PBL连接件抗剪承载力计算研究

周立松，黄炳生，马千里

(南京工业大学土木工程学院，江苏南京211816)

PBL连接件抗剪承载力计算研究

周立松，黄炳生，马千里

(南京工业大学土木工程学院，江苏南京211816)

分析了国内外不同学者基于推出试验得出的PBL剪力连接件抗剪承载力计算公式，运用这些公式对诸学者各自的有钢翼缘PBL剪力连接件推出试验试件进行了承载力计算。通过对比分析公式计算结果与试验结果，讨论各种不同抗剪承载力计算公式的适用性和准确性。结果表明，Verissimo和Medberry提出的计算式分别适用于孔洞中无贯穿钢筋和有贯穿钢筋的PBL剪力连接件。

组合结构 PBL剪力连接件 抗剪承载力 计算公式

钢—混凝土组合结构和混合结构连接段是通过剪力连接件使钢和混凝土形成一体，共同工作［1］。PBL剪力连接件(图1)是近年来出现的一种新型剪力连接件，此连接件主要是通过混凝土榫和贯通于孔中的钢筋共同承担剪力，与传统的剪力连接件栓钉相比，PBL剪力连接件承载力高，抗疲劳性能好［2］，因而有很好的应用前景。

图1 PBL剪力连接件

虽然国内外学者对PBL剪力连接件的承载力作了一些研究，并根据各自的研究成果提出了承载力计算表达式;但因试件的形式和尺寸各不相同，关注的参数各异，导致所提出的PBL剪力连接件的承载力计算表达式是否具有普遍适用性尚需研究。为此，本文根据国内外PBL剪力连接件推出试验结果，对现有承载力表达式的适用情况和准确性进行了分析。

1 现有PBL连接件抗剪承载力计算公式

国内外学者通过试验给出了各自的抗剪承载力计算式。

1)Oguejiofor和Hosain［3］承载力计算式

式中:qu为PBL剪力连接件的极限承载力;hsc为连接件的高度;tsc为连接件的厚度;fck为混凝土圆柱体抗压强度;Atr和A'tr分别为贯通钢筋和混凝土中普通横向钢筋的截面面积;fy和f'y分别为贯通钢筋和混凝土中普通横向钢筋的屈服强度;n为连接件中孔洞的个数;D为连接件孔洞的直径。

2)Medberry和Shahrooz［4］根据推出试验提出了一个考虑了钢梁与混凝土板间摩擦力的PBL连接件抗剪承载力计算式

式中:b为混凝土板的厚度;h为连接件下边缘到混凝土端部的距离;bf为型钢翼缘的宽度;Lc为混凝土与型钢接触部分的长度;其余符号含义同式(1)。

3)Verissimo等［5］在推出试验以及Oguejiofor and Hosain提出的计算公式的基础上，提出的PBL连接件抗剪承载力计算式为

式中:Acc为每个连接件纵向混凝土的剪切面积;其余符号含义同式(1)和式(2)。

4)Al-Darzi等［6］提出的承载力计算式为qu=255.31+7.62×10－4×hsctscfck－7.59×10－7×

式中:Asc为连接件孔洞中混凝土榫的面积;其它符号含义同式(1)。

5)胡建华等［1］依据其推出试验的结果，给出的PBL连接件抗剪承载力计算式为

式中:α为钢筋影响系数，取α=1.320 125;β为横向普通钢筋影响系数，当横向普通钢筋配筋率ρ≤0.18%时，取β=1.204 479，当配筋率ρ＞0.18%时，取β=1.042 948;γ为混凝土影响系数，取γ= 1.951 68;Atr和A'tr分别为贯通钢筋和混凝土中普通横向钢筋的截面面积;fy和f'y分别为贯通钢筋和混凝土中普通横向钢筋的屈服强度;fc为混凝土立方体抗压强度;其它符号含义同式(4)。

2 现有PBL剪力连接件抗剪承载力公式适用性分析

2.1 孔洞中无贯穿钢筋的PBL连接件

运用各学者提出的PBL连接件承载力计算式，对有钢翼缘孔洞中无贯穿钢筋的PBL剪力连接件试件进行了计算。试件试验值及各公式计算结果见表1。图2为试件试验值与各公式计算值的比较。

