邵旭東，唐穎?，王子軍，邱明紅

［1.湖南大學土木工程學院，湖南長沙 410082；2.風工程與橋梁工程湖南省重點實驗室（湖南大學），湖南長沙 410082；3.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北武漢 430010］

混合梁（柱）結(jié)構(gòu)在橋梁工程中具有廣泛的用途，如主跨鋼梁、邊跨混凝土梁的斜拉橋和懸索橋；跨中區(qū)段鋼梁、其余區(qū)段為混凝土梁的大跨徑連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋；以及裝配式橋梁中鋼蓋梁配混凝土柱等，混合梁或柱能兼顧輕量化和經(jīng)濟性的要求，因而具有廣闊的應(yīng)用前景.混合梁或柱必然涉及到鋼-混結(jié)合段，作為鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力部位，對結(jié)合段做結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究具有重要意義.

常規(guī)鋼-混結(jié)合段均用普通混凝土灌注，由于普通混凝土強度低，從鋼結(jié)構(gòu)傳來的高應(yīng)力需通過結(jié)合段內(nèi)一系列復(fù)雜構(gòu)造將應(yīng)力擴散，才能確?；炷潦芰Φ陌踩@往往導(dǎo)致結(jié)合段長、內(nèi)部構(gòu)造十分復(fù)雜，進而導(dǎo)致混凝土灌注質(zhì)量和性能難盡人意，結(jié)合段內(nèi)存在不同程度的混凝土脫空、開裂等病害，對結(jié)構(gòu)受力和耐久性能產(chǎn)生不利影響.超高性能混凝土（UHPC）具有超高的力學性能和超高的耐久性能，將UHPC 材料應(yīng)用于鋼-混結(jié)合段，可以大幅度縮短結(jié)合段長度，簡化結(jié)合段內(nèi)部構(gòu)造，確保灌注質(zhì)量，從而有效改善結(jié)合段受力性能及耐久性.鋼-混結(jié)合段一般通過剪力連接件傳遞內(nèi)力.

目前關(guān)于鋼-普通混凝土界面剪力連接件與鋼-UHPC 界面剪力連接件研究現(xiàn)狀為：閻石等［1］論述了鋼-普通混凝土組合梁的界面剪力連接件的發(fā)展簡史，介紹了早期栓釘、型鋼和鋼筋這三種機械連接件以及自然黏接和化學黏接劑這兩種黏接連接件，并重點介紹了栓釘連接件的承載能力和滑移量計算方式及標準推出試驗方法.邵旭東等［2］針對鋼-超薄UHPC 組合橋面板界面提出了一種新型鋼筋網(wǎng)局部焊接抗剪連接件，開展了推出試驗，研究了布置方式對其抗剪性能的影響，得到焊接抗剪件的破壞模式屬于脆性破壞的結(jié)論，并建議在鋼-超薄UHPC 橋面板抗剪連接件布置設(shè)計過程中重點關(guān)注UHPC 層底部受力.Kruszewski等［3-4］介紹了不同直徑、不同長徑比的栓釘在抗壓強度為180 MPa 的UHPC 中，鋼-UHPC界面栓釘抗剪連接件推出試驗結(jié)果，研究了其抗剪強度和延性.結(jié)果表明，不同的橋面厚度、覆蓋深度和栓釘長徑比的試件均顯示出足夠的強度，但在延性方面表現(xiàn)不足.較長的栓釘高度和較高的覆蓋深度可改善試件延性，同時減少剪切時的少量裂縫.UHPC 應(yīng)用于組合結(jié)構(gòu)可能有利于降低面板厚度和自重，鋼-UHPC 構(gòu)件的脆性破壞模式和嚴重裂紋問題還有待進一步研究.李萌等［5］基于鋼-UHPC界面短栓釘連接件形式，通過9 個靜力推出試驗，研究了焊縫形式、栓釘直徑、栓釘高度等參數(shù)影響，提出了精細化的UHPC 中短栓釘?shù)暮奢d-滑移曲線的實用經(jīng)驗公式.賀紹華等［6］結(jié)合混合梁斜拉橋鋼-混結(jié)合段構(gòu)造，對2 類7 組共28 個插入式試件進行破壞性試驗，對采用RPC澆筑、孔內(nèi)榫剪斷破壞形式下的PBL 傳力機理進行研究，得出單層PBL 的極限承載力主要由鋼板與混凝土間黏結(jié)作用、孔內(nèi)混凝土榫作用、孔內(nèi)貫穿鋼筋作用組成，提出了考慮黏結(jié)作用的PBL 承載力計算式.汪炳等［7］針對鋼-混組合結(jié)構(gòu)中的PBL推出試件進行了靜力及疲勞試驗，研究了其靜力抗剪性能，并重點關(guān)注了荷載循環(huán)次數(shù)和荷載比等疲勞參數(shù)對其承載力和抗剪剛度的影響，結(jié)果表明PBL連接件具有較好延性.對于本文涉及的基于超高性能混凝土材料的多層栓釘與多層不含貫穿鋼筋PBL混合連接件的研究，目前鮮見相關(guān)文獻報道.

