊接带孔钢板，在孔洞中放置贯通钢筋，通过混凝土榫的剪切和钢筋的受拉抵抗外部作用。Oguejiofor和Hosain[7]通过试验研究发现：推出试验结果可以用来计算组合梁的抗弯极限承载力；组合梁试验中单个连接键的极限承载力是推出试验中单个连接键极限承载力的1.1倍左右。连接键在这种推出试验模型中的受力状态与图2组合梁的模型中连接键的受力状态相似，能够较为准确的模拟实际的受力情况。
1.2 组合梁推出试验荷载-滑移曲线
组合梁推出试验得到的典型荷载滑移-曲线如图3所示，通过分析大量试验数据发现此类推出试验荷载-滑移曲线有着相似的滑移趋势。当滑移量小于（混凝土翼缘未发生裂缝）时，剪力键和混凝土之间没有明显的滑移，表明交界面的粘结力在发挥主要作用，PBL剪力件和混凝土协同受力，荷载-滑移曲线呈线性关系；当滑移量超过开裂滑移量时，剪力键开始发生滑移，滑移量随荷载的增加而缓慢增加，混凝土榫中的应力不断增加，逐渐将荷载传递到钢筋中，钢筋受拉产生变形，导致滑移量增加较快，荷载增加较慢，荷载-滑移曲线呈现明显的非线性；当滑移量大于极限承载力滑移量时，混凝土榫部分压碎，荷载进一步传递到钢筋中，钢筋的变形增加，甚至达到屈服，此时滑移量明显增加，混凝土翼缘板继续开裂，荷载有一定的下降趋势，直至最后混凝土翼缘板发生劈裂破坏。
Fig3.The load-slip curve of push-out tests of composite beams
该曲线与其他两种推出试验的区别是混凝土翼缘板顺着剪力键的方向发生劈裂破坏，而且滑移曲线中有明显的下降段（BC段）。
1.3 组合梁推出试验极限承载力计算公式
Oguejiofor和Hosain[8]根据推出试验提供了PBL连接键的极限承载力表达式（1），这类表达式可以正确反映混凝土翼缘板沿着连接键发生劈裂破坏模式。表达式的第一项与混凝土翼缘的劈裂有关，第二项与贯穿钢筋的约束有关，第三项与混凝土榫的抗剪强度有关。综合反应在开孔大小、混凝土的强度、钢筋的直径、强度和混凝土的剪切面积等因素上。
（1）式中-混凝土的圆柱体抗压强度；-孔中贯穿钢筋的面积；d-孔洞的直径；n-钢板孔洞的个数；t-剪力连接钢板厚度；h-混凝土到剪力键底部的高度；-钢筋的屈服强度。
Medberry 和 Shahrooz[10]根据推出试验结果拟合得到了一个更加通用的计算公式（2），此公式增加了工字钢翼缘板和混凝土翼缘板接触面的摩擦力。
（2）式中 b-剪力连接板的厚度；-钢翼缘板的宽度；-混凝土和工字钢翼缘板接触长度。
公式（1）和公式（2）的计算结果要分别比试验实测值高15%-50%和10%-37%左右[8，9]，计算结果偏于不安全，这类公式几乎考虑了所有影响剪力键强度的因素，但是由于试件数量较少，不能从概率上保证95%以上的试件剪切强度大于公式计算结果，因此，本文建议做更多此类试件的推出试验，用可靠度理论重新拟合各项系数的数值，得到一个能保证结构安全且能计算此类连接键承载能力的公式。
2.波纹钢腹板组合梁PBL连接键推出试验
波纹钢腹板组合梁PBL连接键以承受抗剪作用为主，受力较普通组合梁简单。将波纹钢腹板埋入混凝土翼缘并打孔穿入钢筋形成连接键，可无需额外焊接带状钢板，没有焊接缺陷带来的应力减小问题。因此，此类连接键具有与上述连接键不同的受力状态，需要制作专门的推出试验模型才能模拟此类连接键的应力状态。
2.1 波纹钢腹板组合梁推出试验模型
图4为波纹钢腹板组合梁PBL连接键推出试验的典型模型[11]，它是直接在钢板上开孔，依靠混凝土榫和贯穿钢筋承受剪应力，破坏模式为贯穿钢筋被剪断[11]，这类推出试验受力状态与图5波纹钢腹板组合梁的受力状态类似。
一般情况下，都是在外伸的钢板上部施加外部荷载，但是考虑到这种加载方式连接键的极限承载力过于保守[12]，王振海等设计了一种钢板受拉的PBL连接键，研究加载方式对极限承载力影响，得出的试验结果与施加受压荷载的结果差别不大。