表1 无贯穿钢筋的试件试验值及各公式计算值kN

图2 孔洞中无贯穿钢筋的试件承载力试验值与公式计算值比较

由表1和图2可见:

对国外试件，式(1)高估了PBL连接件的抗剪承载力，最大偏差为12%;对国内试件，式(1)低估了开孔板的抗剪承载力，最大偏差为30%。

式(2)高估了PBL剪力连接件的抗剪承载力，对Cändido试件，偏差较小，仅为9%，且随着孔洞数量的增加偏差逐渐减小;对Vianna试件，偏差较大，P21和P22试件分别为32%和19%。对国内试件，式(2)均低估了PBL剪力连接件的抗剪承载力，对赵文娟的试件，偏差较小，S3和S4试件分别为6%和8%;对石宵爽的试件，偏差较大，最大偏差为36%。

式(3)计算值与各试件试验值相比时大时小。对Cändido试件，式(3)计算值与试验值比较接近，偏差3%，但试件P4的式(3)计算值低于试验值。对Vianna试件，试件P21的式(3)计算值大于试验值，而P22试件的式(3)计算值小于试验值，偏差为16%和8%。对赵文娟试件，式(3)计算值低于试验值，偏差为6%;对石宵爽试件，试件S11A的式(3)计算值高于试验值，偏差为11%，试件S21A和S22A的式(3)计算值低于试验值，偏差为1%和2%。

对石宵爽试件，式(4)计算值高于试验值，这是因为式(4)存在常数255.31，而石宵爽试件的试验值均低于此值。对其余试件，式(4)均低估了PBL剪力连接件的抗剪承载力，除试件P22偏差较大(达29%)，其余试件偏差均在12%之内。

除赵文娟试件外，式(5)均高估了PBL剪力连接件的抗剪承载力，且偏差高达55%;对赵文娟试件，式(5)低估了PBL剪力连接件的抗剪承载力，偏差为22%。

2.2 孔洞中有贯通钢筋PBL连接件

有钢翼缘孔洞中有贯通钢筋的PBL剪力连接件试件试验值与各公式计算值见表2。

图3为试件试验值与各公式计算值的比较。

表2 有贯通钢筋的试件承载力试验值及各公式计算值kN

图3 孔洞中有贯穿钢筋的试件试验值与公式计算值比较

由表2和图3可看出:

对国外试件，式(1)均高估了连接件的抗剪承载力，最大偏差为30%。对国内试件，赵文娟试件的式(1)计算值低于试验值，最大偏差为14%;而薛伟辰试件的式(1)计算值与试验值相比时大时小，试件Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ的式(1)计算值大于试验值，最大偏差为38%，试件Ⅳ，Ⅴ的式(1)计算值低于试验值，偏差为6%和5%。

式(2)计算值与各试件的试验值比较接近，除试件P12和试件Ⅲ偏差较大(分别为21%和44%)外，其余各试件的偏差均在15%以内。由表2中Ahn J H以及薛伟辰的数据可知，当混凝土强度等级增加时，式(2)计算值与试验值的偏差逐渐减小。由文献［12］可知，试件Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ除混凝土强度不同外，其他参数均相同，试件Ⅲ的试验值与公式计算值偏差达44%，这是由于混凝土强度低所致。

式(3)均高估了连接件的抗剪承载力，最大偏差达86%。由前文2.1知:利用式(3)计算孔洞中无贯穿钢筋连接件的抗剪承载力时，其计算值与各试件试验值有较高的吻合度，而利用式(3)计算孔洞中有贯穿钢筋时，式(3)计算值高于各试件试验值，可以确认式(3)高估了横向贯穿钢筋的作用。

只有试件Ⅲ的式(4)计算值大于试验值，这是因为试件Ⅲ承载力较低，而式(4)存在着常数255.31。其余试件的式(4)计算值均小于各试件试验值，最大偏差为35%，这是因为Al-Darzi［6］认为横向钢筋对连接件的抗剪承载力影响较小，低估了横向钢筋对连接件抗剪承载力的贡献。