本文結(jié)合工程項目背景，制作12 個模型，通過抗剪推出試驗，研究了栓釘剪力連接件、PBL 剪力連接件及栓釘與PBL混合剪力連接件在鋼-UHPC界面中的抗剪性能、荷載-滑移曲線計算方式、抗剪承載力計算方式，為實際工程應(yīng)用以及栓釘與PBL 混合剪力連接件在鋼-UHPC 界面的應(yīng)用和設(shè)計提供理論和技術(shù)支撐.

1 工程背景

107國道武漢市東西湖段快速化改造工程，擬采用鋼-混組合小箱梁，整幅橋?qū)?3.5 m，單孔橫向共設(shè)9 片預(yù)制組合梁，如圖1 所示.下部結(jié)構(gòu)擬采用帶大挑臂蓋梁的雙柱橋墩.部分蓋梁擬采用鋼結(jié)構(gòu)，全斷面焊接，蓋梁頂設(shè)2%雙向橫坡，橫橋向長32 m，兩側(cè)挑臂凈長10.7 m，縱橋向?qū)?.8 m，跨中高2.4 m，懸臂端高1.0 m；蓋梁下方設(shè)鋼立柱，鋼-混結(jié)合面距蓋梁底2.0 m，鋼立柱壁板深入混凝土范圍2 m，兩者通過剪力釘和PBL 鍵結(jié)合；除蓋梁頂板采用免涂裝耐候鋼外，其余板件均采用Q345qD 鋼材.墩柱采用預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，單根墩柱截面尺寸為1.6 m（橫橋向）×1.8 m（順橋向），四周設(shè)置半徑5 cm 圓角，兩個墩柱中心距為9 m.墩底與承臺通過灌漿套筒連接.

圖1 橋墩示意圖（單位：cm）Fig.1 Schematic diagram of the bridge pier（unit：cm）

結(jié)合本項目大懸臂鋼蓋梁和混凝土橋墩構(gòu)造特點，提出大懸臂鋼蓋梁的鋼立柱與混凝土立柱之間的鋼混結(jié)合段UHPC 接頭方案.考慮到：1）PBL 鍵可以起到加勁肋的作用，增強結(jié)構(gòu)剛性；2）布置PBL 鍵數(shù)量過多將導(dǎo)致UHPC 中纖維不連續(xù)，故界面采用栓釘與PBL 混合剪力連接件.將原方案鋼-普通混凝土結(jié)合段高度從2 m 降至0.8 m，利用UHPC 優(yōu)良特性將其由有格室構(gòu)造簡化為無格室構(gòu)造，并取消PBL 鍵內(nèi)的貫穿鋼筋.這是由于：1）鋼纖維可以起到傳統(tǒng)PBL 孔內(nèi)貫穿鋼筋相同的作用，即提高剪力連接件承載能力以及改善剪力連接件的延性及變形能力；2）貫穿鋼筋的存在使得澆筑時鋼纖維流動不自由.兩種方案示意圖如圖2所示.

圖2 鋼混結(jié)合段構(gòu)造示意圖Fig.2 Structure diagram of the steel-concrete junction

2 推出試驗概況

2.1 試件設(shè)計

為研究鋼-UHPC 界面連接件的抗剪性能，先后設(shè)計2 批共6 組連接件推出試驗，每組2 個試件，第一批試件尺寸如圖3（a）所示，第二批試件栓釘尺寸、剪力連接件布置間距與第一批相同，UHPC澆筑高度在第一批基礎(chǔ)上減半，具體尺寸如圖3（b）所示.

