PBL和PZ组合销剪力连接件承载力试验研究

2021-01-27孔凡磊黄平明陆由付夏建平梅葵花

公路交通科技 2021年1期

孔凡磊，黄平明，陆由付，夏建平，梅葵花

(1.长安大学公路学院，陕西西安 710064；2.山东高速集团有限公司，山东济南 250002)

0 引言

钢-混凝土组合结构因其能够充分发挥钢和混凝土这两种材料的优点，在桥梁中得到了广泛的应用。波形钢组合桥面板是一种新型的钢混组合桥面板，它是由波形钢底板、混凝土和剪力连接件共同组成。施工时，制作完成的波形钢底板采用整体吊装，方便快捷，在后续的施工过程中，波形钢底板可作为永久性模板，现场只需绑扎桥面板上部纵横向普通钢筋即可浇注桥面板混凝土。与普通桥面板相比，具有承载能力高，施工速度快等优点[1-6]。

组合结构中钢构件和混凝土构件通过剪力连接件实现协同受力，剪力连接件可以抵抗水平横向和纵向剪力，同时也可以起到竖向抗拔的作用，将钢和混凝土两种材料可靠地组合在一起。剪力连接件是钢-混凝土组合结构中最为重要的受力构件之一，其设计是组合结构设计的核心。目前国内外采用的剪力连接件主要是栓钉和开孔板剪力连接件。栓钉具有受力性能好，施工方便，可靠性高等优点，在工程中应用较为广泛；栓钉为柔性结构，在荷载的作用下，其变形大，所以也具有较好的延性；但是变形过大使得组合结构中钢与混凝土的相对滑移量大，对结构安全不利，而且反复变形也容易发生疲劳破坏，另外栓钉剪力连接件在施工时由于数量庞大，焊接时需要大量的人力物力，费时费力[7-8]。开孔板剪力连接件(PBL连接件)通过在钢板上开圆孔使得混凝土进入圆孔中形成混凝土榫来抵抗剪力，圆孔中贯穿钢筋可以使其抗剪承载力进一步提高；与栓钉剪力连接件相比，其具有抗剪承载力大、抗剪刚度大、抗疲劳性能好和焊接简单等优点,因此在波形钢腹板组合箱梁、斜拉桥桥塔钢-混结合段、建筑钢-混组合结构中都有所应用，且较为广泛[9-12]。但是由于开孔板连接件穿钢筋时受到构件构造上的限制，定位和贯穿开孔板中的钢筋难度大，施工困难，影响施工进度。尤其是应用于波形钢组合桥面板时，贯穿钢筋需弯折成波折形，进一步增加了贯穿钢筋时的难度。

PZ组合销剪力连接件，是一种半开口形式的剪力连接件，施工时只需将贯穿钢筋放入指定位置即可，充分克服了开孔板剪力连接件贯穿钢筋困难的问题，而且其承载能力也均优于开孔板剪力连接件和栓钉剪力连接件，同样也具有良好的抗疲劳性能[13-16]。在加工制作时，剪力连接件采用单线切割，将钢板一分为二，生产效率高。目前PZ组合销剪力连接件主要应用于欧洲一些国家的预制组合梁中[17-18]，国内还未见相关的研究及工程实际中的应用；而且由于组合梁中的剪力连接件尺寸大、钢销厚度大和箍筋的“套箍”作用等，承载力计算并不适用于组合桥面板。

本研究在原有PZ组合销剪力连接件下端开设椭圆孔，然后对带椭圆开孔的PZ组合销剪力连接件和PBL剪力连接件进行了推出试验研究，对比分析了两类剪力连接件的力学性能指标。考虑工程应用实际，给出了带椭圆开孔的PZ组合销剪力连接件承载力计算公式，从而为波形钢组合桥面板剪力连接件的设计提供一定的基础。

1 试验概况

1.1 试件设计

本研究设计了8组试件进行推出试验，各试件的主要参数见表1和表2。试件中波形钢底板厚度为6 mm，剪力连接件厚度为14 mm，材料均为Q345qE。贯穿钢筋采用直径为16 mm的HRB400级钢筋。试件混凝土强度均为C50，在距离混凝土上表面30 mm位置处设置单层钢筋网，钢筋采用HRB400级钢筋，纵向和横向钢筋直径为12 mm，间距 100 mm。剪力连接件构造如图1(a)和(b)所示。加载试件参考欧洲规范中推出试件的设计和制作，加工好的波形钢试件先水平向浇注混凝土，养护好后在纵向上通过连接钢板将两个波形钢试件焊接成整体，加载试件的构造尺寸如图1(c)和(d)所示。

