一种新型改进型埋入式剪力键承载能力探究

文/陈诗 中交城乡建设规划设计研究院有限公司 湖北武汉 430051

本文研究的改进型剪力键，通过对传统PBL剪力键的进行优化设计，一方面去掉了钢腹板上的翼缘板，增强其整体性和传力稳定性；另一方面增设了L型角钢，增强其承载能力的同时也有效的避免了纵向手风琴效应。下面依托具体工程，通过具体试验和有限元模拟数值模拟进行分析论证。

1、试验探究

南道高速重庆花天河大桥主桥波形钢腹板设计方案中首次运用该种新型剪力键。本次试验按照SL=1：8的几何缩尺（图1），将新型剪力键和被广泛使用的S-PBL剪力键作为对比，进行抗剪承载能力的破坏试验（图2）；另外，借鉴国内外研究传统剪力键的方法，控制变量，分析研究各因素对剪力键承载力的影响（表1）。

图1 剪力键1:8几何缩尺模型

图2 剪力键破坏试验

表1 试验的控制变量及试验数据

由表1可知改进型剪力键较传统剪力键承载力几乎提高了一倍，L型角钢是剪力键承载能力得以提升的核心因素，另外钢腹板开孔孔径大小和混凝土强度等级也有一定程度的影响，而其余因素影响水平不显著。

2、有限元仿真模拟

通过Midas/FEA有限元数据处理软件按与试验试件1:1的比例建立三维实体模型（图3）进行数值模拟计算，得到有限元模型的荷载-相对滑移曲线，对比分析试验数据，可以验证仿真模拟准确可靠，通过有限元仿真模拟进一步分析结构的破坏机理和构件承载能力，同时通过综合对比大量数据成果，整理出控制剪力键受力性能的关键因素。

图3 试件整体模型

在数值模拟中主要以混凝土强度等级、钢板开孔孔径、贯穿钢筋强度、钢板厚度、有无L型角钢等作为研究因素，对比不同形态下的剪力键承载能力（图4）。

2.1 混凝土强度

图4 混凝土强度-承载能力

构件的承载能力随着混凝土强度的增加而增大(图4)，一方面孔内的混凝土销将钢腹板和贯穿钢筋连接起来共同受力，间接地影响了构件的承载能力，另一方面，在套箍作用下混凝土齿块的抗压能力大大增强，使部分混凝土在屈服状态下依旧参与承压。

2.2 开孔板孔径

图5 开孔板孔径-承载能力

构件的承载能力随波形钢腹板的开孔孔径的增大而速度均匀地增加（图5）。不难发现，开孔大小也会对其承载力产生较大的影响。

2.3 贯穿钢筋

图6 贯穿钢筋直径-承载能力

图7 贯穿钢筋强度-承载能力

通过对比两组试验构件：同标号不同直径的钢筋（图6）与不同标号的钢筋（图7）构件的承载力的差别，笔者发现随贯穿钢筋强度与剪力键的承载能力成正相关.

2.4 钢腹板厚度

图8 钢腹板厚度-承载能力

由上图发现，当钢板厚度过小时（约3mm左右），构件的整体承载能力大幅度降低，但当钢板厚度在一个合理的可控范围内（8-20mm）变化时，剪力键的承载力计算结果基本一致，并不会出现明显的改变。

2.5 L型角钢

图9 L型角钢-承载能力

有无L型加劲角钢是新型剪力键较传统剪力键构造上的明显差别，也是承载能力能够有效提升的关键所在。其较普通剪力键的优势主要体现在：①L型角钢上的圆孔与其中浇注成型的柱形混凝土形成混凝土销在一定程度上提升结构的承载能力；②L型角钢与波腹板及包裹其中的混凝土共同构成梯形混凝土齿块，形成类似于钢管混凝土一样的套箍效应，使其在多向受力作用下承载能力大幅提高。

结论：

通过对影响改进型埋入式剪力键关键因素的探究，得到如下结论：

（1）结合具体的工程实例，采用1:8的缩尺模型，通过试验研究，分析并论证了影响剪力键承载能力的相关因素：有无L型加劲角钢、钢腹板开孔孔径大小、混凝土强度、贯穿钢筋强度、钢腹板厚度。

（2）通过有限元数值模拟，分析出新型剪力键较传统剪力键承载能力大幅提升的关键因素是增设了L型加劲角钢形成套箍效应。

（3）从构造上归纳了影响新型剪力键承载能力三个构件：混凝土销、贯穿钢筋、混凝土梯形齿块。

[1]陈宜言.波形钢腹板预应力混凝土桥设计与施工[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2]徐强，万水等.波形钢腹板PC组合箱梁桥设计与施工[M].北京：人民交通出版社，2009.

[3]张家源.PC波形钢腹板箱梁剪力键的试验与研究[D].[硕士学位论文].成都：西南交通大学，2009.

[4]康炼.大跨波形钢腹板连续刚构桥设计参数和连接件研究[D].[硕士学位论文].重庆：重庆交通大学，2010.

[5]王振海.埋入式PBL剪力键力学特性及承载机理研究[D].[博士学位论文].成都：西南交通大学，2011.

[6]肖林.钢—混组合结构中PBL剪力键的静力及疲劳性能[D].[博士学位论文].成都：西南交通大学，2012.

[7]唐朋胜.波形钢腹板箱梁改进型剪力键的受力性能研究[D].[硕士学位论文].北京：北京交通大学，2013.