圖3 試件尺寸圖（單位：mm）Fig.3 Dimensions of the specimens（unit：mm）

各組試件參數(shù)如表1 所示，“A”表示第一批試件，“B”表示第二批試件；“S”表示栓釘試件，“P”表示PBL 試件，“SP”表示栓釘與PBL 混合連接件.每批試件中，2 個栓釘試件無N11 板（PBL）；2 個PBL 試件N3b 板上不焊栓釘；2 個栓釘PBL 混合試件有N11板，且N3b 板上焊栓釘；N11 和N3b 的材質(zhì)均為Q345qD.

表1 試件參數(shù)表Tab.1 Parameter of the specimens

2.2 試件制作

模型制作流程與實際施工過程相仿，即：1）制作模型的鋼結(jié)構(gòu)部分；2）立模，綁扎鋼筋；3）澆筑普通混凝土；4）自然養(yǎng)護普通混凝土；5）完成普通混凝土養(yǎng)護，對普通混凝土鑿毛；6）在普通混凝土上立模；7）澆筑UHPC；8）對UHPC 部分進行自然養(yǎng)護；9）自然養(yǎng)護28 d后進行模型試驗，如圖4所示.

圖4 試驗?zāi)Ｐ椭谱鬟^程示意圖Fig.4 Schematic diagram of the specimen making process

2.3 材料特性

本試驗UHPC采用U120，其實測材料特性值如表2所示.C50混凝土及HRB400鋼筋材料特性按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362－2018）取值，鋼板采用Q345qD，材料特性按照《金屬材料拉伸試驗第Ⅰ部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1—2010）相關(guān)規(guī)定實測得到，栓釘材料性能和機械性能滿足《電弧螺柱焊用圓柱頭栓釘》規(guī)定，C50混凝土及鋼材材料特性如表3、表4所示.

表2 U120強度實測值Tab.2 Measured value of the strength of U120

表3 C50普通混凝土主要設(shè)計參數(shù)取值Tab.3 Values of main design parameters of C50 ordinary concrete

表4 鋼材材料特性Tab.4 Material properties of steel

2.4 加載及特性

試驗采用600 t 液壓式千斤頂進行加載，試驗裝置及加載如圖5所示.

圖5 試驗裝置及加載圖示Fig.5 Test device and loading diagram

首先將試件安放在底面鋼板上，并在底部墊少量細石英砂，以確保試件安放平穩(wěn)；在試件頂面放置橡膠墊，并在其上依次安放分配梁、鋼墊板、油壓式千斤頂、球鉸、鋼墊板、壓力傳感器.為測得試件的荷載-滑移曲線，在其兩側(cè)鋼板面布置千分表，千分表基座固定于鋼板上，在UHPC 對應(yīng)位置粘貼角鋼，記錄每級荷載下鋼-UHPC 界面上的相對滑移，并取平均值.

對于含PBL 剪力連接件的試件，為使其受力明確及破壞現(xiàn)象明顯，鑿去試件底部C50 普通混凝土，消除底部混凝土承壓作用影響，使得開孔面底面暴露，并在試件底部四角墊四個厚為50 mm 的鋼墊塊，使得PBL底面部位形成凹槽.

第二批試件加載方案均和第一批含PBL 試件一致.試驗加載方案為：預(yù)加載時，以每級25 kN 加載至300 kN 后卸載；正式加載時，先以每級25 kN 加載，接近破壞時轉(zhuǎn)位移加載控制，每級位移增量不超過0.5 mm.

3 試驗結(jié)果

3.1 荷載-滑移曲線

圖6 為各組試件荷載-滑移曲線，其中滑移指鋼板與混凝土塊界面的相對位移.同組試件荷載-滑移曲線幾近重合，故在后續(xù)對比分析中取平均曲線（相同滑移下對荷載取均值）進行分析.由于實驗室條件限制，反力架最大設(shè)計承載力為5 000 kN，出于安全考慮，對于第一批栓釘PBL 混合試件，加載至5 000 kN 左右停止試驗，此時栓釘PBL 混合試件并未破壞，且未見任何明顯界面裂縫.

圖6中“av”是指同組2個試件的均值曲線.將栓釘試件均值荷載滑移曲線（avAS/avBS）、PBL 試件均值荷載-滑移曲線（avAP/avBP）、栓釘-PBL 混合試件荷載-滑移曲線（avASP/avBSP）栓釘荷載滑移曲線及PBL 荷載滑移曲線進行求和得到的荷載滑移曲線（avAS+avBS/avAP+avBP）繪制在一張圖內(nèi)進行分析.由于正常使用極限狀態(tài)滑移限值一般為0.2 mm，故重點比較0.2 mm滑移內(nèi)曲線特征.

