开孔板连接件布置方法试验研究

赵晨

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

开孔板连接件布置方法试验研究

赵晨

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

基于42个推出模型试验数据，对组合结构桥梁中开孔板连接件的布置方法进行研究。结果表明：混凝土强度增加可以提高开孔板连接件抗剪承载力随孔径增加的增长率；孔径和孔中钢筋直径相互匹配能有效提高开孔板连接件的抗剪承载力；混凝土板厚度、开孔板板厚、板高和板间距对抗剪承载力影响较小；为充分发挥开孔板连接件的抗剪能力，实际结构中开孔板厚度宜大于8 mm，板间距不宜小于5.5倍孔径。

开孔板连接件；组合结构桥梁；布置方法；推出试验

0　引言

钢与混凝土结合面的连接件形式和布置对组合结构力学性能影响很大［1］，一般常用圆柱头焊钉连接件，而开孔板连接件以其抗疲劳性能良好、承载能力大的特点，近几年在组合结构桥梁中得到了广泛应用。开孔板连接件在桥梁结构中主要有两种应用形式，即在钢构件加劲板上开孔，或直接在主要受力板件上开孔。各国学者对其承载性能进行了一系列研究，并提出了开孔板连接件的抗剪承载力计算方法［2-4］；同时，研究人员还进行了开孔板连接件试验方法［5］、混凝土浇筑方式［6］和其构造尺寸［7，8］等多方面研究。

目前，开孔板连接件的布置形式呈现复杂和多样化，表1列出了国内8座桥梁中开孔板的构造形式。同时，由于材料的发展，开孔板孔径、厚度以及孔中混凝土强度等较以往都有了一定提高。为适应开孔板连接件的发展，方便设计，本文依据推出试验数据分析，提出了组合结构桥梁中开孔板连接件几种主要构造形式的布置方法。

1　开孔板连接件推出试验

1.1试件制作及加载

如图1所示，本文以开孔孔径（d），孔中钢筋直径（ds），开孔板厚度（t）、板高（h）、板间距（e），混凝土板厚度（b）为变化参数，进行了14组、42个开孔板连接件推出试验。制作试件时孔中钢筋固定在圆孔的几何中心位置，在开孔板钢板底部设置55 mm厚度的泡沫垫块，在钢板与混凝土的结合面上涂抹润滑油，以此忽略钢与混凝土间的摩擦作用以及钢板底部混凝土的承压作用。

试件加载如图2所示，推出试验是通过对工字钢翼缘施加推压力，在模型试件混凝土板底部设置细沙垫层，在试件与千斤顶之间放置荷载分配梁，保证模型试件中开孔板圆孔均匀受力。

1.2试验结果

14组开孔板连接件推出试验结果见表2。

2　试验结果分析

2.1开孔孔径的影响

图3给出在混凝土强度fcu=43.3 MPa、70.3 MPa时，3种孔径d=50 mm、60 mm、75 mm的开孔板连接件抗剪承载力与开孔孔径（d2-d2s）的变化关系。抗剪承载力随孔径增加而增大，与孔中混凝土的抗剪面积成正比。主要因为在孔中钢筋直径不变的情况下，增加孔径将增大孔中混凝土的抗剪面积，从而提高了开孔板连接件的抗剪承载力。

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混凝土强度fcu=43.3 MPa时，3种孔径的抗剪承载力增长率为k=1.3%；混凝土强度fcu=70.3 MPa时，3种孔径的抗剪承载力增长率为k=3.9%。两种混凝土强度增加60%，对应抗剪承载力随孔径（d2-d2s）的增长率增加近3倍。表明混凝土强度的增长可以进一步增加开孔板连接件抗剪承载力随孔径的增长率。

2.2孔中钢筋直径的影响

开孔板连接件的抗剪由孔中混凝土、孔中钢筋及其对混凝土的约束三部分作用构成。其中，钢筋对混凝土的约束作用主要表现为两者间的握裹力，以及钢筋弯曲时对被钢筋所包裹区域的混凝土的压缩约束作用。

