新型翼緣型開孔折板剪力鍵抗剪性能試驗

王淑妹，袁安華

（1.福建農林大學交通與土木工程學院，福建福州350002；2.福州市規劃設計研究院，福建福州350003）

新型翼緣型開孔折板剪力鍵抗剪性能試驗

王淑妹1，袁安華2

（1.福建農林大學交通與土木工程學院，福建福州350002；2.福州市規劃設計研究院，福建福州350003）

摘要：在傳統Twin-PBL鍵和翼緣型開孔波折板抗剪連接件基礎上研究一種新型抗剪連接件-新型翼緣型開孔折板剪力鍵，對8組共24個剪力鍵做抗剪承載力推出試驗，研究折板間距對承載力影響，并將新型翼緣型開孔折板剪力鍵與相應

Twin-PBL對比。結果表明：折板間距對承載力影響較大，間距20 cm的剪力鍵承載力最大，比相應間距25 cm的增加8.76%，

比相應間距30 cm的增加11.24%；新型折板剪力鍵抗剪切性能明顯高于相應結構尺寸的直板剪力鍵，最高增加92.1%。說明該新型翼緣型開孔折板剪力鍵具有承載力高、抗疲勞性能好、加工制作方便、不易發生突然破壞、安全性能好等特點。

關鍵詞：開孔折板；剪力鍵；推出試驗；折板間距；極限承載力

鋼混組合結構能夠充分利用鋼材抗拉強度高和混凝土抗壓性能好的優勢，而剪力鍵是保證鋼與混凝土組合結構共同工作的關鍵元件，剪力鍵的主要作用是抵抗鋼和混凝土之間的滑移和分離。目前應用較為廣泛的剪力連接件主要有栓釘[1]、方鋼、槽鋼、彎起鋼筋和PBL鍵等。

1987年西德工程咨詢公司Leonhardt Andra和Partners在維拉瑞拉卡羅尼第三大橋組合結構剪力件中提出來新型剪力連接件，即采用在鋼板上方開孔，通過混凝土榫承擔水平剪力。隨后發展成在鋼板的孔洞中設置橫向穿孔鋼筋，利用穿孔鋼筋和混凝土榫抵抗剪力流。20世紀90年代初，日本在鶴見航道橋中將鋼棒穿過鋼板形成剪力件。國內胡建華、劉玉擎、萬水、閆文華[2-3]等通過理論與試驗研究剪力件的極限承載力，研究結果表明PBL鍵具有較強的抗剪切能力和抗疲勞性能[2-4]。東南大學萬水、李淑琴[5-8]在傳統PBL鍵的基礎上研究翼緣型開孔波折板抗剪連接鍵，該新型PBL剪力鍵抗剪切承載力明顯優于傳統PBL鍵。

本文在傳統PBL鍵和翼緣型開孔波折板抗剪連接件基礎上研究設計了一種新型的抗剪連接件-翼緣型開孔折板剪力鍵[9]，并申請專利，研究該新型剪力鍵的構造和受力特點。由于同濟大學[10]、湖南大學[2]、東南大學[5-8]和長安大學[11]等對PBL鍵和翼緣型開孔波折板抗剪連接件的混凝土強度、鉆孔直徑及數量和貫穿鋼筋直徑對抗剪承載力的影響均進行了系統的研究與分析，鑒于此，本文主要討論直、折板間距對承載力的影響，并與傳統PBL鍵和翼緣型開孔波折板抗剪連接件進行推出對比試驗。在試驗基礎上研究該新型翼緣型折板剪力鍵優良的抗剪切性能，為該新型剪力鍵在鋼混組合橋梁的應用發展提供有益的參考。

