PBL剪力鍵承載力研究綜述

譚敏

摘 要：PBL剪力鍵抗剪承載力高，因而在工程中得到了廣泛地應用，但PBL剪力鍵承載力的試驗方法和理論研究并沒有權威的規范定論，要形成一套統一的、標準的、全面的試驗方法和理論規范來研究PBL剪力鍵的承載能力和傳力性能，還要需進行大量的研究。

關鍵詞：PBL剪力鍵;承載力;研究方法;破壞模式

1 引言

對于PBL剪力鍵這一種新型的剪力連接構件，從它被提出到現在已經經過了幾十年的發展應用，不僅其連接形式越來越多，而且應用范圍越來越廣泛。由于PBL剪力鍵在抗剪承載能力以及剪力傳力性能方面具有傳統剪力連接件不可比擬的優勢，因此國內外有著不少學者對其進行研究。但由于各國學者均是以自己的試驗為基礎，得出的結論雖然在某一程度上有著相似性，然而當PBL剪力鍵以不同的形式、尺寸、連接方式應用于其它工程時，這些結論卻不一定能適用。因而，要形成一套統一的、標準的、全面的試驗方法和理論規范來研究PBL剪力鍵的承載能力和傳力性能，還要需進行大量的試驗研究。

2 研究方法

目前，對PBL剪力鍵的承載能力以及傳力性能的研究方法主要是通過試驗研究與數值模擬進行對比分析。

（1）試驗研究：由于PBL剪力鍵的試驗研究目前并沒有統一的、標準的試驗方法，目前大多數學者所做的試驗一般是參照歐洲規范4提出的推出試驗（Specific Push test），如下圖1所示，即在工字鋼翼緣兩側焊接開孔鋼板，可在開孔鋼板之間貫穿鋼筋來提高PBL剪力鍵承載能力，并設置箍筋，然后澆筑混凝土在工字鋼翼緣兩側形成剪力鍵，在工字鋼腹板上施加荷載直至構件破壞。從而可以在試驗機上得出PBL剪力鍵從施加荷載到構件破壞的荷載-滑移曲線即P-S曲線，來分析PBL剪力鍵的受力特點及傳力性能，并可以從試件的破壞過程中分析引起試件破壞的主要因素。由于PBL剪力鍵的試驗難以做到對實際工程中剪力連接進行全部研究，只是利用部分構件的縮放模型來進行試驗分析，其試驗結果具有一定的局限性，但其所得出的研究結論對工程應用以及數值分析還是具有參考價值。

例如：在2006年修建佛山平勝大橋時，湖南大學研究生胡建華就對其鋼混結合部位的PBL剪力連接件進行了試驗研究，該試驗根據不同的影響因素共制作了8組24個PBL剪力鍵，分析研究了PBL剪力鍵在不同的開孔鋼板直徑大小及個數、貫穿鋼筋的直徑大小、箍筋的配筋率對其承載能力的影響，并根據試驗結果為佛山平勝大橋中鋼混結合部位的PBL剪力鍵的承載能力提供了計算公式，具有實際工程意義。

2010年，西南交通大學教授李小珍、衛星及學者肖林等對21個PBL剪力鍵試件進行了試驗研究，該試驗影響因素的不同共分為7組，主要研究PBL剪力鍵的極限承載能力與PBL剪力鍵的滑移量及延性系數等靜載力學之間的關系，根據試驗的形容結果發現PBL剪力鍵的滑移量及延性系數受其承載能力的影響，PBL剪力鍵的承載能力越高，其滑移量及延性系數也隨之越大。

2007 年同濟大學的劉玉擎分別針對南寧大橋以及上海長江大橋的鋼混組合部位的PBL剪力鍵進行了試驗驗證剪力鍵的承載能力，試驗結果表明PBL剪力鍵承載力能夠滿足工程應用;2009年西南交通大學的副教授衛星及研究生肖國亮對四川綿陽城的一座三跨雙層斜拉橋的橋塔鋼混結構中的PBL剪力鍵進行了試驗研究，研究表明PBL剪力連接件在連接橋塔鋼混結合段具有可靠性。

（2）數值模擬：隨著社會的發展、科技的進步，各種計算機性能的提高以及各種大型通用有限元分析軟件的應用發展，通過利用高級有限元分析軟件建立PBL剪力鍵模型并進行數值模擬，根據模擬分析結果與試件的試驗數據進行對比分析，能有效提高PBL剪力鍵試驗研究的精準程度。并且可以直接采用有限元軟件模擬分析實際工程中的PBL 剪力鍵的受力情況，節約人力、物力、財力，提高經濟效益。

