开孔板连接件抗剪承载力计算方法研究

时间：2024-07-28

周炼成，周建华，刘育初，赵海波，贺绍华

（1、中国铁路广州局集团有限公司广州工程建设指挥部广州 510100；2、中铁三局集团第二工程有限公司石家庄 050011；3、广东工业大学广州 510006）

0 引言

开孔板连接件（Perfobond strip connector，简称PBL）由开孔钢板、贯穿钢筋和孔内混凝土榫组成，利用孔内钢筋混凝土榫“销栓”作用抵抗外部荷载。欧美等西方发达国家结合钢混组合结构特征，采用Eu⁃rocode 4［1］标准推出试件评估PBL 的抗剪性能。我国和日本多基于混合梁钢混结合段构造，制作插入式推出试件评估PBL抗剪性能。

国内外针对PBL 连接件的抗剪性能及计算方法已展开大量研究。ROBERTS 等人［2］最早对PBL 的力学性能进行了试验研究，并给出了承载力计算公式；OGUEJIOFOR［3］研究了孔数、孔间距、横向钢筋、混凝土强度等对PBL 力学性能的影响，提出了考虑榫、横向钢筋和开孔板端部承压作用的承载力计算公式；VIANNA 等人［4-5］研究了PBL的抗剪性能，报道了组合梁中PBL 的最终破坏均由混凝土板劈裂控制；宗周红等人［6］研究了混凝土强度、配筋率及贯穿钢筋位置等对PBL 抗剪性能的影响，发现开孔钢板端部的混凝土板开裂形状和大小，主要受板内横向钢筋控制；贺绍华等人［8］研究了插入式PBL 的抗剪性能，建立了钢混结合段孔内榫剪断形式下、考虑开孔钢板与混凝土黏结作用的PBL承载力计算式。

目前，国内外规范对PBL 力学性能的测试方法尚无统一规定，各国学者主要利用推出试验研究PBL 的抗剪性能。由于PBL的抗剪承载力与破坏模式密切相关，钢混组合结构和钢混混合段中PBL 的破坏形态各异，对其承载力的计算也应结合连接件构造进行。［11］以往学者给出的PBL 计算式，各部分系数取值均是基于各自推出试验结果回归得到，在用于其他学者设计的推出试件时计算精度往往差强人意。基于此，本文通过总结国内外学者的推出试验结果，分析不同推出试件形式下PBL 的受力特征，并基于连接件构造特征及传力机理，提出适于不同PBL构造的承载力计算方法。

1 PBL构造特征

PBL 是德国Leonhardt and Partners［2］提出的新型的抗剪连接件，用于解决传统焊钉所潜在的疲劳问题。经过三十多年的发展，PBL 已被广泛应用于桥梁工程实际。与传统焊钉的单侧抗剪不同，PBL 沿开孔板两侧均可发挥作用，抗剪承载力也相对更高［9-11］。对于钢混组合梁桥，PBL 的开孔钢板通过纵向角焊缝与钢梁翼缘连接，由于角焊缝的焊脚尺寸较小，相比截面熔透焊的焊钉对钢梁影响也更小，如图1⒜所示。对于钢混混合梁桥，其结合段一般为有格室构造，格室内竖向隔板开孔并穿入钢筋，与灌注的混凝土形成PBL传递荷载，如图2所示［11］。

图1 PBL的构造与布置Fig.1 Structure and Layout of PBL

图2 PBL推出试件构造形式Fig.2 Push out the PBL Specimen Structure Form

2 PBL推出试验

针对PBL 的力学性能，国内外学者通过推出试验进行了大量的研究。较为常见的推出试件形式有标准推出试件和插入式推出试件。标准推出试件主要参考了Euro Code 4 规范［1］，由H 型钢和焊接于翼缘的开孔钢板组成，如图2⒜所示。由于组合梁混凝土板通常较薄，外部荷载作用下，开孔钢板端部承压导致混凝土应力集中，极限状态下易发生翼板劈裂破坏。标准推出试件的PBL 多为混凝土劈裂破坏控制，能较好地反映钢混组合梁中PBL 的受力特征，以往有关其抗剪承载力计算的公式也多基于标准推出试验结果提出。

插入式推出试件参考了混合梁桥钢混结合段的构造特点，在混凝土中插入开孔钢板并横向穿过钢筋形成PBL，如图2⒝所示。由于钢混结合段一般布有大量PBL 保证内力传递，开孔板端部应力水平较低，极限状态下不会出现类似组合梁中混凝土板的劈裂破坏，多发生孔内钢筋混凝土榫断裂破坏。插入式推出试件的PBL 多为孔内钢筋混凝土榫断裂控制，能较好地反映钢混混合梁中PBL 的受力特征，以往有关其抗剪承载力计算的公式也多基于插入式推出试验结果提出。

3 PBL承载力计算公式

PBL 的抗剪承载力和传力机制与其构造特征密切相关，以往对不同构造形式下PBL 抗剪计算的研究已较多，有关其承载力主要影响因素的研究也较常见。根据已有的研究成果，PBL 的抗剪承载力主要受各部件的材料强度、开孔钢板构造、贯穿钢筋直径、混凝土板厚、横向钢筋配筋率等因素影响，基于上述参数和推出试验结果，国内外学者提出了大量的PBL 承载力计算方法，部分典型公式如表1所示。