1　翼緣型開孔折板剪力鍵試驗

根據相關PBL鍵研究成果，經過大量的研究和分析，翼緣型開孔折板剪力鍵結構尺寸如下：在翼緣板上沿腹板的方向焊接兩塊鋼板；相隔一定的距離鋼板向左或右側錯位彎折，形成折板；折板4上開有孔洞41，縱向通長鋼筋6從孔洞41中穿過；鋼板3上未彎折部分開有孔洞31，橫向鋼筋5從孔洞31中穿過；兩相鄰鋼板上的折板錯位設置，即一塊鋼板上因折板產生的間隙與另一塊鋼板的未彎折部位相對應。具體構造如圖1所示。

圖1中：1—鋼腹板，2—翼緣板，3—鋼板，31—鋼板上的孔，4—折板，41—折板上的孔，5—橫向鋼筋，6—縱向鋼筋。

翼緣型開孔折板剪力鍵特點：

1）鋼板與翼緣板連接處為直線，便于采用自動焊接工藝，加工制作方便，便于控制施工質量。

2）水平剪力由折板和鋼板上帶鋼筋的混凝土栓共同承擔，提高抗剪切性能。

3）鋼板鋼筋和折板上帶鋼筋的混凝土栓起抵抗拉拔力及防止縱縫的作用，同時加強了組合構件的橫向剛度。

4）直板與折板的角度可以為任意值，通過調整角度可以獲得不同的抗剪性能，本次夾角為90度。

1.1構件設計與制造

為避免鋼板在混凝土之前發生屈曲或拉裂等破壞現象，通過ANSYS模擬推出件受力狀態，計算各個部位鋼板厚度，設計了8組不同的試件，共24個。其中L為20 cm，25 cm，30 cm的直板和折板各1組，共6組18個；單折板和單直板各1組，共2組6個。各剪力鍵試件中折板厚度6 mm；工字梁鋼板厚12 mm；推出件蓋板厚8 mm；縱橫向螺紋鋼筋直徑16 mm；鋼板孔洞直徑40 mm（鋼板均采用Q345）。具體尺寸見圖2（圖中尺寸以厘米為單位）。

圖1　翼緣型開孔折板剪力鍵透視圖Fig.1 Three-dimensional structure of the perforated table-flap shear connector

圖2　翼緣型開孔折板推出件構造圖Fig.2 The push-out test structure of the perforated table-flap shear connector

試件采用C50混凝土澆注，要求混凝土粗骨料在保證級配良好的情況下，最大粒徑不得大于18 mm，細骨料采用中粗砂，以滿足孔洞最小粒徑要求。澆筑過程中做好應變片導線的保護工作，澆筑后注意養生，并記錄相應編號。具體見圖3和圖4。

1.2加載試驗

試驗在廈門捷航檢測試驗室進行，采用位移控制加載方式，下圖5為正在加載的試件及位移計和應變片放置位置圖。正式加載之前按0.5倍彈性極限荷載進行兩次預加載，以消除粘結力影響。正式加載分兩次，第一次正式加載力為彈性承載力加載，第二次正式加載力為極限承載力加載。第一次彈性承載力加載，荷載增量按照0.2倍彈性承載力，每次持續5分鐘，達到彈性承載力后卸載。第二次極限承載力加載，以0.2倍彈性承載力值加載直至破壞。每組第一個試件加載后調整荷載步。極限承載力推出試驗結果見表2。

圖3　加工鋼板圖Fig.3 A steel structure of machining

圖4　澆筑混凝土圖Fig.4 A test sample in casting concrete

圖5　推出件加載試驗圖Fig.5 The test set-up of push-out test sample

表1　各材料力學性能Tab.1 Mechanical properties of all testing materials

2　試驗現象與結果分析

2.1試驗現象

2.1.1翼緣型開孔雙直板剪力鍵

各推出件試驗過程中，隨著荷載的增加，鋼板與混凝土板之間有明顯的相對滑移；當加載到60 kN時，混凝土板截面底部出現細小的裂縫，滑移不斷增大；加載到140 kN時，試件內部發出沙沙聲音，混凝土板與鋼板的接觸面出現明顯的裂紋，混凝土與鋼板發生剝離；再對試件均勻加載，裂紋慢慢變大且向兩側延伸。加載到160～190 kN，混凝土板中部出現裂縫并迅速沿縱向延伸擴展。此時，每分鐘讀取一次千分表的數據，變形較快，說明試件產生了塑性變形，直至破壞。