表1 PBL剪力连接件试件参数Tab.1 Parameters of PBL shear connector specimens

表2 PZ剪力连接件试件参数Tab.2 Parameters of PZ shear connector specimens

图1 推出试件构造尺寸(单位：mm)Fig.1 Structure dimensions of push-out specimens(unit:mm)

试件制作的过程中，在剪力连接件下端垫长度为5 cm的泡沫板用来消除端部承压影响。除试件PBL-2外，其余试件均在钢板与混凝土接触面上涂抹黄油来消除钢板与混凝土之间黏结力和摩擦力的影响。浇注混凝土前，PBL和PZ组合销剪力连接件的钢结构如图2所示。

图2 浇注混凝土前试件Fig.2 Specimens before casting concrete

1.2 量测内容与测点布置

试验测试项目有表面混凝土的应变、剪力连接件的应变、贯穿钢筋的应变、混凝土与剪力连接件的相对滑移量、加载荷载值。其中钢筋应变片放置在离中心2 cm的位置处，剪力连接件应变片布置如图3所示。滑移量和应变可分别通过位移计和应变片配合动静态静力采集系统获得，采集频率为1 Hz；加载荷载值可以通过计算机直接读出。

图3 应变片布置图Fig.3 Layout of strain gauges

1.3 试验方案

本次试验加载装置采用200 t微机控制的电液伺服压力机，试件加载布置如图4所示。试验正式加载前先进行3次预加载，用来消除非弹性变形，同时也检查采集系统和压力机的正常运行情况，加载值为0.3倍的设计承载力F。基准荷载为有限元分析及设计理论计算得到设计抗剪承载力。正式加载分为荷载控制和位移控制加载两个阶段，荷载控制加载时加载速率为2 kN/s，位移控制加载时加载速率为0.2 mm/min。

图4 试件加载装置图Fig.4 Load setup of specimens

试验前对试件的主要材料进行了力学性能测试，与试件同时浇注的混凝土龄期28 d的标准试块抗压强度平均值为54.2 MPa，钢筋和钢板的测试结果如表3所示。

表3 材料性能测试结果Tab.3 Test result of material properties

2 试验结果分析

2.1 破坏形态

加载初期时，试件并无明显的滑移现象，此时混凝土和钢板之间的黏结力起抵抗荷载的作用。随着荷载的增加，可以通过位移计观察到钢板和混凝土开始出现滑移，但是试件本身并无明显现象。荷载加载到80%的极限荷载以后，滑移量明显增加，并且首先在试件的底部观察到多条竖向的微小裂缝，此裂缝是从试件内部延伸而来；随后，裂缝继续扩展逐渐变宽，并且试件的侧面混凝土和顶部混凝土也均出现裂缝，顶部裂缝与底部裂缝上下贯通。试件最终为混凝土的剪切破坏，底部混凝土有不同程度的剥落，破坏过程中伴随着混凝土开裂的声音。对于未贯穿钢筋的试件，下降段时，荷载的变化非常明显。试件的开裂情况如图5所示。

图5 试件混凝土裂缝Fig.5 Cracks on concrete of specimen

砸开后的试件如图6所示，PZ剪力连接件的钢销和椭圆开孔并无明显的变形和破坏；贯穿钢筋出现了明显的变形，但并未被剪断，这是由于混凝土销被压碎后，试件出现较大的滑移，贯穿钢筋被挤到钢销边上，与混凝土销共同承受剪力。剪力连接件的破坏形式为混凝土剪切破坏并且为延性破坏。

图6 砸开后的试件Fig.6 Specimens after breaking

2.2 荷载-滑移曲线和静力性能指标

本次试验试件的荷载-滑移曲线和静力性能指标分别如图7和表4所示。剪力连接件的主要静力性能指标有：承载力极限值Pu、承载力特征值PRk、承载力设计值PRd、极限滑移量δu、设计滑移量δd、抗剪刚度Ks和延性系数Dc。Eurocode4规范中规定，Pu为剪力连接件的承载能力最大值，PRk为0.9倍的Pu，PRd为PRk除以安全系数γv，γv取1.25；δu为PRk对应的滑移量的最大值，δd为PRd对应的滑移量；Ks为发生单位滑移量时对应的荷载与滑移量的比值，本研究中取Ks为荷载-滑移曲线上原点与承载力设计值之间的直线的斜率；Dc为δu与δd的比值。表4中的各值均已换算成单个孔和单个组合销对应的试验平均值。

