PBL剪力連接件抗剪承載力計算方法研究

陳 彬 徐 云 劉英鑫 王 衡 Aleksandr G.Chernykh Egor V.Danilov Pavel S.Koval

（1.華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045；2.俄羅斯圣彼得堡國立建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，列寧格勒 圣彼得堡 190005)

0 引言

現(xiàn)代木-混凝土組合結(jié)構(gòu)是木材與混凝土材料相結(jié)合的一種新型組合結(jié)構(gòu)形式。由于木材的抗拉性能和混凝土翼板的抗壓性能較好，通過抗剪連接件將兩者組合在一起，可充分利用木材抗拉及混凝土的抗壓性能，從而起到傳遞縱向剪力及防止木梁與混凝土翼板發(fā)生掀起的作用。相比于傳統(tǒng)木梁，現(xiàn)代木-混凝土組合梁的整體性、抗彎剛度、防火性能都有較大改善。PBL（Perfobond Leiste）剪力連接件是由開孔鋼板、混凝土榫及貫穿鋼筋組成的剪力連接件，由于其抗剪剛度大、承載力高、抗疲勞性能好、施工方便等優(yōu)點，PBL 剪力連接件已經(jīng)成為很有前景的連接件。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外學(xué)者已對PBL 剪力連接件的性能進行了大量試驗研究與理論分析。Schanack等［1］進行了連接件剪切性能試驗、木-混凝土組合梁靜力試驗和數(shù)值模擬，數(shù)值分析結(jié)果和試驗結(jié)果比對發(fā)現(xiàn)，有限元模擬能較好地預(yù)測試驗結(jié)果。李禮［2］進行了膠合木組合梁橋靜力試驗和數(shù)值模擬，結(jié)果表明，支座類型會影響其梁端滑移。袁帥［3］進行了現(xiàn)代木-混凝土組合梁橋承載力研究，提出了抗彎承載力公式，數(shù)值模擬結(jié)果與理論推導(dǎo)結(jié)果吻合。王衡等［4］進行了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型振動臺試驗方法探究，優(yōu)化了建筑結(jié)構(gòu)模型振動臺試驗方法。Vianna 等［5］對PBL 剪力鍵組合結(jié)構(gòu)進行試驗分析，研究結(jié)果表明，鋼板厚度對剪力鍵抗滑移性能有很大影響。Kim 等［6］對焊接有Y 形PBL 剪力鍵的組合梁受剪行為進行靜載試驗，結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)剪力鍵，Y 形PBL 剪力鍵具有更高剛度和極限荷載。楊勇等［7］進行了PBL 連接件的單調(diào)加載推出試驗，結(jié)果表明，端承型試件的抗剪承載力和抗剪剛度高于非端承型試件。黃彩萍等［8］提出一種新型彎折貫穿鋼筋PBL 剪力鍵，并進行推出試驗，結(jié)果表明，彎折貫穿鋼筋能有效提高PBL 剪力鍵的延性，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。

目前，國內(nèi)外對PBL 剪力連接件抗剪承載力的計算并未形成統(tǒng)一的設(shè)計理論和設(shè)計方法。鑒于此，本研究選取5 個代表性的計算公式，結(jié)合PBL剪力連接件的受力特點，采用控制變量法，對比分析不同計算公式中混凝土抗壓強度和開孔直徑參數(shù)對剪力連接件抗剪承載力的作用規(guī)律，并優(yōu)化組合梁的設(shè)計參數(shù)。研究成果可以為現(xiàn)代木-混凝土組合梁橋的設(shè)計及PBL 剪力連接件的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

2 PBL剪力連接件抗剪承載力計算公式

《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64—2015）［9］主要考慮了混凝土榫抗剪作用和貫穿鋼筋作用，給出的PBL 剪力連接件抗剪承載力計算見式（1）。

式中：VuP為連接件抗剪承載力，N；d為開孔直徑，mm；ds為貫穿鋼筋直徑，mm；f c為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值，MPa；f sd為貫穿鋼筋抗拉強度設(shè)計值，MPa。