2.2 波纹钢腹板组合梁推出试验荷载-滑移曲线
图6为波纹钢腹板组合梁推出试验典型的荷载-滑移曲线，该曲线也分为三个阶段：第一阶段为线弹性阶段（O-A段），剪力键承受荷载较小，滑移主要由孔洞内混凝土榫的变形引起的，交界面上的滑移量较小，PBL剪力键的混凝土榫完全在线弹性阶段受力，滑移曲线呈现线弹性曲线；第二阶段为弹塑性阶段（A-B段），随着荷载的增大，混凝土榫不断开裂，贯穿钢筋受力增大，一直到B点混凝土榫被完全剪断之前承载能力仍缓慢增加，滑移量增加较快，滑移曲线表现为明显的非线性；第三阶段为强化阶段（B-C段），混凝土榫被剪断后，贯穿钢筋承受全部荷载，相对于混凝土这类脆性材料而言，受拉钢筋的变形量增加更大，承载力进一步缓慢增加，一直到钢筋被剪断，剪力键达到极限承载能力。
与普通组合梁连接键推出试验相比，前两个阶段基本相似，都有线弹性阶段和弹塑性阶段，但是第三阶段承载力表现为强化特征，这与两种试验破坏形态差别有关。普通组合梁推出试验是混凝土翼缘板发生劈裂破坏，当混凝土发生劈裂时，极限承载力不是完全由剪力连接键承担，混凝土的配筋率和混凝土强度都决定极限承载力，所以随着混凝土翼缘裂缝的增加，承载能力有减小的趋势；而波纹钢腹板组合梁推出试验是贯穿钢筋剪断破坏，混凝土翼缘板不是破坏的薄弱环节，钢筋在屈服后剪断前延性较混凝土大，所以荷载-滑移曲线出现强化阶段。王振海[13]和许燕[14]等根据推出试验结果，通过参数分析研究，拟合出了此类推出试验的荷载-滑移曲线公式，这些公式可以为简化组合梁数值模拟提供参数。
2.3 波纹钢腹板组合梁推出试验极限承载力计算
宗周红在文献[3]中，结合现有规范中栓钉的理论计算公式，对试验结果做了回归分析，提出计算公式（3）。第一项考虑了混凝土榫的作用，第二项考虑了混凝土翼缘板钢筋作用，但没有考虑贯穿钢筋对极限荷载的贡献。
（3）式中：-混凝土类型影响系数；-横向钢筋位置影响系数；-回归系数；-混凝土的弹性模量。
王振海通过大量的推出试验数据的拟合分析发现[12]：在连接键的承载后期混凝土榫已被剪断，试件的极限承载力基本不受混凝土榫面积的影响。根据钢筋剪切破坏的试验现象提出此类连接键的极限承载力公式：
（4）式中 -横向钢筋的面积；-横向钢筋的抗拉强度；为回归系数；为回归常数。
公式（3）、（4）的计算结果偏于保守，最大可以比实际测量的极限承载力小2倍[11]，主要原因是考虑的因素较小，简化较为严重，不能正确反映剪力键的极限承载力。此类推出试验设计的混凝土与钢板的体积比相对较大，当钢板厚度相对较小时，混凝土榫或贯穿钢筋可能成为薄弱环节，破坏模式跟其他两种有差别。因此笔者建议适当增大此类试件的钢板强度和钢筋强度，改变破坏模式，使混凝土翼缘板发生劈裂破坏，再根据试验数据进行参数分析。
3.斜拉桥、悬索桥钢-混凝土混合结构PBL连接键推出试验
目前，国内将PBL连接键应用于大跨度斜拉桥和悬索桥的实例还比较少：南京长江三桥钢主塔采用PBL键，广州新光大桥的剪力接头同时使用了栓钉和PBL键，佛山平胜大桥钢-混结合段也同时采用了栓钉和PBL键。PBL连接键在混合梁中同时承受抗剪、抗拉、抗弯作用，较前两种结构受力复杂，制作实际混合段的试验模型费时费力，工程造价高，比较简单的方法是设计一种能模拟混合梁受力状态的推出试验模型。
3.1 混合结构推出试验模型
混合结构的连接部位受力复杂，推出试验模拟难度大，目前国内此类推出试验模型较少，一些学者[11，16]采用波纹钢腹板组合梁推出试验模型近似模拟混合梁连接键的受力状态，得出的试验结果虽然能在一定程度上反映组合梁受力，但是模拟效果较差，因此有必要重新设计混合梁结构推出试验模型，使之与实际结构受力吻合。
图7为广东佛山平胜大桥钢-混凝土结合段的推出试验模型，此类试件采用型钢并割去型钢上部的四角，在型钢翼缘上开孔，在孔洞中贯穿钢筋。这种模型可以直接利用型钢的翼缘当作连接键受力，不需要焊接，施工质量容易控制。受剪钢板的数量与前两种相比较大，该模型与图8自锚式悬索桥混合梁结合段受力状态相似，适合斜拉桥、悬索桥中混合结构中钢结构部分和混凝土部分的复杂连接[15]。