最早利用有限元分析軟件對PBL剪力鍵進行模擬分析的是外國學者Oguejiofor和Hosaintl，他們采用簡化的模擬方法，將修正的混凝土剛度來代替鋼筋混凝土材料的剛度，并且在分析過程中不考慮鋼板與混凝土之間的滑動約束，同時鋼板與混凝土之間采用共節點的方法進行模擬PBL剪力鍵的受力情況;隨后科研人員Suhaib Yahya Kasim Al-Darzi在Oguejiofor和Hosaintl的模擬方法上進行改進，分別考慮了鋼板、鋼筋和開孔鋼板的剛度，并引用材料的本構關系對構件進行屬性設置進行分析;中國學者肖琳、衛星等人在原有的基礎上，并考慮了鋼構件和混凝土在超過彈性階段后的非線性變化，模擬分析PBL剪力鍵的極限承載力及變形力;張清華等人在研究南京長江三橋鋼混結合段的PBL剪力鍵模型中，考慮了鋼筋和混凝土的粘結一滑移關系對PBL剪力鍵極限承載能力及變形能力的影響;劉玉擎在自己的PBL剪力鍵模型中采用彈性單元接觸來約束剪力鍵之間的接觸面，此方法為有限元模擬分析PBL剪力鍵中又一種新的概念，為有限元軟件精細模擬分析PBL剪力鍵提供了新的方法。可見數值模擬方法已經得到了充分的發展。

3 破壞模式

PBL剪力鍵主要依靠開孔鋼板中的混凝土榫來傳力，從而使鋼板與混凝土緊密連接共同受力工作，當圓孔中插入貫通鋼筋時能進一步加強兩種之間的結合作用。當PBL剪力鍵傳力時，其受力機理主要從三個方面進行考慮，分別是沿開孔鋼板水平方向的縱向剪力，另一方面沿開孔鋼板豎向方向的分離力，這兩種力主要是由開孔鋼板孔中的混凝土榫來提供;最后一方面是由沿開孔鋼板橫向方向的橫向剪力，這種力主要是由受壓鋼板與混凝土之間的摩擦力以及受壓鋼板與開孔鋼板之間的焊縫連接來提供。其受力形式如下圖2所示。

由于影響PBL剪力鍵承載力的因素較多，而且PBL剪力鍵自身的構造形式也是最主要的影響因素之一，因而當PBL剪力鍵達到極限承載能力而破壞時，也會因主要影響因素的不同而出現不同的破壞模式，其破壞模式大致可以從以下4種情況考慮：

（1）當開孔鋼板的板厚較薄或者是孔間間距較小時，相鄰兩孔之間的鋼板會先于孔中的混凝土破壞，這種是由于鋼板被剪斷而起的破壞模式稱為剪切破壞。

（2）當開孔鋼板板厚不足，混凝土強度等級較低時，孔中混凝土會先于孔間的鋼板破壞，這種破壞模式稱為割裂破壞。

（3）當開孔鋼板過厚，且開孔直徑較大時，混凝土由于其材料特性的原因，即抗剪強度低于抗壓強度，孔中的混凝土會出現剪切破壞。

（4）當在開孔鋼板的孔中設置貫通鋼筋加孔中強混凝土的橫向約束時，其最終破壞以孔中的混凝土超過彈性階段，直至貫穿鋼筋屈服或混凝土被壓碎為破壞標志，這種破壞模式稱為壓縮破壞。