可以發(fā)現(xiàn)，在0.2 mm滑移限值內(nèi)，求和曲線與混合試件曲線幾近重合.可以認為，在正常使用狀態(tài)下，栓釘PBL 混合試件內(nèi)栓釘與PBL 同步滑移，共同工作抵抗推出荷載，相同滑移下，混合剪力連接件抗力等于對應(yīng)滑移下栓釘連接件抗力與對應(yīng)滑移下PBL連接件抗力之和.

以P/Pu（P表示試驗荷載，Pu表示試件峰值荷載）為縱坐標，分別以S/ds（S表示相對滑移，d表示栓釘直徑）、S/D（D表示開孔直徑）、S為橫坐標，得到各類型試件歸一化荷載-滑移曲線如圖7所示.

由圖7 可以發(fā)現(xiàn)，所有試件荷載-滑移曲線規(guī)律比較一致，可分為三個階段：彈性階段Ⅰ、塑性損傷階段Ⅱ和破壞階段Ⅲ.

圖7 各組試件歸一化荷載-滑移曲線Fig.7 Normalized load-slip curve of each group of specimens

在加載初期，即階段Ⅰ，荷載滑移曲線大致呈線性發(fā)展，此時界面滑移量很小，在0.1 mm 左右；隨著荷載增大，進入階段Ⅱ，荷載-滑移曲線表現(xiàn)出非線性發(fā)展，滑移量增長速度變快；進入階段Ⅲ后，滑移快速增大，對于栓釘試件，曲線近似成為一條平直曲線，試件迅速破壞；對于PBL 試件，曲線進入下降段，且仍能承受約1/2 的峰值荷載.這是由于PBL 試件內(nèi)，孔內(nèi)混凝土榫變形開裂后UHPC 鋼纖維橋接作用依然能夠提供一定承載力.對于栓釘PBL 混合試件，曲線進入下降段，隨即迅速破壞.

各階段特征點荷載及滑移值列于表5.栓釘試件與PBL 試件得到的特征滑移值均小于6 mm，均不滿足Eurocode4 對于普通混凝土內(nèi)延性剪力連接件滑移能力的要求，這主要是因為UHPC 開裂前及開裂后的剛度遠大于普通混凝土.

表5 荷載-滑移曲線關(guān)鍵點Tab.5 Key points of load-slip curve

3.2 抗剪承載力及破壞形態(tài)

主要試驗結(jié)果如表6 所示，Pu為試驗加載全過程的峰值荷載，為單個栓釘或單孔平均承載力，為同組試件均值曲線獲得的單個栓釘承載力平均值，Smax為峰值荷載所對應(yīng)的滑移量，Smax，av為同組試件均值曲線峰值荷載所對應(yīng)的滑移量.

表6 主要試驗結(jié)果Tab.6 Main test results

僅含焊接栓釘試件破壞形態(tài)為一側(cè)栓釘沿根部剪斷，如圖8 所示.栓釘根部附近出現(xiàn)UHPC 局部壓碎的現(xiàn)象，其余范圍UHPC 未發(fā)現(xiàn)壓碎和裂縫，保持完整.加載過程中可以聽到多次崩裂聲，表明栓釘并非同時被剪斷，且近加載端栓釘根部附近UHPC 壓碎程度更大.第二批試件破壞形態(tài)類似，故不再進行展示.

圖8 栓釘試件破壞形態(tài)Fig.8 Failure form of stud specimen

僅含PBL 試件破壞形態(tài)為PBL 混凝土榫剪斷，如圖9所示，破壞時，側(cè)面鋼板與UHPC 界面脫黏，兩側(cè)PBL 從UHPC 中推出，PBL 底部UHPC 出現(xiàn)局部剝落現(xiàn)象，PBL 端部與UHPC 界面處出現(xiàn)表面裂縫，由于鋼纖維限制了混凝土裂縫的發(fā)展，混凝土塊其他部分未見明顯裂縫.第二批試件破壞形態(tài)相同，故不再進行展示.

