开孔板连接件力学性能研究综述

周 阳， 么超逸

(1.成都大学 建筑与土木工程学院， 四川 成都 610106; 2.中交公路规划设计院有限公司， 北京 100088)

0 引 言

钢和混凝土是各类工程建设中最主要的两种建筑材料，而钢—混凝土组合结构或钢—混凝土混合结构，充分利用两种材料的优势，形成受力更合理的结构体系，而受到设计者们的喜爱[1].钢—混凝土组合结构利用了混凝土的抗压强度性能和钢的抗拉强度性能，以增加结构的刚度和承载能力.钢—混凝土混合结构是在梁的长度方向，将钢梁和混凝土梁通过钢—混结合段将两者结合在一起，在大型桥梁的主梁和桥塔中得到广泛应用[2-4].钢—混凝土组合梁和混合梁中钢结构和混凝土的内力传递主要依靠剪力键的作用，因此剪力键的设计是两种结构能否协同工作、可靠传力的关键.目前，应用较广的剪力连接件是剪力钉和开孔板连接件(Perfobond leiste，PBL)[5-6].剪力钉以其布置不受受力方向的限制且施工工艺成熟等特点，一直备受工程界的喜爱，相关规范中对其承载能力也列出了相应的计算公式.相较于剪力钉，PBL剪力键具有承载能力高、抗疲劳性能好等优点，近年来得到了广泛的应用[7-8].

1 PBL剪力键简介

图1组合结构中PBL剪力键示意图

在钢—混凝土组合结构中，如图1(a)中的结构形式，若未设贯穿钢筋，开孔钢板孔洞中形成的混凝土榫起主要传剪作用，并防止钢和混凝土结构之间分离；若设贯穿钢筋，由贯穿钢筋和混凝土榫承担钢结构和混凝土板之间的剪力，则可提高剪力键的抗剪承载能力.图1(b)中的Twin-PBL剪力连接件相较于单个PBL剪力键，多设立一块开孔钢板，不仅可以增加抗扭刚度，还可以提高剪力键的整体性能和承载能力[13-14].

对于钢—混混合结构，一般钢—混结合段传递的剪力较钢—混组合结构大，故PBL剪力键布置数量也更多.例如主梁钢—混结合段，一般采用承压板—有格室式构造，在格室隔板上开孔，并贯穿钢筋构成PBL剪力键，图2为一典型格室构造[15-16].

图2钢—混结合段典型格室

2 PBL剪力键推出试验方法

对PBL剪力键的研究方法主要为推出试验和梁试验，而推出试验结果较梁试验结果保守.所以，目前对PBL剪力键力学性能的研究主要依靠推出试验，由于各国规范中没有对PBL剪力键的推出试验作出统一规定，并且在实际工程应用中，PBL剪力键构造参数等均有差异，导致其推出试验试件构造各异，并未形成统一标准.由于影响PBL剪力键力学性能的因素多，试件采用的材料、构造尺寸等不尽相同，导致推出试验结果差异较大，缺乏可比性.因此，本研究在以往推出试验的基础上，对PBL剪力键的静力及疲劳性能进行归纳和整理，为进一步研究及工程应用作参考.

根据PBL剪力键在钢—混凝土组合结构和混合结构中的构造形式，目前推出试验结构构造可以分为3种，具体如图3所示.在钢—混组合梁中，PBL剪力键不仅要传递剪力，还要防止钢梁和混凝土梁之间的掀离，所以一般采用如图3(a)所示的A类构造.图3(b)为B类构造是在A类构造基础上，两侧各增加一块开孔板件，适用于Twin-PBL剪力键的推出试验研究.在钢—混凝土接头中，PBL剪力键的开孔隔板、贯穿钢筋由浇筑的混凝土完全包裹住，不能起到防止掀离的作用，同时，PBL剪力键传递荷载也较大，故设计参数中开孔隔板厚度、开孔孔径、贯穿钢筋直径等也较大，所以一般采用图3(c)所示的C类推出试验构造.

图3 PBL剪力键的推出试验构造图

3 PBL剪力键静力行为研究

3.1 PBL剪力键构造参数研究

PBL剪力键由开孔钢板、混凝土及贯穿钢筋组成，研究表明，其承载能力与其构造参数相关，包括开孔钢板的厚度、开孔钢板孔径、开孔的孔洞数、混凝土的强度、贯穿钢筋的直径、贯穿钢筋强度等因素.表1～表3分别为PBL剪力键3种构造形式的试验研究数据[17-26].

3.1.1 构造形式的影响

根据表1～表3可以获得，构造参数相似但构造形式不同的PBL剪力键的极限承载能力.Ahn等[18]的试验研究表明，B类构造中Twin-PBL剪力键(单孔)的抗剪承载能力是A类构造PBL剪力键的84%～89%.肖林等[19]对相同结构参数的C类构造PBL剪力键承载为A类构造PBL剪力键(已折算为单孔PBL剪力键)承载力的3.3～4.69倍，可见，C类构造承载远远大于A类构造.