歐洲規(guī)范Eurocode 4［10］通過對大量推出試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析，并考慮貫穿鋼筋和混凝土的影響，具體計算見式（2）。

當(dāng)連接件承載力由橫向普通鋼筋、貫穿鋼筋和混凝土榫提供時［11］，承載力計算見式（3）。

式中：α為貫穿鋼筋影響系數(shù)，取1.32；f y為貫穿鋼筋屈服強度，MPa；β為橫向鋼筋影響系數(shù)，取1.204 479；A'tγ為箍筋截面積，mm2；f'y為箍筋屈服強度，MPa；γ為混凝土榫影響系數(shù)，取1.95。

當(dāng)連接件承載力由端部混凝土、孔內(nèi)混凝土和貫穿鋼筋提供時［12］，基于試驗結(jié)果，承載力計算見式（4）。

式中：αA為反映貫穿鋼筋對孔內(nèi)混凝土的約束作用系數(shù)。

楊勇等［7］認為，開孔板端部混凝土承壓作用、孔內(nèi)混凝土和貫穿鋼筋抗剪作用是剪力連接件抗剪承載力的主要組成，計算見式（5）。

式中：f cu為混凝土立方體抗壓強度，MPa；? 為開孔板高度，mm；t為開孔板厚度，mm。

3 數(shù)據(jù)對比與分析

為對比不同的公式中混凝土抗壓強度和開孔直徑對于PBL 剪力連接件抗剪承載力作用規(guī)律，根據(jù)式（1）到式（5），選取PBL 開孔直徑為50 mm，得到混凝土立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值與PBL 剪力連接件抗剪承載力關(guān)系，如圖1 所示。選取混凝土立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值為40 MPa，得到開孔直徑與PBL剪力連接件抗剪承載力關(guān)系，如圖2所示。

圖1 混凝土抗壓強度與抗剪承載力關(guān)系

圖2 開孔直徑與抗剪承載力關(guān)系

由圖1、圖2可知，在5個公式中，混凝土抗壓強度、開孔直徑都與PBL 抗剪承載力呈線性正相關(guān)。根據(jù)式（1）到式（4）得到的抗剪承載力主要集中在100 kN 附近，而式（5）計算得到的抗剪承載力遠大于其他公式的計算值，最大相差629 kN。由楊勇等[6]的研究可知，式（5）考慮了開孔板端部承壓作用，而其他公式只考慮混凝土榫的抗剪作用和貫穿鋼筋作用，沒有考慮端部混凝土的承壓作用。同時，式（1）、式（3）和式（5）計算所得的趨勢增長較為平緩，表明抗剪承載力計算值受混凝土抗壓強度和開孔直徑大小影響較小。

綜上所述，式（2）與式（5）計算得到的抗剪承載力與其他公式計算的結(jié)果具有較大的偏差，考慮到計算方法的通用性，在現(xiàn)代木-混凝土組合梁橋的設(shè)計及PBL 剪力連接件的設(shè)計優(yōu)化中，應(yīng)具體考慮公式的使用條件，選擇其他3 個公式進行計算，避免計算結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差。

4 結(jié)語

本研究選取5 個代表性的計算公式，結(jié)合PBL剪力連接件的受力特點及試驗數(shù)據(jù)，通過控制變量法對比分析不同計算公式中混凝土強度等級和開孔直徑參數(shù)對剪力連接件極限承載力的作用規(guī)律，得到以下結(jié)論。

①混凝土抗壓強度和開孔直徑對公式（2）與公式（5）抗剪承載力計算結(jié)果影響較大，對其他三個公式的計算結(jié)果影響較小。

②混凝土抗壓強度對公式（4）影響明顯，而開孔直徑大小的影響不顯著，要進一步增加變量去驗證。

③通過公式（5）計算結(jié)果可知，開孔板端部承壓作用會導(dǎo)致承載力計算值具有較大的偏差，可能會影響到PBL抗剪承載力的評估。