圖9 PBL試件破壞形態(tài)Fig.9 Failure form of PBL specimen

栓釘和PBL 混合試件，第一批試件未發(fā)生破壞，表面未出現(xiàn)可見裂縫，鋼-UHPC 界面處未出現(xiàn)脫黏現(xiàn)象.第二批栓釘和PBL混合試件破壞形態(tài)為，一側(cè)鋼板上栓釘沿根部剪斷，側(cè)面鋼板脫黏，焊于此側(cè)面鋼板上的PBL推出，PBL端部與UHPC界面處出現(xiàn)表面裂縫，PBL 底部UHPC 出現(xiàn)局部剝落現(xiàn)象.其破壞形態(tài)包含了栓釘試件與PBL 試件的破壞特征，如圖10所示.

圖10 栓釘與PBL混合試件最終形態(tài)Fig.10 Final shape of the composite specimen of stud and PBL

4 理論分析

4.1 兩種剪力連接件荷載-滑移曲線

荷載-滑移曲線是反映剪力連接件抗剪性能的重要特征曲線，尤其對于本文所研究的栓釘-PBL 混合剪力連接件，兩種剪力連接件各自承擔的剪力將按剛度分配，因而首先就要研究兩種剪力連接件的荷載-滑移曲線，以掌握其剛度變化規(guī)律.

作者調(diào)研及比較參考文獻［5］及［8-12］提出的不同經(jīng)驗曲線公式后，在其公式形式的基礎(chǔ)上，結(jié)合本文試驗結(jié)果，提出UHPC 中栓釘?shù)臍w一化荷載-滑移曲線公式如（1）所示：

對于UHPC 中PBL 剪力連接件荷載-滑移曲線，目前研究較少.結(jié)合理論及試驗數(shù)據(jù)分析，作者假定在荷載滑移曲線進入下降段以前，PBL 與栓釘?shù)氖芗裟Ｊ浇咏瑓⒄账ㄡ敿袅B接件荷載-滑移曲線形式提出其表達式，下降段以后，接近線性發(fā)展，故提出其分段表達式如公式（2）所示：

對本次兩批試驗均值曲線在Origin 中進行參數(shù)擬合，可得到參數(shù)a、b分別取0.003 98 和0.956 0；參數(shù)c、d取值分別為0.001 67 和0.842 5；參數(shù)k、e取值分別為-6.976 8和1.064 4.

4.2 抗剪剛度

剪力連接件的抗剪剛度是鋼-混連接件設(shè)計中的一個重要參數(shù)，觀察各類型剪力連接件的荷載-滑移曲線可發(fā)現(xiàn)，試件在彈性階段的荷載與相對滑移量大致呈線性關(guān)系.現(xiàn)主要采用割線法確定剪力連接件的抗剪剛度［13-15］，割線法指以荷載-滑移曲線上連接原點和另一點的割線斜率作為剪力連接件抗剪剛度，此法主要依賴于荷載-滑移曲線，而不僅僅依賴于剪力連接件抗剪承載力，因此，其應(yīng)用不受剪力連接件類型（柔性或剛性）、混凝土種類（普通混凝土、高強混凝土或UHPC）的影響，應(yīng)用范圍更廣.本文中偏于安全考慮，取試件彈性極限點處的割線剛度作為其抗剪剛度.

研究表明［16］，彈性工作階段剪力連接件的相對滑移一般不超過0.1 mm.結(jié)合試驗荷載-滑移曲線，可以發(fā)現(xiàn)，當滑移量小于0.1 mm，栓釘試件與PBL 試件荷載之比(PAS/PAP、PBS/PBP)約等于二者彈性極限點處割線剛度之比(kAS/kAP=0.62，kBS/kBP=0.71)；當滑移超出0.1 mm 時，栓釘與PBL 試件進入非線性階段，二者荷載比略有改變，如圖11所示.

圖11 栓釘與PBL荷載承擔比例Fig 11 Load bearing ratio of stud and PBL

因此可以認為，混合試件在前期線性階段時，其內(nèi)部栓釘剪力鍵承擔荷載與PBL 剪力鍵承擔荷載成比例，且比例等于栓釘剪力鍵剛度與PBL 剪力鍵剛度之比.

4.3 PBL-栓釘組合剪力連接件荷載-滑移曲線

查閱國內(nèi)外文獻，暫未發(fā)現(xiàn)有對PBL-栓釘組合剪力連接件荷載-滑移曲線計算公式.

結(jié)合本次兩批試驗結(jié)果，根據(jù)剛度分配原則，提出PBL-栓釘組合剪力連接件計算公式，表達式為P=P1+P2，結(jié)合上述分析可得公式（3）.