表1　开孔板连接件应用实例

图1　模型试件

图2　模型加载试验

表2　推出试验结果

图4为开孔孔径d=60 mm的模型试件，在孔中钢筋直径分别ds=16 mm、20 mm、25 mm时的抗剪承载力与钢筋直径ds2的变化关系。抗剪承载力随钢筋直径的增加而增大，主要因为钢筋直径改变孔中钢筋抗剪面积，对抗剪承载力产生直接影响。

图3　开孔孔径的影响

图4　孔中钢筋直径的影响

当孔中钢筋直径由16 mm增至20 mm、25 mm时，抗剪承载力的增长率分别为k=30%、k=18%，增长率有所下降。主要因为当孔中钢筋直径较小时，钢筋抗剪及其对混凝土的约束作用均较小。当直径增加，钢筋自身抗剪能力增大，但弯曲变形量随抗弯刚度的增加而降低，从而消弱钢筋变形对混凝土的约束作用。钢筋直径增加至一定值时，钢筋变形对混凝土的约束作用减少较多，或同时因为圆孔与孔中钢筋之间孔隙较小，阻碍粗骨料的进入，从而使得抗剪承载力的增加幅度有所降低。因此，孔中钢筋直径与开孔孔径应匹配合适，才能有效提高开孔板连接件的抗剪能力。

本文三组钢筋直径的试件，孔中钢筋截面积与孔截面积比AS/A分别为7%、11%、17%。当孔中配筋率达到11%后，抗剪承载力增长率开始降低。因此，实际结构中为最大效率提高开孔板连接件的抗剪承载力，AS/A宜控制在7%～11%范围内。表3给出了几种较合理的孔径与孔中钢筋直径的对应关系。

表3　孔径与孔中钢筋直径对应关系

图5为开孔孔径d=65 mm的模型试件，在开孔板厚度t=16 mm、22 mm时的抗剪承载力与板厚的变化关系。两种板厚时的抗剪承载力分别Vu=393.7 kN、404.0 kN，仅增长2.8%。当板厚小于8 mm时，开孔板连接件发生钢板的剪切破坏和开孔板前端混凝土的割裂破坏［3］。此时，开孔板连接件承载能力低，变形性能差。当板厚大于8 mm时，开孔板连接件将发生孔中混凝土的剪切破坏，能充分发挥开孔板连接件的抗剪能力。此时，板厚不改变孔中混凝土和钢筋的抗剪面积及材料特性，其变化对抗剪承载力基本不产生影响。

图5　开孔板厚度的影响

2.4开孔板高度的影响

图6为开孔板高度，分别为h=100 mm、150 mm时的抗剪承载力与板高的变化关系。两种板高时的抗剪承载力分别Vu=329.6 kN、332.1 kN，仅增长0.9%。主要因为试件底部设置泡沫垫块，忽略了钢板底部混凝土的承压作用，板高对抗剪承载力基本不产生影响。在桥梁结构中，一般开孔板连接件沿主要受力方向连续开孔，其钢板底部混凝土承压作用占比较小，开孔板连接件抗剪性能与本文试件相似；而当实际构件沿受力方向开孔数量较少时，则不能忽略钢板底部的承压作用，板高对抗剪承载力将产生一定影响。

图6　开孔板高度的影响

2.5开孔板板间距的影响

图7为开孔孔径d=60 mm的模型试件，在开孔板板间距分别e=75 mm、150 mm、200 mm时的抗剪承载力与板间距的变化关系。板间距由e=75 mm增至200 mm，抗剪承载力仅增长2.0%，板间距对抗剪承载力影响较小。