图7 试件荷载-滑移曲线Fig.7 Load-slip curves of specimens

表4 两类剪力连接件的静力性能指标Tab.4 Static property indicators of 2 types of shear connectors

2.3 极限承载力分析

PBL-3试件的极限承载力比PBL-1试件极限承载力提高了72.0%，PZ-1试件的极限承载力比PZ-2的极限承载力提高了60.3%。PBL-3试件与PBL-1试件及PZ-1试件与PZ-2试件的唯一区别在于是否有贯穿钢筋，可见贯穿钢筋可以显著提高试件的承载力。

PBL-2的承载力比PBL-3的承载力高了19 kN，相当于总承载力的9%，所以钢板和混凝土之间的黏结力和摩擦力在抗剪性能方面发挥着重要的作用。但是由于影响黏结摩擦作用的因素众多，工作机理复杂，性能也不稳定，所以通常都是作为设计的安全储备，并不计入极限承载力。

为比较PZ和PBL剪力连接件极限承载力，将剪力连接件换算为长度均为400 mm ，PZ-3试件比PBL-3试件的极限承载力提高了65.6 kN，平均提高了11%。PZ-1试件和PZ-3试件对比可知，椭圆小孔的承载力约为95 kN，从而得出如果PZ-2试件如果不开椭圆小孔其承载力约为188.8 kN。则不开椭圆小孔且剪力连接件长度均为400 mm时，PZ-2试件比PBL-1试件的极限承载力提高了28.4 kN，提高了约为8.1%。可见，无论是否贯穿钢筋，PZ剪力连接件的极限承载力均优于PBL剪力连接件。

PZ-3试件比PZ-4试件的极限承载力提高了14.4 kN，仅为0.04%，这表明随着组合销高度的增大，极限承载力稍微降低，但降低幅度很小。PZ-1试件(开椭圆小孔)比PZ-3试件的极限承载力提高了95.2 kN，约为28.6%；PZ-5试件(开椭圆大孔)比PZ-3试件的极限承载力提高了126.5 kN，约为38.0%。可见，在组合销剪力连接件中开椭圆孔可以使承载力得到明显提高。

综上所述，在PBL和PZ剪力连接件中，贯穿钢筋都是影响其极限承载力的重要因素，而无论是否贯穿钢筋，PZ剪力连接件的极限承载力均优于PBL剪力连接件；在保持其他因素不变的情况下，在PZ剪力连接件中开椭圆孔，能更进一步提高其抗剪承载力。

2.4 抗剪刚度及延性系数

由表4可知，PZ剪力连接件的抗剪刚度均大于PBL剪力连接件。通过对比PBL-3试件与PBL-1试件、PZ-1与PZ-2试件，说明贯穿钢筋可以有效地提高剪力连接件的抗剪刚度。试件PZ-5比PZ-1 的抗剪刚度要小，试件PZ-1、PZ-5均比试件PZ-3、PZ-4的抗剪刚度小，说明剪力连接件开椭圆孔会降低抗剪刚度，而开椭圆大孔比开椭圆小孔降低地程度要大，这是由于开的椭圆孔中并未贯穿钢筋，这更进一步说明了贯穿钢筋对抗剪刚度影响的重要性。虽然开椭圆孔可以增加PZ剪力连接件的承载力，但是也会降低其抗剪刚度，所以在进行剪力连接件设计时，应充分考虑二者之间的平衡，不能无限制地增大椭圆孔的大小。

延性系数也是反映剪力连接件力学性能的重要指标，剪力连接件在破坏时应该有良好的延性。PZ剪力连接件的延性系数均高于PBL剪力连接件，说明PZ比PBL剪力连接件延性更好。

2.5 荷载-应变曲线分析

试件表面混凝土应变并无明显变化，这是由于剪力连接件顶端距离混凝土表面距离较远，中间有构造钢筋，剪力连接件未发生撬起破坏，因此本研究中没有列出。图8为部分试件的钢销和贯穿钢筋荷载-应变曲线图。

图8 试件荷载-应变曲线Fig.8 Load-strain curves of specimens

由图8(a)可知，开始时，钢筋的应变很小，原因在于此时剪力由钢板与混凝土的黏结力和混凝土销承担。随着荷载的增加，混凝土销逐渐被压碎，钢筋开始发挥作用，并且应变迅速增大，此时钢筋会逐渐弯曲。