從以上闡述的四個面可知，PBL剪力鍵的破壞會因不同的影響而出現不同的破壞模式，由于其失效的標準也很難確定，所以PBL剪力的破壞模式也不可一概而論。在這個問題方面，有許多的國內外學者對其進行了大量的研究探討，主要形成了以下兩種觀點：一是以混凝土的劈裂破壞為PBL剪力鍵破壞的標志。這種觀點主要是從混凝土的強度方面來考慮，由于混凝土的抗壓強度大于其劈裂強度，而且PBL剪力鍵正常使用階段的破壞模式均由混凝土的劈裂破壞引起的，因而以混凝土的劈裂破壞為PBL剪力鍵的破壞標志;另一種觀點認為應以孔中貫穿鋼筋的屈服為破壞標志。實驗研究發現，當PBL剪力鍵孔中混凝土出現劈裂破壞時，PBL剪力鍵還能繼續承載直至混凝土被壓碎或者貫穿鋼筋屈服，因而研究人員認為PBL剪力鍵應當以貫穿鋼筋處于屈服狀態時才會喪失承載能力。但以上兩種的判定模式具有其不足的方面，第一種觀點忽略了PBL剪力鍵在非彈性階段的承載能力，使PBL剪力鍵的承載力得不到有效的發揮;而第二種觀點又無法避免PBL剪力鍵孔中的混凝土在貫穿鋼筋屈服前出現劈裂破壞的現象，缺乏安全儲備。因而，為了在兩種觀點之間找到平衡點，又有學者提出了新的觀點，即考慮PBL剪力鍵的塑性性能，以期望能解決這一問題，得出新的結論。

4 PBL剪力鍵承載力影響因素分析

根據國內外學者所做的研究成果發現，PBL剪力鍵承載力受多種因素的影響，現就幾個主要因素進行分析如下：

（1）混凝土的強度等級：混凝土是PBL剪力鍵的重要組成部分，內應力的傳遞需要直接通過孔中的混凝土榫來傳遞，因而混凝土的強度等級能直接影響PBL剪力鍵的承載能力，研究表明，PBL剪力鍵的承載能力會隨混凝土的強度等級的提高而增大。

（2）開孔直徑：開孔直徑的大小決定了混凝土榫的抗剪面積，在一定的開孔直徑內，增大開孔鋼板的開孔直徑，混凝土榫的抗剪面積也隨之增大，因而PBL剪力鍵所能承受的剪應力也就越大。

（3）貫穿鋼筋：貫穿鋼筋能夠有效約束孔中混凝土榫的受力狀態，使之處于三向約束的狀態，當混凝土受力超過彈性階段后，貫穿鋼筋還能繼續承載，以貫穿鋼筋達到屈服強度或混凝土被壓碎為破壞標志，從而能有效提高PBL剪力鍵的承載能力，剪力鍵的承載能力能隨著貫穿鋼筋的強度以及直徑的增大得到進一步的提升。

（4）開孔鋼板厚度：通過國內外學者試驗對比發現，開孔鋼板的厚度以PBL剪力鍵承載力具有一定的正相關性，開孔鋼板越厚，孔內混凝土榫的受壓面積越大，PBL剪力鍵的承載能力也就越強。

（5）開孔間距。從相關的試驗研究中發現，當開孔間距過小時，相鄰兩孔之間的鋼板會在孔中的混凝土被破壞前剪斷，使PBL剪力鍵的承載能力得不到有效的發揮，因鋼板被剪斷而起的破壞模式稱為剪切破壞。隨著開孔間距的增加，PBL剪力鍵的承載能力也隨之增加，直到每個孔所能承受的承載力達到與單孔剪力鍵的承載力后，開孔間距對PBL剪力鍵的承載能力將不會有所影響。

5 結束語

綜上所述，目前研究PBL剪力鍵承載能力的方式主要有兩種：一是試驗研究;二是數值模擬。隨著有精細有限元分析軟件數值模擬方法的發展，數值模擬方法有望在將來代替試驗研究，成為主流的研究方法。

根據PBL剪力鍵喪失承載力時構件內主要的破壞因素的不同，PBL剪力鍵的破壞模式可以分為剪切破壞、割裂破壞、壓縮破壞這三種破壞模式。由于PBL剪力鍵承載力受多種因素的影響，當PBL剪力鍵處于不同的受力階段時，各因素對其效果的影響不同。如何能充分利用PBL剪力鍵的塑性性能，還需結合構件的實際受力情況，針對承載力影響的主要因素去詳細的分析研究。

參考文獻：

[1]肖林，強士中，李小珍，衛星等.考慮開孔鋼板厚度的PBL剪力鍵力學性能研究[J].工程力學，2012（08）.

[2]肖林，衛星，強士中.兩類PBL剪力鍵推出試驗的對比研究[J].土木工程學報，2013（11）.

[3]賀紹華，方志，張龍，李谷，劉明.混合梁鋼-混結合段PBL剪力鍵的受力性能研究[J].鐵道學報，2015（10）.

[4]王濤，方淑君.PBL剪力鍵靜承載能力試驗研究[J].鐵道科學與工程學報，2016（06）.