2.1.2翼緣型開孔雙折板剪力鍵

隨著荷載的增加，鋼板與混凝土板之間有明顯的相對滑移；在荷載達到140 kN時，混凝土板截面底部出現細小裂紋，鋼板與混凝土之間有微小的滑移；隨著荷載的加大，裂縫慢慢延伸由小變大、由窄變寬（相對滑移的增長速率明顯低于直板剪力鍵），試件的沙沙聲較直板小；當荷載達到240~300 kN時，混凝土板中部出現裂縫并迅速沿縱向延伸擴展，千分表數據變化較快，此時試件產生了塑性變形，裂縫開展迅速直至破壞。

表2　翼緣型折板剪力鍵極限承載力Tab.2 Ultimate bearing capacity of the perforated table-flap shear connector

2.2結果分析

從整個加載實驗過程看，各試件首先從底部出現細小裂縫，隨著荷載的增加，裂縫逐漸延伸并加大，接著試件頂部出現裂縫，并向兩側伸展，裂縫破壞形式及裂縫發展見圖6，最后出現鋼板與混凝土相互作用的沙沙聲音，直至達到極限承載力。

圖6　推出件混凝土裂縫發展圖Fig. 6 Crack developmental orderliness on concrete of push-out test sample

24個推出件加載試驗結束后剝離混凝土后發現，①貫通鋼筋均未被剪斷；②直板剪力鍵鋼筋在孔洞附近彎折程度大于折板鋼筋；③直板和折板剪力鍵孔洞附近混凝土被壓碎；④折板剪力鍵折板附近混凝土被壓碎；⑤折板剪力鍵的折板存在不同程度的剪切破壞。破壞形式具體見圖7。

圖7　推出件內部破壞圖Fig.7 Inner destruction of push-out test sample

從試驗結果可以看出，第一，折板剪力鍵承載力明顯大于直板剪力鍵，單折板極限承載力比單直板平均增加92.1%，間距為20 cm的折板剪力鍵比相應的直板剪力鍵極限承載力增加68.4%；間距為25 cm的折板剪力鍵比相應的直板剪力鍵極限承載力增加45.3%；間距為30 cm的折板剪力鍵比相應的直板剪力鍵極限承載力增加57.3%。

第二，折板或直板間距對承載力影響較大，間距為25 cm的直板剪力鍵承載力最大，極限承載力比相應20 cm間距的增加5.43%，比相應30 cm間距的增加10.11%；而折板剪力鍵間距為20 cm的極限承載力最大，比相應25 cm間距的增加8.76%，比相應30 cm間距的增加11.24%。

第三，根據破壞結果，直板剪力鍵主要由鋼板孔洞混凝土栓和貫通鋼筋共同抵抗剪切破壞，而翼緣型折板剪力鍵則不同，由圖7可以看出，翼緣折板部位被拉裂，而孔洞中的貫通鋼筋彎折度微小，因而，翼緣折板剪力鍵主要由翼緣折板承擔其抗剪切性能。

根據直板和折板間距對承載力的影響可以看出，抗剪切性能的優劣與剪力鍵內部抗剪栓及折板的布置位置有關。由于直板主要由混凝土栓和貫通鋼筋承擔抗剪切性能，而折板則由翼緣折板來承擔抗剪切性能，因而抗剪切部件在混凝土中布置的均勻程度決定了其承載力的大小。