表1 PBL抗剪承载力计算公式Tab.1 Calculation Formula of PBL Shear Capacity

由表1 可知，不同学者给出的抗剪承载力计算公式差异较大。对于钢混组合梁中的PBL，标准推出试件中PBL 两侧混凝土板通常率先劈裂，故PBL 承载力上限由混凝土板劈裂控制。由于混凝土板劈裂受板内横向钢筋控制，因此学者们提出的PBL 抗剪计算式通常包含钢板端部承压作用、孔内钢筋混凝土榫作用和板内横向钢筋作用，部分学者将钢板与混凝土的黏结作用也进行考虑。对于钢混混合梁桥，由于钢混结合段开孔钢板与混凝土接触面大、钢格室对核心混凝土约束作用强，钢板与混凝土界面黏结作用被普遍考虑为PBL承载力的重要组成部分。

由于PBL 各部件受力复杂，且各部件抗剪贡献随加载阶段各异，从理论上推导PBL 计算公式难以实现。以往学者给出的PBL 计算式，各部分系数取值均是基于各自推出试验结果回归得到，在用于其他学者设计的推出试件时精算精度往往差强人意，难以满足不同工程设计需求。

4 修正的PBL抗剪承载力计算方法

PBL 的抗剪承载力与破坏模式密切相关，由于钢混组合梁和钢混混合梁中PBL 的破坏形态各异，对其承载力的计算应根据实际构造分类进行。以往对PBL 抗剪承载力计算方法的研究表明，基于PBL 承载力组成构建物理意义明确的抗剪计算模型，然后结合大量试验结果回归得到模型参数取值的方法合理可行。为得到物理意义更加明确、适用于不同结构形式PBL 抗剪承载力计算的方法，本文以国内外学者获得的推出试验结果为基础，根据PBL 承载力组成特点，提出PBL承载力修正计算式。

4.1 钢混组合梁PBL承载力计算公式

钢混组合梁中，PBL 沿梁长纵向间断布置，连接件破坏由混凝土翼板劈裂控制。组合梁中PBL 的抗剪承载力包括钢板端部混凝土承压作用、板内横向钢筋作用、孔内混凝土榫作用、贯穿钢筋作用。基于此，钢混组合梁中PBL的抗剪承载力计算模型如下：

式中：Qu为PBL 抗剪承载力（kN）；Qe为钢板端部承压作用（kN）；Qtr为板内普通钢筋作用（kN）；Qr为孔内贯穿钢筋作用（kN）；Qd为混凝土榫抗剪作用（kN）；n为开孔数量；ntr为板内普通横向钢筋数量；D为开孔直径（mm）；ds为贯穿钢筋直径（mm）；dtr为板内普通钢筋直径（mm）；hsc为开孔板高度（mm）；tsc为开孔板厚度（mm）；fcu为混凝土立方体抗压强度（MPa）；fy为贯穿钢筋屈服强度（MPa）；fy1为板内普通横向钢筋屈服强度（MPa）；α为开孔板端部混凝土承压作用影响系数；β为板内普通钢筋影响系数；γ为贯穿钢筋影响系数；δ为孔内混凝土榫影响系数；λ为多孔抗剪效率折减系数。

结合国内外学者［16-26］进行的97 个PBL 标准推出试验结果，对式⑴～式⑸进行多元线性回归，得到各部分系数取值，并代入式⑴：

4.2 钢混结合段PBL承载力计算公式

对于混合梁桥钢混结合段，PBL 分布于钢格室内部，其破坏模式由孔内钢筋混凝土榫剪断控制。由于结合段钢格室对内部灌注的混凝土能形成有效约束，且两者接触面积通常很大，粘结作用对PBL 的抗剪贡献不能忽略［27-29］。因此，钢混结合段PBL 的承载力主要由孔内混凝土榫、贯穿钢筋和界面黏结作用组成，其计算模型如下：

式中：Vu为PBL 抗剪承载力（kN）；Vb为钢板与混凝土界面粘结作用（kN）；Vr为贯穿钢筋作用（kN）；Vd为混凝土榫作用（kN）；σ为混凝土与钢板粘结强度（MPa），通常取1.14；A为混凝土与钢板间接触面积（mm2）；α为粘结作用影响系数；β为贯穿钢筋影响系数；γ为混凝土榫影响系数；λ为多孔抗剪效率折减系数。

结合国内外学者［30-39］进行的114个PBL 插入式推出试验结果，对式⑺～式⑽进行多元线性回归，得到各部分系数取值，代入式⑺：

4.3 所提承载力公式计算精度评估

上述PBL 抗剪承载力式⑹和式⑾，计算文献中PBL推出试件的承载力结果如图3所示。对于钢混组合梁中的PBL 抗剪计算，由式⑹计算得到的标准推出试件承载力结果与试验值间的皮尔逊相关系数和R2分别为0.99 和0.98，表明计算结果与试验实测值相关性较好。对于钢混结合段中PBL 抗剪计算，由式⑾计算得到插入式推出试件的承载力结果与试验值间皮尔逊相关性系数和R2均为0.99，计算结果与试验结果相关性较好。

图3 公式计算值与试验结果对比Fig.3 Comparison between Calculated Values of Formula and Experimental Results