式中：P1為栓釘剪力連接件荷載；P2為PBL剪力連接件荷載；P為栓釘-PBL組合剪力連接件荷載.

對本次兩批PBL-栓釘組合試件進行實測與理論結(jié)果對比分析，如圖12所示.

圖12 栓釘-PBL試件荷載滑移曲線計算值與實測值對比Fig.12 Comparison of the calculated and measured values of the load-slip curve of the stud-PBL specimen

可以發(fā)現(xiàn)當滑移值小于0.2 mm 時，組合鍵實測值與公式計算值高度吻合，故本公式可較好地預(yù)測正常使用狀態(tài)下PBL-栓釘組合剪力連接件荷載-滑移曲線.對實際工程設(shè)計有較好的指導(dǎo)意義.

由于PBL-栓釘組合鍵內(nèi)的栓釘較長，進入了PBL 鍵的變形體內(nèi)參與受力，當滑移值大于0.2 mm時，變形體進入塑性狀態(tài)，栓釘組合鍵剛度提高的效果顯著，而計算公式未考慮這一因素的影響.

4.4 抗剪承載力計算

歐洲規(guī)范［15］、美國規(guī)范［17］和我國規(guī)范［18］均提出了栓釘抗剪承載力計算公式.觀察各規(guī)范計算公式，可以發(fā)現(xiàn)：普通混凝土中，抗剪承載力計算公式有兩種，一種對應(yīng)推出試驗中混凝土板壓碎情況，一種對應(yīng)栓釘剪斷破壞情況.而推出試件的破壞模式存在一個臨界混凝土抗壓強度，當混凝土抗壓強度高于此臨界值時，破壞模式恒為栓釘被剪斷.而UHPC 的抗壓強度遠高于此臨界值，故UHPC 中栓釘破壞模式均為栓釘剪斷.

李萌等［5］研究了UHPC 中短栓釘?shù)暮缚p高度及直徑的影響，對考慮焊縫貢獻的高強混凝土中栓釘抗剪承載力公式進行了系數(shù)修正，提出了形式上與我國現(xiàn)行規(guī)范［18］保持一致且具有更加廣泛適用性的抗剪承載力公式.

將單個栓釘抗剪承載力試驗值與以上4 個參考文獻中的公式計算值進行對比后發(fā)現(xiàn)：美國規(guī)范［17］、歐洲規(guī)范［15］、我國規(guī)范［18］的栓釘抗剪承載力公式是針對普通混凝土，用于UHPC 時預(yù)測值明顯偏低，會使得設(shè)計結(jié)果過于保守.相對來說，李萌等［5］公式以及STC 規(guī)范［19］公式反映了UHPC 中栓釘受力特征，預(yù)測精度高.故建議UHPC 中栓釘設(shè)計時采用參考文獻［5］中的公式，如式（4）所示

式中：P1u為栓釘試件抗剪承載力設(shè)計值；As為栓釘栓桿截面積，mm2；fu為栓釘抗拉強度，MPa；γ為抗力系數(shù)，建議取值1.25；φ=0.85+fc/fu，fc為混凝土抗壓強度，MPa.

對于PBL 試件，目前關(guān)于PBL 連接件的抗剪承載力計算公式各不相同，且對于普通混凝土中情況研究較多.作者對具有代表性的公式進行調(diào)研，具體見參考文獻［15，18，20-22］，結(jié)合PBL 傳力原理以及實際試驗結(jié)果，本文提出承載力計算公式為：

式中：右邊第一項為孔內(nèi)混凝土榫作用，第二項為鋼板與混凝土間的黏結(jié)作用；P2u為PBL 試件抗剪承載力，N；AC為混凝土榫面積，mm2；fck為超高性能混凝土軸心抗壓強度標準值，MPa；Af為鋼板與混凝土間黏結(jié)面積，mm2；α為混凝土榫影響系數(shù)；β為混凝土與鋼板間黏結(jié)影響系數(shù).

根據(jù)本文試驗結(jié)果進行回歸分析可得到各影響系數(shù)，代入可得公式（6）.

對比各公式結(jié)果（見表7）可以發(fā)現(xiàn)：目前已有的PBL 計算公式對不含貫穿鋼筋，采用UHPC 澆筑、破壞形態(tài)為孔內(nèi)榫剪斷時的PBL 鍵承載力的計算誤差較大.

