鋼－混凝土組合結構中PBL剪力連接件極限承載力比較

林 云，王清遠

(四川大學建筑與環境學院，四川成都610065)

鋼－混凝土組合結構，是鋼部件和混凝土或混凝土部件組合成為整體而共同工作的一種結構，具有鋼結構和混凝土結構的一些共同性能。而在組合結構中，鋼構件和混凝土構件是利用剪力連接件來共同工作的。所以，在組合結構中，首先要考慮的就是剪力連接件的力學性能。較為常用的剪力連接件是栓釘剪力連接件，但是由于PBL剪力連接件具有比其他傳統連接件更好的力學性能，因此PBL剪力連接件的應用越來越廣泛。而剪力連接件最關心的就是其極限承載力，下文通過對比國內外不同學者的極限承載力公式，給出幾點PBL剪力連接件進一步研究的建議。

1 PBL剪力連接件簡介

PBL剪力連接件基本形式是在鋼板上開孔后澆注混凝土，利用穿過孔中的混凝土榫來抵抗剪力流;或者在孔中穿過鋼筋。這種結構最先是由德國E·F·Leonhardt(1987年)教授開發出來的。后經各國學者不斷地研究和創新，又產生了很多不一樣的PBL剪力連接件。比如，Twin－PBL剪力連接件和S－PBL+栓釘剪力連接件等。

2 國外主要PBL剪力連接件計算公式

1987年，Leonhardt等人最先提出PBL剪力連接件的概念，他們基于設有貫通鋼筋試件的試驗結果，認為PBL剪力連接件的主要破壞形式是混凝土榫的剪切破壞，所以在他們提出的計算公式中并不直接反應貫通鋼筋的影響，并提出如下的計算公式:

Oguejiofor和Hosain利用梁上375mm長的剪力鍵進行試驗，得出剪力鍵破壞是因為混凝土板沿著連接線劈裂所致。PBL剪力鍵的承載力是由鋼板外混凝土、橫向普通鋼筋和混凝土榫共同控制。他們考慮了很多的物理因素，并給出了以下計算公式:

式中:Ac是連接器平面中混凝土的面積;Atr是橫向普通鋼筋的面積;Abs是混凝土榫的受剪面積。

Oguejiofor和Hosain(1996)隨后又進行了試驗，并對結果進行回歸分析，提出了一個新的公式，這個公式與之前他們提出的公式差別不大，只是改變了相關系數。

式中:Ac是混凝土的剪切面積;Atr是通過孔洞的橫向鋼筋的面積。

Nishiumi等人(1999)則把貫通鋼筋的影響看成是側面的約束力，根據試驗中的貫通鋼筋的應變大小，觀察到達到最大承載力時鋼筋都已屈服這一現象，為此把鋼筋屈服時的作用力看成是最大承載力時的約束力。并根據試驗數據建立了抗剪強度與側面約束強度的回歸曲線，得出了下面的公式。

式中:Ac是圓孔的面積;As是貫通鋼筋的面積。

Hosaka等人(2002)認為貫通鋼筋的影響較大，應該加以考慮，所以PBL剪力鍵的承載力由混凝土榫和孔洞中的貫通鋼筋共同控制，并將試驗數據進行回歸分析提出了如下的計算公式。

后來，Oguejiofor和Hosain又進行了更多的試驗并給出了一個新的計算公式，這個公式能夠更好的量化剪力鍵的抗剪能力，并且在公式的第一部分考慮了剪力鍵的端部承壓強度。

式中:h和t分別為PBL鍵鋼板高度和厚度;Atr是通過孔洞的橫向鋼筋的面積。

歐洲規范4(Ecrocade4)(2007)通過對各國大量的試驗資料進行統計分析，取平均值減去2倍標準差的下限作為PBL剪力鍵的極限承載力，給出了以下的計算公式。

(1)無貫通鋼筋時

以上公式中，Qu是極限承載力;fc是混凝土的立方體抗壓強度;f'c是混凝土圓柱體抗壓強度;ft是混凝土的軸心抗拉強度設計值;d是孔洞直徑;ds是橫向貫通鋼筋的直徑;n是孔洞個數。

3 國內主要PBL剪力連接件計算公式

福州大學的宗周紅等人(1999)共進行了9只栓釘連接件和6只帶孔鋼板連接件的疲勞和靜載破壞試驗研究，并利用試驗結果分析各參數對承載力的影響，首次考慮了混凝土類型的影響，并建立了如下的計算公式。