表1 PBL剪力键A类构造推出试验研究数据

表2 PBL剪力键B类构造推出试验研究数据

刘玉擎等[22]和赵晨等[24]的研究显示，表2中20～21试件采用B类构造和表3中8～9试件采用A类构造，分别对开孔孔径为60 mm、75 mm的PBL剪力键进行推出试验研究，结果表明两者承载能力接近.

由此可见，三类构造中就单孔PBL剪力键而言，C类构造承载力最高，B类构造承载能力稍低于A类构造的承载能力.所以，在钢—混结合段中PBL剪力键承载能力较高，在钢—混组合梁中可以增加开孔肋板，形成Twin-PBL剪力键形式以增加承载能力.

表3 PBL剪力键C类构造推出试验研究数据

3.1.2 混凝土的影响

对于A类构造，Oguejiofor等[17]和Ahn等[18]的推出试验研究表明，在其他参数保持不变情况下，PBL剪力键的极限承载能力随混凝土强度增加而增大，例如表1中2试件混凝土强度约为1试件的2倍，极限承载能力也增大47.6%；7试件较4试件的混凝土强度增大了85.2%，极限承载能力增大了28.3%.对于C类构造，表3中研究者肖林等[19]对构造参数相同，混凝土强度等级分别为C50和C30的5试件和7试件进行推出试验研究，两者相较混凝土强度增大61.2%，试件的极限承载能力增大29.6%.

针对混凝土不同浇筑方式对PBL剪力键承载能力的影响，刘玉擎等[22]通过推出试验分析了PBL剪力连接键处于正立、侧立、倒立状态时连接键的承载能力(见表2中7～9试件)，试验结果表明，混凝土的浇筑方向的不同对PBL剪力键的承载能力影响较小.

3.1.3 开孔板的影响

根据表2中的归类，2试件和4试件在其他结构参数不变的情况下，开孔板开孔直径由40 mm增加到60 mm时，其承载能力增加42.4%[21].表2中19～21试件和表3中8～9试件，PBL剪力键的承载能力与孔中混凝土的抗剪面积成正比，随孔径增大而增大.PBL剪力键承载能力受贯穿钢筋和孔内混凝土榫的影响，在贯穿钢筋直径不变情况下，增大开孔直径，则孔内混凝土榫面积增大，则PBL剪力键承载能力增加[19].B类构造包含两片平行的开孔钢板，所以两片开孔板布置的相对位置即间距也是影响该类构造PBL剪力键承载能力因素之一.在其他结构参数不变的情况下，改变两片开孔板间距，进行Twin-PBL剪力键推出试验研究[18，23].表2中16～18试件，显示了开孔肋板间距和肋板高度之比为0.5、1.0、2.0的情况下Twin-PBL剪力键承载能力，试验表明，Twin-PBL剪力键承载能力随着肋板间距增加而增加，但是影响较小，开孔肋板间距和肋板高度之比由0.5增大到2.0，Twin-PBL剪力键承载能力仅增加6%.

年轻组患者的血脂异常、吸烟和冠心病家族史所占的比例明显要高于对照组患者,只有原发性高血压和糖尿病的比例要低于对照组患者(见表1)。年轻组患者中有明显诱发因素的有26例(86.7%),其中过度劳累有9例(30.0%),情绪异常有6例(20.0%),大量饮酒有5例(16.7%),短时间内大量吸烟有3例(10.0%),长时间熬夜有3例(10.0%)(见表2)。

3.1.4 贯穿钢筋的影响

研究表明，PBL剪力键的承载能力与贯穿钢筋和开孔钢板孔洞中填充的混凝土形成的混凝土榫性能密切相关，表1中11～14试件[20]，表2中1～5试件，表3中1～4试件[25]显示了有无贯穿钢筋和不同贯穿钢筋直径的PBL剪力键承载能力.

对于A类构造，表1中11～14试件对有无贯穿钢筋的PBL剪力键的承载能力进行了研究，在相同构造参数情况下，增加直径为Φ14 mm的钢筋，其承载能力较无贯穿钢筋时分别增加18.2%和24.4%；14～15试件将钢筋直径从Φ14 mm增加到Φ20 mm，其承载能力增大了28.9%，但当钢筋直径增加至Φ25 mm时，其承载能力有所降低.同理，对于B类和C类构造，表2中3～5试件，从不设贯穿钢筋到分别增设Φ14 mm和Φ20 mm的贯穿钢筋，承载能力分别提高69.2%和151.9%；表3中1～4试件为无贯穿钢筋和贯穿钢筋直径分别为Φ16 mm、Φ20 mm、Φ25 mm PBL剪力连接件，相较于无贯穿钢筋试件，后者承载能力分别提高24.3%、53.3%、131%.

综上所述，增设贯穿钢筋，可以明显提高PBL剪力键的承载能力，在一定范围内增大贯穿钢筋的直径，即增大受剪钢筋的面积，PBL剪力键承载能力也会有显著提高.但是，若贯穿钢筋直径过大，则会阻碍钢筋和钢板孔洞间隙中混凝土骨料的进入，混凝土榫部分的承载能力将会降低，从而降低了PBL剪力键的承载能力.