表7 PBL抗剪承載力公式計算值與試驗值對比Tab 7 Comparison of calculated and experimental values of PBL shear bearing capacity formula

收集了國內(nèi)外28 組不含貫穿鋼筋PBL 推出模型試驗數(shù)據(jù)［其特征參數(shù)滿足（45 mm≤孔徑D≤100 mm，20 mm≤開孔板厚度t≤35 mm，35 MPa≤混凝土立方體抗壓強度fcu≤200 MPa）］并將其與公式（6）計算所得的抗剪承載力對比如圖13 所示，可以看出本文提出的公式具有較高的預(yù)測精度，物理意義明確，考慮了鋼板與混凝土間黏結(jié)作用，對于UHPC 中不含貫穿鋼筋的PBL 剪力連接件抗剪承載力具有更高的預(yù)測精度.

圖13 抗剪承載力試驗數(shù)據(jù)與計算值對比Fig.13 Comparison between experimental data and calculated values of shear capacity

另外，PBL-栓釘組合鍵的抗剪承載力，相比PBL與栓釘剪力連接件之和高12%左右，究其原因，是由于栓釘較長，進入了PBL 鍵的破壞體內(nèi)，導(dǎo)致剪切破壞面得到栓釘?shù)膹娀?，使得PBL-栓釘組合鍵的抗剪承載力偏高.

5 實橋驗算

根據(jù)本文試驗結(jié)果，利用本文提出的栓釘-PBL組合鍵公式對實橋結(jié)合段UHPC 方案進行驗算.本結(jié)合段抗剪栓釘（M19×200）共164 個，開孔孔徑為60 mm，10塊開孔板共計50個開孔：

經(jīng)全橋Midas計算，最不利墩柱的承載極限狀態(tài)下豎向力設(shè)計值為γ0Vd=16 611.97 kN；使用本文公式計算栓釘承載力和PBL 承載力之和為P1u+P2u=21 943.2 kN+14 150 kN=36 093.2 kN，而由本文試驗可知，混合剪力連接件承載力之和超出二者承載力之和，故承載力安全系數(shù)γ≥=2.17 >1.4；計算結(jié)果符合承載力極限狀態(tài)安全要求.

經(jīng)Midas全橋模型計算，最不利墩柱的正常實用狀態(tài)下豎向力標準組合值為Vsd=12 184 kN；使用公式（3）計算其滑移量可得S=0.04 mm <0.2 mm，計算結(jié)果符合正常使用狀態(tài)要求.

故對于采用栓釘-PBL 混合剪力連接件優(yōu)化后的設(shè)計方案，在承載力極限狀態(tài)及正常使用狀態(tài)均符合安全要求.

6 結(jié)論與展望

本文基于實際工程背景，通過12 個推出試驗，對鋼-UHPC 界面栓釘連接件、PBL 連接件以及栓釘與PBL 混合剪力連接件力學性能進行了研究，得到以下結(jié)論：

1）UHPC 中栓釘、PBL、栓釘-PBL 剪力連接件曲線特征大致分為三個階段：彈性階段、塑性損傷階段和破壞階段.栓釘連接件破壞狀態(tài)為釘桿剪斷；PBL連接件破壞狀態(tài)為混凝土榫剪斷，開孔板推出；栓釘-PBL 連接件破壞狀態(tài)為栓釘根部剪斷及混凝土榫剪斷，開孔板推出.

2）針對UHPC 中栓釘及PBL 的抗剪性能進行理論分析，分別提出了UHPC 中栓釘以及PBL 的荷載-滑移歸一化全曲線實用經(jīng)驗公式、抗剪承載力計算式等，并在按剛度分配荷載這一原理的基礎(chǔ)上，提出了UHPC 界面栓釘與PBL 混合剪力連接件的荷載-滑移曲線實用經(jīng)驗公式，上述公式均具有較高的計算精度.

3）PBL-栓釘組合鍵的抗剪承載力，相比兩種剪力連接件簡單之和要高出12%左右，原因應(yīng)該是長栓釘強化了PBL 鍵的破壞面，今后將對這一方面的機理做深入研究.

4）實橋墩柱驗算表明，采用UHPC 結(jié)合段，配以栓釘與PBL 混合剪力連接件，抗剪承載力安全系數(shù)為2.17，剪切滑移量為0.04 mm，因而此結(jié)合段完全滿足實際工程承載極限狀態(tài)及正常使用狀態(tài)的要求.