式(5)均高估了连接件的抗剪承载力，最大偏差达94%，这是因为胡建华高估了PBL连接件横向钢筋的作用。

3 结语

本文比较了国内外学者根据各自所做推出试验的试验结果与推导的各种PBL剪力连接件极限承载力计算公式的计算值，以验证这些计算公式的准确性。发现由于国内外学者提出计算公式时考虑的因素不同，所以按这些公式计算得出的计算结果差别较大。通过比较可以得出:对有钢翼缘孔洞中无贯穿钢筋的PBL剪力连接件，由Verissimo提出的计算公式得到的计算结果与试验值有较高的吻合度;对有钢翼缘孔洞中有贯穿钢筋的PBL剪力连接件，由Medberry提出的计算公式得到的计算结果与试验值有较高的吻合度。

［1］胡建华，叶梅新，黄琼.PBL剪力连接件承载力试验［J］.中国公路学报，2006，19(6):65-72.

［2］宗周红，车惠民.剪力连接件静载和疲劳试验研究［J］.福州大学学报:自然科学版，1999，27(6):61-66.

［3］OGUEJIOFOR E C，HOSAIN M U.Numerical Analysis of Push-out Specimens with Perfobond Rib Connectors［J］. Computers＆Structures，1997，62(4):617-624.

［4］MEDBERRYSB，SHAHROOZBM.PerfobondShear Connector for Composite Construction［J］.AISC Journal，2002 (1):2-12.

［5］VERISSIMO G S.Development of a Shear Connector Plate Gear for Composite Structures of Steel and Concrete and Study Their Behavior［D］.Belo Horizonte:Universidade Federal de Minas Gerais，2007.

［6］AL-DARZI S Y K，CHEN Airong，LIU Yuqing.Finite Element Simulation and Parametric Studies of Perfobond Rib Connector［J］.American Journal of Applied Science，2007，4(3):122-127.

［7］CÂNDIDO-MARTINSJPC，COSTA-NEVESLF，VELLASCOPCGS.ExperimentalEvaluationofthe Structural Response of Perfobond Shear Connectors［J］. Engineering Sructure，2010(32):1976-1985.

［8］VIANNA J C，COSTA-NEVES L F，VELLASCO P C G S，et al.Experimental Assessment of Perfobond and T-Perfobond ShearConnectors'StructuralResponse［J］.Journalof Constructional Steel Research，2009(65):408-421.

［9］赵文娟，刘凡，韩伟，等.基于构造参数的开孔板抗剪连接件连接性能的试验研究［J］.河南城建学院学报，2011，20 (4):7-11.

［10］石宵爽，王清远，欧阳雯欣，等.PBL剪力连接件粘结滑移性能的静载推出试验研究［J］.工程力学，2012，29(1): 168-175.

［11］AHN J H，LEE C G，WON J H，et al.Shear Resistance of the Perfobond-ribShearConnectorDependingonConcrete Strength and Rib Arrangement［J］.Journal of Constructional Steel Research，2010(66):1295-1307.

［12］薛伟辰，代燕，周良.开孔板连接件受剪性能试验研究［J］.建筑结构学报，2009，30(5):103-111.

Calculation study on shear capacity of PBL-type connector

ZHOU Lisong，HUANG Bingsheng，MA Qianli
(College of Civil Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing Jiangsu 211816，China)

T he calcutation formulas for the bearing capacity of PBL-type shear connectors were put forward based on the previous push-out tests.T he bearing shear capacity of all PBL-type shear connector push-out test specimens with the steel flange were calculated and compared.T he adaptability and accuracy of the different formulas for the bearing shear capacity of PBL-type shear connector was discussed.It indicated that the formula proposed by Verissimo and M edberry respectively can be used to predict the capacity of PBL-type shear connector with perforating bar or without perforating bar.

Composite structure;PBL-type shear connector;Shear capacity;Calculation formula

TU398+.9

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.12

1003-1995(2015)02-0043-04

(责任审编孟庆伶)

2014-03-18;

2014-07-06

江苏省“六大人才高峰”资助项目(2011-JZ-007)

周立松(1988—)，男，江苏沭阳人，硕士研究生。