一種新型改進型埋入式剪力鍵承載能力探究

文/陳詩 中交城鄉建設規劃設計研究院有限公司 湖北武漢 430051

本文研究的改進型剪力鍵，通過對傳統PBL剪力鍵的進行優化設計，一方面去掉了鋼腹板上的翼緣板，增強其整體性和傳力穩定性；另一方面增設了L型角鋼，增強其承載能力的同時也有效的避免了縱向手風琴效應。下面依托具體工程，通過具體試驗和有限元模擬數值模擬進行分析論證。

1、試驗探究

南道高速重慶花天河大橋主橋波形鋼腹板設計方案中首次運用該種新型剪力鍵。本次試驗按照SL=1：8的幾何縮尺（圖1），將新型剪力鍵和被廣泛使用的S-PBL剪力鍵作為對比，進行抗剪承載能力的破壞試驗（圖2）；另外，借鑒國內外研究傳統剪力鍵的方法，控制變量，分析研究各因素對剪力鍵承載力的影響（表1）。

圖1 剪力鍵1:8幾何縮尺模型

圖2 剪力鍵破壞試驗

表1 試驗的控制變量及試驗數據

由表1可知改進型剪力鍵較傳統剪力鍵承載力幾乎提高了一倍，L型角鋼是剪力鍵承載能力得以提升的核心因素，另外鋼腹板開孔孔徑大小和混凝土強度等級也有一定程度的影響，而其余因素影響水平不顯著。

2、有限元仿真模擬

通過Midas/FEA有限元數據處理軟件按與試驗試件1:1的比例建立三維實體模型（圖3）進行數值模擬計算，得到有限元模型的荷載-相對滑移曲線，對比分析試驗數據，可以驗證仿真模擬準確可靠，通過有限元仿真模擬進一步分析結構的破壞機理和構件承載能力，同時通過綜合對比大量數據成果，整理出控制剪力鍵受力性能的關鍵因素。

圖3 試件整體模型

在數值模擬中主要以混凝土強度等級、鋼板開孔孔徑、貫穿鋼筋強度、鋼板厚度、有無L型角鋼等作為研究因素，對比不同形態下的剪力鍵承載能力（圖4）。

2.1 混凝土強度

圖4 混凝土強度-承載能力

構件的承載能力隨著混凝土強度的增加而增大(圖4)，一方面孔內的混凝土銷將鋼腹板和貫穿鋼筋連接起來共同受力，間接地影響了構件的承載能力，另一方面，在套箍作用下混凝土齒塊的抗壓能力大大增強，使部分混凝土在屈服狀態下依舊參與承壓。

2.2 開孔板孔徑

圖5 開孔板孔徑-承載能力

構件的承載能力隨波形鋼腹板的開孔孔徑的增大而速度均勻地增加（圖5）。不難發現，開孔大小也會對其承載力產生較大的影響。

2.3 貫穿鋼筋

圖6 貫穿鋼筋直徑-承載能力

圖7 貫穿鋼筋強度-承載能力

通過對比兩組試驗構件：同標號不同直徑的鋼筋（圖6）與不同標號的鋼筋（圖7）構件的承載力的差別，筆者發現隨貫穿鋼筋強度與剪力鍵的承載能力成正相關.

2.4 鋼腹板厚度

圖8 鋼腹板厚度-承載能力

由上圖發現，當鋼板厚度過小時（約3mm左右），構件的整體承載能力大幅度降低，但當鋼板厚度在一個合理的可控范圍內（8-20mm）變化時，剪力鍵的承載力計算結果基本一致，并不會出現明顯的改變。

2.5 L型角鋼

圖9 L型角鋼-承載能力

有無L型加勁角鋼是新型剪力鍵較傳統剪力鍵構造上的明顯差別，也是承載能力能夠有效提升的關鍵所在。其較普通剪力鍵的優勢主要體現在：①L型角鋼上的圓孔與其中澆注成型的柱形混凝土形成混凝土銷在一定程度上提升結構的承載能力；②L型角鋼與波腹板及包裹其中的混凝土共同構成梯形混凝土齒塊，形成類似于鋼管混凝土一樣的套箍效應，使其在多向受力作用下承載能力大幅提高。

結論：

通過對影響改進型埋入式剪力鍵關鍵因素的探究，得到如下結論：

（1）結合具體的工程實例，采用1:8的縮尺模型，通過試驗研究，分析并論證了影響剪力鍵承載能力的相關因素：有無L型加勁角鋼、鋼腹板開孔孔徑大小、混凝土強度、貫穿鋼筋強度、鋼腹板厚度。

（2）通過有限元數值模擬，分析出新型剪力鍵較傳統剪力鍵承載能力大幅提升的關鍵因素是增設了L型加勁角鋼形成套箍效應。

（3）從構造上歸納了影響新型剪力鍵承載能力三個構件：混凝土銷、貫穿鋼筋、混凝土梯形齒塊。

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