式中:α1為混凝土類型的影響系數，普通混凝土取1.0，鋼纖維混凝土取1.25;α2為橫向鋼筋的位置影響系數，通常情況下取1.0，當與受剪相反方向的橫向鋼筋較多時取1.5;β1、β2為回歸系數;分別取0.0029和0.75;Ac為混凝土縱向面積減去鋼板面積;Atr、fy為橫向鋼筋的總面積和屈服強度。此公式還能應用于計算栓釘的極限承載力，具體見文獻[6］。

湖南大學的胡建華等人(2006)設計制作了15組不同的PBL試件共44個，完成了極限承載力試驗，并指出連接件的破壞模式是剪切破壞，其抗剪承載力由鋼筋(包括貫通鋼筋和橫向普通鋼筋)和混凝土榫兩部分共同提供，明確區分了橫向普通鋼筋和貫通鋼筋的作用，并推導出如下計算公式。

式中:Q'u為單孔極限承載力;Atr、A'tr分別為貫通鋼筋和橫向普通鋼筋的面積;fy、f'y分別是貫通鋼筋和橫向普通鋼筋的屈服強度;Ac為混凝土榫的面積;α為鋼筋影響系數，取1.320125;β為橫向普通鋼筋的影響系數，當配箍率ρ≤0.18%時，取 1.204479，當 配 箍 率 ρ＞0.18%時，取1.042948;γ為混凝土榫影響系數，取1.95168。

西南交通大學的張清華等人(2007)為了使剪力鍵的計算公式物理意義更加明確，通過大量的試驗數據并進行回歸分析提出了如下PBL剪力鍵極限承載力計算公式。

剪力鍵中貫通鋼筋延性破壞時，

剪力鍵中貫通鋼筋脆性破壞時，

式中:Vcu和Vsu分別為剪力鍵中混凝土榫和鋼構件部分所承擔的承載力;α1和α2分別為混凝土類型的影響系數和橫向鋼筋影響系數，通常情況下都取1.0;β1和β2均為回歸系數;μ1和μ2分別為混凝土榫和貫通鋼筋的破壞類型系數，延性破壞時，μ1=μ1=1.0，脆性破壞時，μ1=1.6，μ2=1.2;fu為鋼筋的極限強度。此公式還能應用于計算多個剪切面以及栓釘的極限承載力，具體見文獻[9］。

4 結束語

綜上所述，有以下幾點建議供今后進一步進行PBL剪力連接件試驗研究參考。

(1)國內外到目前為止沒有形成完整的規范來指導PBL剪力連接件的試驗，并且由于各個研究人員采用的試驗形式不盡相同，導致了各自的計算公式也不相同。為了使PBL剪力鍵更加廣泛地應用于組合結構中，應該盡快規范PBL剪力鍵試驗的試件規格和試驗方法。

(2)國內外目前大部分研究人員都是利用試驗數據進行回歸分析后得出與自己的試驗結構基本一致的計算公式;而只有少部分研究人員采用ANSYS等有限元軟件進行模擬。所以有關PBL剪力連接件的有限元分析是值得深入研究的方面。

(3)PBL連接件的靜載試驗研究較多，而有關疲勞性能的研究較少。以后應加大其疲勞性能的研究。

[1]聶建國，劉明，葉列平．鋼－混凝土組合結構[M］．北京:中國建筑工業出版社，2005

[2]Leonhardt E F，Andrae W，Andrae H P，et al．Neues vorteilhaftes verbundmittel fur stahlverbundtragwerke mihoher Dauerfestirkeit[J］．Beton und Stahlbetonbau1987，82(12):325－331(in German)

[3]劉玉擎，曾明根，陳艾榮．連接件在橋梁結構中的應用與研究[J］．哈爾濱工業大學學報，2003，35(8):272－275

[4]Oguejiofor E C，Hosain M U．Numerical analysis of push－out specimens with perfobond rib connectors[J］．Computer＆Structures，1996，62(4):617－624

[5]Valente I，Paulo J S．Cruz．Experimental analysis of Perfobond shear connection between steel and lightweight concrete[J］．Journal of Constructional Steel Research，2004，60:465－479

[6]Eurocade4，Design of Composite Steel and Concrete Structures[S］．BSI，London，1994

[7]宗周紅，車惠民．剪力連接件靜載和疲勞試驗研究[J］．福州大學學報(自然科學版)，1999，27(6):61－66

[8]胡建華，葉梅新，黃瓊．PBL剪力連接件承載力試驗[J］．中國公路學報，2006，19(6):65－72

[9]張清華，李喬，唐亮．橋塔鋼－混凝土結合段剪力鍵破壞機理及極限承載力[J］．中國公路學報，2007，20(1):85－90