图7　开孔板板间距的影响

实际结构中，开孔板连接件通过圆孔周围的混凝土将荷载传递出去，当多排并列布置时，相邻两排的开孔板连接件相互影响，单孔抗剪承载力有所降低；当板间距增大时，相邻两板的相互影响减弱，单孔抗剪承载力随之增大并最终趋于稳定，类似于焊钉连接件的群钉效应［1］。这种影响与开孔孔径有直接关系，当孔径增大，开孔板连接件需要传递的荷载增大，传递剪力所需周围混凝土的区域也变大。

表4　板间距对抗剪承载力的影响

两组试件中抗剪承载力最小值分别为Vu（min）= 332.1 kN、215.7 kN。图8给出试验数据中的抗剪承载力比（Vu/Vu（min））与板间距和孔径比（e/d）的变化关系。可以看出，当板间距小于5.5倍孔径时，抗剪承载力基本不随板间距的变化而改变。当板间距超过5.5倍孔径时，抗剪承载力达到最大值，约为之前抗剪承载力的1.1倍。由此，实际结构中为充分发挥开孔板连接件的抗剪能力，板间距不宜小于5.5倍孔径。

图8　板间距与孔径比对抗剪承载力的影响

2.6混凝土板厚度的影响

图9为混凝土板厚度分别b=300 mm、400 mm时的抗剪承载力与混凝土板厚度的变化关系。两种厚度时的抗剪承载力仅增长1.7%，其对抗剪承载力影响较小。因此对于桥梁结构，设计时不需单独考虑为增加开孔板连接件抗剪承载力而加大混凝土板的厚度。

图9　混凝土板厚度的影响

3　结语

本文进行了42个推出模型试验，对开孔孔径、孔中钢筋直径、开孔板厚度、高度、板间距和混凝土板厚度的布置方法进行研究。结果如下：

（1）混凝土强度增加可以进一步提高开孔板连接件抗剪承载力随孔径增加的增长率。

（2）孔中钢筋直径与开孔孔径应匹配合适，才能有效提高开孔板连接件的抗剪承载力。

（3）为充分发挥开孔板连接件的抗剪能力，开孔板厚度宜大于8 mm，板间距不宜小于5.5倍孔径。此时，两者变化对开孔板连接件抗剪承载力基本不产生影响。

（4）桥梁结构中沿主要受力方向连续开孔的开孔板连接件，板高对其抗剪承载力影响较小。

（5）混凝土板厚度对抗剪承载力影响较小，设计时不需单独考虑为增加开孔板连接件抗剪承载力而加大混凝土板的厚度。

［1］刘玉擎.组合结构桥梁［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］Fritz Leonhardt，Wolfhart Andrae，Hans-Peter Andrae，et al. New，Improved Bonding Means for Composite Loadbearing Structures With High Fatigue Strength［J］.Beton-und Stahlbetonbau，1987，82（12）:325-331.

［3］保坂鐡矢，光木香，平城弘一，et al.孔あき鋼板ジベルのせん断特性に関する実験的研究［C］.日本:構造工学論文集，2000.

［4］赵晨，刘玉擎.开孔板连接件抗剪承载力试验研究［J］.工程力学，2012，12（29）:349-354.

［5］Zhao Chen，Liu Yuqing，Zheng Shuangjie，et al.Influence of test methods on the shear behavior of Perfobond connector［C］.TRB Annual Meeting，2012.

［6］吴文明.大跨度钢箱拱桥钢与混凝土结合部试验研究［D］.上海：同济大学，2007.

［7］E.C.Oguejiofor，M.U.Hosain.Numerical analysis of push-out specimens with perfobond rib connectors［J］.Computers and Structures，1997，62（4）:617-624.

［8］保坂鐡矢，光木香，平城弘一，et al.孔あき鋼板ジベルのせん断強度評価式と設計法に関する研究［C］.日本:構造工学論文集，2002.

U442.5

B

1009-7716（2016）06-0306-05

2016-02-01

赵晨（1983-），男，山东枣庄人，博士，工程师，从事桥梁设计工作。