Fig8.The detail of steel-concrete joint of Ping Sheng Bridge
3.2 混合结构推出试验荷载-滑移曲线
图9为混合梁推出试验典型荷载-滑移曲线，从图9可以看出该荷载-滑移曲线与波纹钢腹板组合梁推出试验荷载-滑移曲线类似，也分为线弹性，弹塑性和强化三个阶段。线弹性阶段后期是混凝土板底部中间位置开始出现裂缝，随着荷载增加，在弹塑性阶段后期，混凝土榫被压碎，贯穿钢筋承受较大荷载，达到极限承载能力时混凝土翼缘板发生劈裂破坏，贯穿钢筋弯曲变形，钢板没有发生明显的变形。
这类推出试验破坏模式与组合梁推出试验破坏模式类似，但是组合梁推出试验发生沿着连接键方向的纵向劈裂，而混合梁推出试验是从连接键顶端斜向混凝土翼缘底部发生破坏；荷载-滑移曲线的强化阶段荷载增长率比波纹钢腹板组合梁推出试验小；延性要比前两种模型小，当结构达到极限承载力时最大的滑移量仅有4-5mm左右，远小于前两种试验模型的最大滑移量，但是由于连接钢板数量的增加，极限承载力也有较大提高，这种结构的试验结果与混合梁钢-混结合段要求的承载能力大，控制变形小的设计要求是相符的。
3.3 混合结构极限承载力计算公式
胡建华等[16]通过试验结果拟合得到组合梁推出试验极限承载力公式（5），第一项与贯穿钢筋有关，第二项与混凝土中的横向钢筋有关，第三项与混凝土榫的抗剪强度有关。
（5）式中 -钢筋影响系数；-横向钢筋影响系数；-混凝土榫影响系数；-混凝土的立方体抗压强度。
公式（5）是在波纹钢腹板组合梁推出试验和混合梁推出试验结果综合的基础上拟合的曲线，计算结果也偏小[11]，从目前国内计算公式拟合中发现，该类试验模型较少，相应的试验验证较少。还应该继续开展此类推出试验，得到更为准确的公式。
4 结论
本文通过分析国内外学者制作PBL剪力连接键推出试验模型形式以及推出试验数据对比分析得出如下结论
（1）目前各国学者设计的PBL连接键的推出试验模型类型较多，影响连接键单孔极限承载能力因素较多，受力复杂，由推出试验结果拟合的抗剪极限承载力公式适用范围小，没有更多的通用性。
（2）为了方便研究不同结构的PBL连接键试验，本文将各类推出试验按照其研究对象分为三大类：普通钢-混凝土组合梁PBL连接键推出试验；波纹钢腹板组合梁PBL连接键推出试验；斜拉桥、悬索桥钢-混凝土混合结构PBL连接键推出试验。
（3）三大类连接键推出试验的荷载-滑移曲线均分为三个阶段，不同点是组合梁PBL连接键荷载-滑移曲线呈现先增加后缓慢降低的特性，其他两类连接键一直呈现增加趋势。这种差别与各类剪力连接键内部混凝土榫、贯穿钢筋和混凝土翼缘板受力分配不均有关。
（4）即使是同一类试件的极限承载力计算公式对同一试验模型计算差别也较大，主要原因是对于同一类试件，也有钢板和混凝土强度、钢筋直径、孔洞大小等的差异，导致最后的破坏形态不同。而计算公式只能针对一种破坏形态，不同的破坏形态极限承载力表达式不同。笔者认为应该将推出试件设计为混凝土翼缘板发生劈裂破坏，保证连接键的承载力大于结构的承载力，这符合现在桥梁结构设计中强连接弱构件的理念。
由于PBL剪力连接键的结构形式，材料特性，尺寸等都会影响连接键的破坏形式、荷载-滑移曲线和极限承载力。而且目前的连接键推出试验结构形式差别较大，又没有统一的标准，本文提出的剪力键划分方法为规范推出试验形式有一定的借鉴意义。
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论文作者:陈颖骐1,苟栋元2
论文发表刊物:《基层建设》2015年4期
论文发表时间:2015/9/23
标签：混凝土论文; 组合论文; 承载力论文; 荷载论文; 剪力论文; 钢筋论文; 腹板论文; 《基层建设》2015年4期论文;