2.3滑移變形分析

剪力推出件采用逐級勻速加載，部分試件作用力與相對滑移曲線見圖8-圖10，其中X軸為滑移量的平均值（備注：位移計由上至下對稱布置3組，見圖5左1），Y軸為作用力。

圖8　同類型同間距試件P-U關系圖Fig.8 P-U relationship of the same style and space test samples

圖9　同類型不同間距試件P-U關系圖Fig.9 P-U relationship of the same style and different space test samples

圖10　不同類型不同間距試件P-U關系圖Fig.10 P-U relationship of the different style and space test samples

由各試件P-U關系圖可以看出，試件變形經歷了明顯的彈性-塑性發展。直板剪力鍵破壞時，鋼板與混凝土之間的最大滑移量為7 mm左右，而折板剪力鍵最大滑移量為10 mm。折板變形呈現較好的延性，沒有出現脆性破壞，且相應尺寸下相同作用力下的折板變形明顯小于直板，顯示了折板較好的抗剪切變形的性能。

3　　結論

1）折板剪力鍵抗剪切性能明顯高于相應結構尺寸的直板剪力鍵，最高增加量為92.1%，并且在試驗過程中具有較好的延性和抗疲勞性能。

2）折板或直板間距對承載力影響較大，間距為25 cm的直板剪力鍵承載力最大，比相應20 cm間距的增加5.43%，比相應30 cm間距的增加10.11%；而折板剪力鍵間距為20 cm的極限承載力最大，比相應25cm間距的增加8.76%，比相應30 cm間距的增加11.24%。

3）由于折板剪力鍵在翼緣折板與對稱的未彎折部位均布置孔洞并設置貫通鋼筋，因而翼緣折板剪力鍵的剛度和抗扭轉性能較好。

4）根據破壞結果，折板剪力鍵的抗剪切性能主要由折板（彎折鋼板）承擔，縱橫向貫通鋼筋將各折板組成整體，共同承擔剪切力。

5）抗剪切部件在混凝土中的布置位置及均勻程度對承載力影響較大。

參考文獻：

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[9]李國平,鄭建榮,王淑妹.一種翼緣型抗剪連接件.中國,CN201250454Y[P]. 2009-06-03.

[10]薛偉辰,代燕,周良,等.開孔板連接件受剪性能試驗研究[J].建筑結構學報,2009,30(5):103-111.

[11]趙成棟.PBL鍵機理與試驗研究[M].西安:長安大學,2010.

（責任編輯王建華）

Experimental Study on Shearing Behavior of Perforated Table-Flap Shear Connector

Wang Shumei1, Yuan Anhua2
(1.Fujian Agriculture And Forestry University, Fuzhou 350002, China; 2. Fuzhou City Planning and Design Institute, Fuzhou 350003, China)

Abstract:A new type of perforated aerofoil table-flap shear connector was studied in this paper based on Twin-PBL and perforated aerofoil under-table-flap shear connectors. The ultimate bearing capacity push-out tests of 24 perforated aerofoil table-flap shear connectors composed of 8 different groups were explored, and subsequently the space between the push-out armor plate was analyzed to compare with the performance of the S-PBL. The result indicates that the ultimate bearing capacity reaches the maximum when the space between the table-flap is 20cm, increasing by 8.76% for 25cm and increasing by 11.24% for 30cm; the capability of the new type of shear connec?tors is superior to vertical- plate with the maximum increment achieving 92.1%. Hence, the new perforated aero?foil table-flap shear connector has many advanced properties such as greater carrying capacity, better capability of resisting fatigue, more convenience in being fractured, being uneasy to be demolished abruptly and more security as well.

Key words：perforated table-flap; shear connector; push-out test; space between the table-flap; ultimate bearing capacity

作者簡介：王淑妹（1974—），女，講師，研究方向為道路材料與交通安全。

基金項目：福建農林大學青年基金（2009025）

收稿日期：2015-03-28

文章編號：1005-0523（2015）03-0016-07

中圖分類號：U448.38

文獻標志碼：A