由于在施工过程中贯穿钢筋很难保持在正中心的位置，以贯穿钢筋在孔洞中的位置作为变化参数对PBL剪力键承载能力进行研究，见表3中10～17试件.试验结果表明，改变贯穿钢筋的位置，即当贯穿钢筋处于孔洞上、中、下位置时，PBL剪力键的承载能力变化幅度在7.9%内，说明贯穿钢筋位置对PBL剪力键承载能力影响较小[26].

3.2 承载能力计算公式

目前，PBL剪力键主要靠推出试验获得其极限承载能力，但是推出试验构造形式有所不同，影响PBL剪力键极限承载能力的因素也较多.学者们基于不同影响因素，利用推出试验提出了PBL剪力键极限承载能力计算公式，但是由于试验设计不一，且结构构造具有离散性，并未形成统一的计算方法.目前，国内外一些研究机构提出的PBL剪力键的计算方法[27-28]见表4所示.

表4 PBL剪力键承载能力计算公式

4 PBL剪力键疲劳性能研究

Leonhardt等[29]分别设计和制作栓钉和PBL剪力键的推出试验模型，对两种连接件的疲劳性能进行对比试验分析，结果表明，在40%的极限荷载作用下，经过200万次的循环作用后，栓钉滑移量较PBL剪力键高很多，前者达1.5 mm，后者仅0.14 mm，与栓钉相比，PBL剪力键具有良好的抗疲劳性能.平阳兵等[30]通过试验对比PBL剪力键和剪力钉的抗疲劳性能，也得出了同样的结论，即PBL剪力键的抗疲劳性能远优于剪力钉，且在同等试验环境下，经疲劳试验后，PBL剪力键的相对滑移量也远小于剪力钉.

此外，宗周红等[28]对6只带孔钢板连接件和9只栓钉连接件进行静力和疲劳加载，在200万次疲劳加载后进行破坏试验加载，试验结果表明带孔钢板的承载力及抗疲劳性都优于栓钉连接件.欧阳雯欣等[31]以0.1的试验应力比对6个PBL剪力键推出试验进行疲劳加载.试验结果表明，随着疲劳加载次数的增加，PBL剪力键残余变形量增大，说明其延性减弱.开孔板孔径增大，则形成的混凝土榫面积增大，PBL剪力键的疲劳性能更佳.

另外，卫星与肖林等[32-33]以开孔孔径、钢板厚度及贯穿钢筋直径作为影响参数，设计并制作了6组24个PBL剪力键推出试验模型，研究其在不同荷载反复作用下的疲劳性能.结果表明，试件的疲劳破坏形式为混凝土板的开裂，当疲劳荷载比(疲劳荷载与设计承载力比值)不超过80%，即疲劳荷载不超过极限承载能力的57.6%时，推出试件都具有200万次以上的疲劳寿命，部分试件在加载至350万次后仍未见明显损伤，说明PBL剪力键具有良好的抗疲劳性能.研究的三种结构参数都对PBL剪力键的抗疲劳性能有一定影响.汪炳等[34-35]设计并制作9个PBL剪力键，其中3个采用静力加载，其余6个采用疲劳加载，并以疲劳荷载比(即疲劳荷载峰值与极限承载力的比值)和疲劳加载次数为参数变量，以考察疲劳荷载后剪力键的力学退化性能.结果表明，疲劳荷载比对PBL剪力键的剩余承载能力影响较大，300万次疲劳加载以后进行静力加载，荷载比为0.5、0.6、0.7的试件极限承载力分别为初始承载力的98.3%、86.6%、76.1%，且在荷载比相同的情况下(0.6)，连接件的承载能力随疲劳荷载次数的增加呈现出先慢后快的非线性退化趋势.

5 结 语

相关研究显示，影响PBL剪力键力学性能的因素较多，包括构造形式、混凝土强度、开孔板孔径、板厚、贯穿钢筋直径等等.由于目前没有形成完整的规范以指导对PBL剪力键的研究，导致推出试验构造形式各异，试验成果没有得到有效地应用.本研究建议应尽快完善PBL剪力键试验方法及相关规范.同时，鉴于国内外学者针对PBL剪力键的疲劳性能虽然开展了一定的研究，但研究成果有限.因此，应加强对影响剪力键疲劳的因素及理论基础的研究.尤其是在疲劳加载后，PBL剪力键的力学退化性能尚需进一步深入研究.目前，在许多大型桥梁主梁钢—混结合段和主塔钢—混结合段中，多采用剪力钉和PBL剪力键混合使用的形式，关于两者协同作用能力及传力机理的研究却鲜有涉及，需增强剪力钉和PBL剪力键共同作用下的试验研究.虽然，相关研究表明，增大开孔孔径，可以增加混凝土榫的面积，从而增大PBL剪力键的承载力.但目前PBL剪力键推出试验孔径都在Φ60 mm及其以下，缺乏对大孔径PBL剪力键的研究，后续研究可以考虑大孔径PBL剪力键(开孔孔径Φ60 mm以上)的推出试验研究.