由图8(b)可知，加载初期，钢板荷载-应变曲线为线性变化。所有测点中A1和B1处(钢销下部)的应变变化最为明显，随着荷载的增加，应变迅速增大，所以此处为应力集中区域。A3和B3处的应变变化相对不明显。

3 抗剪承载力计算

3.1 已有理论计算公式

已有研究表明[19-20]，PZ组合销剪力连接件在荷载作用下可能发生3种破坏模式，不同破坏模式其承载力计算公式不同。

(1)剪力连接件钢板本身失效破坏

当钢板过薄或者等级较低时，剪切-弯曲组合效应会使钢板产生水平裂纹，同时钢销也会产生较大的塑性变形，此破坏为延性破坏。承载力计算公式为：

(1)

式中，fy为钢屈服强度；tw为组合销钢销厚度；bi为组合销最小宽度；hs,i为形心与最小宽度处的距离。

(2)混凝土剪切破坏

当组合销剪力连接件钢销间距ex过小或者钢板厚度较大时会发生混凝土剪切破坏，此时抗剪承载力的主要影响因素为混凝土的强度和混凝土销的面积，同时，考虑两个组合销剪切区域重合的影响，引入修正系数ηD。承载力计算公式为：

(2)

(3)混凝土撬起破坏

当钢销的顶面与混凝土表面距离过小时，可能出现表面锥形撬起的破坏模式。承载力计算公式如下：

(3)

式中，hpo的值为min(co+0.07ex，cu+0.13ex)；co为钢销顶部到混凝土表面的距离；cu为销座的高度；fck为混凝土抗压强度标准值；ρD,i的值为(Es·Asf)/(Ecm·AD,i)；Es，Ecm分别为钢、混凝土弹性模量；Asf为上置横向钢筋的面积和贯穿钢筋面积之和；AD,i为混凝土有效区域。

当组合销剪力连接件的间距小于4.5倍的hpo时，由于混凝土的锥体的重叠，承载能力降低，其承载力需要折减χx=d/4.5hpo，当间距小于9倍的hpo时，承载力需要折减χy=d/9hpo，如果混凝土中有箍筋时则不会发生混凝土撬起破坏。

根据试件的破坏结果，本次试验的PZ剪力连接件为混凝土剪切破坏。以试件PZ-3和PZ-4为列，由于本次试验为单个组合销，所以公式中不考虑修正系数ηD，由式(2)可得到承载力特征Psh,k=329.7 kN。根据试验结果PZ-3和PZ-4的承载力特征值分别是299.8 kN和286.9 kN。理论公式比试验结果偏大。

这是由于PZ组合销剪力连接件主要适用在欧洲一些国家的组合梁中，并未在组合桥面板中应用，由于组合梁中钢销厚度大、尺寸间距大，组合梁中的箍筋对承载力影响也较大。而且试件的构造不同、试验加载布置不同，得到的试验结果也会不同。因此，有必要建立一个适用于波形钢组合桥面板中带椭圆开孔的PZ组合销剪力连接件承载力计算公式。

3.2 本文的承载力计算公式

带椭圆开孔的PZ组合销剪力连接件承载力主要有组合销和椭圆孔混凝土榫两部分组成，因此承载力可记为：

psh,k=pc+pe。

(4)

组合销部分承载力pc参考已有公式，考虑波形钢组合桥面板本身构造及工程实用，引入折减系数φc，根据试件PZ-3和试件PZ-4的承载力特征值求得φc=0.889，则组合销部分承载力为：

(5)

在荷载的作用下，椭圆开孔内混凝土榫受到双面剪切作用，根据参考文献[21-22]抗剪承载力可记为：

(6)

式中，Ae为椭圆开孔的面积，Ae=πab，a和b为椭圆孔的长半轴和短半轴；φe为椭圆开孔内混凝土榫影响系数，根据试件PZ-1和PZ-3可以求得椭圆小孔的承载力特征值为86 kN，根据试件PZ-4和PZ-5可以求得椭圆大孔承载力特征值为127 kN，代入式(6)可以求得φe的值为4.738，因此椭圆孔混凝土榫的抗剪承载力为：

(7)

综上所述，应用在波形钢组合桥面板中带椭圆开孔的PZ组合销剪力连接件承载力公式为：

(8)

根据提出的理论计算公式对本次试验带贯穿钢筋的4个试件进行抗剪承载力计算，计算结果和试验结果对比如图9所示。可以得到，本研究提出的计算公式得出的值与试验值的误差在5%以内，吻合度较好。