林 云，王清遠(yuǎn)

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都610065)

鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，具有鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的一些共同性能。而在組合結(jié)構(gòu)中，鋼構(gòu)件和混凝土構(gòu)件是利用剪力連接件來(lái)共同工作的。所以，在組合結(jié)構(gòu)中，首先要考慮的就是剪力連接件的力學(xué)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(tǒng)連接件更好的力學(xué)性能，因此PBL剪力連接件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。而剪力連接件最關(guān)心的就是其極限承載力，下文通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外不同學(xué)者的極限承載力公式，給出幾點(diǎn)PBL剪力連接件進(jìn)一步研究的建議。

1 PBL剪力連接件簡(jiǎn)介

PBL剪力連接件基本形式是在鋼板上開(kāi)孔后澆注混凝土，利用穿過(guò)孔中的混凝土榫來(lái)抵抗剪力流;或者在孔中穿過(guò)鋼筋。這種結(jié)構(gòu)最先是由德國(guó)E·F·Leonhardt(1987年)教授開(kāi)發(fā)出來(lái)的。后經(jīng)各國(guó)學(xué)者不斷地研究和創(chuàng)新，又產(chǎn)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(guó)外主要PBL剪力連接件計(jì)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(shè)有貫通鋼筋試件的試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)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(jì)算公式中并不直接反應(yīng)貫通鋼筋的影響，并提出如下的計(jì)算公式:

Oguejiofor和Hosain利用梁上375mm長(zhǎng)的剪力鍵進(jìn)行試驗(yàn)，得出剪力鍵破壞是因?yàn)榛炷涟逖刂B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(jì)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(jìn)行了試驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，提出了一個(gè)新的公式，這個(gè)公式與之前他們提出的公式差別不大，只是改變了相關(guān)系數(shù)。

式中:Ac是混凝土的剪切面積;Atr是通過(guò)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(cè)面的約束力，根據(jù)試驗(yàn)中的貫通鋼筋的應(yīng)變大小，觀察到達(dá)到最大承載力時(shí)鋼筋都已屈服這一現(xiàn)象，為此把鋼筋屈服時(shí)的作用力看成是最大承載力時(shí)的約束力。并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了抗剪強(qiáng)度與側(cè)面約束強(qiáng)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(rèn)為貫通鋼筋的影響較大，應(yīng)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(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析提出了如下的計(jì)算公式。

后來(lái)，Oguejiofor和Hosain又進(jìn)行了更多的試驗(yàn)并給出了一個(gè)新的計(jì)算公式，這個(gè)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(qiáng)度。

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

歐洲規(guī)范4(Ecrocade4)(2007)通過(guò)對(duì)各國(guó)大量的試驗(yàn)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，取平均值減去2倍標(biāo)準(zhǔn)差的下限作為PBL剪力鍵的極限承載力，給出了以下的計(jì)算公式。

(1)無(wú)貫通鋼筋時(shí)

以上公式中，Qu是極限承載力;fc是混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度;f'c是混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度;ft是混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;d是孔洞直徑;ds是橫向貫通鋼筋的直徑;n是孔洞個(gè)數(shù)。

3 國(guó)內(nèi)主要PBL剪力連接件計(jì)算公式

福州大學(xué)的宗周紅等人(1999)共進(jìn)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(yàn)研究，并利用試驗(yàn)結(jié)果分析各參數(shù)對(duì)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(jì)算公式。

式中:α1為混凝土類型的影響系數(shù)，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(shù)，通常情況下取1.0，當(dāng)與受剪相反方向的橫向鋼筋較多時(shí)取1.5;β1、β2為回歸系數(shù);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(qiáng)度。此公式還能應(yīng)用于計(jì)算栓釘?shù)臉O限承載力，具體見(jiàn)文獻(xiàn)[6］。

湖南大學(xué)的胡建華等人(2006)設(shè)計(jì)制作了15組不同的PBL試件共44個(gè)，完成了極限承載力試驗(yàn)，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(qū)分了橫向普通鋼筋和貫通鋼筋的作用，并推導(dǎo)出如下計(jì)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(qiáng)度;Ac為混凝土榫的面積;α為鋼筋影響系數(shù)，取1.320125;β為橫向普通鋼筋的影響系數(shù)，當(dāng)配箍率ρ≤0.18%時(shí)，取 1.204479，當(dāng) 配 箍 率 ρ＞0.18%時(shí)，取1.042948;γ為混凝土榫影響系數(shù)，取1.95168。

西南交通大學(xué)的張清華等人(2007)為了使剪力鍵的計(jì)算公式物理意義更加明確，通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行回歸分析提出了如下PBL剪力鍵極限承載力計(jì)算公式。

剪力鍵中貫通鋼筋延性破壞時(shí)，

剪力鍵中貫通鋼筋脆性破壞時(shí)，

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

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，有以下幾點(diǎn)建議供今后進(jìn)一步進(jìn)行PBL剪力連接件試驗(yàn)研究參考。

(1)國(guó)內(nèi)外到目前為止沒(méi)有形成完整的規(guī)范來(lái)指導(dǎo)PBL剪力連接件的試驗(yàn)，并且由于各個(gè)研究人員采用的試驗(yàn)形式不盡相同，導(dǎo)致了各自的計(jì)算公式也不相同。為了使PBL剪力鍵更加廣泛地應(yīng)用于組合結(jié)構(gòu)中，應(yīng)該盡快規(guī)范PBL剪力鍵試驗(yàn)的試件規(guī)格和試驗(yàn)方法。

(2)國(guó)內(nèi)外目前大部分研究人員都是利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析后得出與自己的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)基本一致的計(jì)算公式;而只有少部分研究人員采用ANSYS等有限元軟件進(jìn)行模擬。所以有關(guān)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(yàn)研究較多，而有關(guān)疲勞性能的研究較少。以后應(yīng)加大其疲勞性能的研究。

[1]聶建國(guó)，劉明，葉列平．鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)[M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)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(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與研究[J］．哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，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(yàn)研究[J］．福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(yàn)[J］．中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2006，19(6):65－72

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