摘要：本文从试验方法、破坏形态、极限承载力的影响因素和计算公式等几方面系统阐述了近年来国内外PBL剪力键的试验研究进展，重点阐述了其极限承载力的研究现状;最后，对PBL剪力键的进一步研究工作提出了建议。

　　关键词：PBL剪力键,极限承载力,影响因素,试验研究

　　1. 引言

　　PBL 剪力键最早出现在 20世纪80年代。德国Leonhardt教授等人于1987年提出将设置圆孔的钢板沿着作用力方向埋设在混凝土中作为连接件使用;通过试验得出孔中混凝土具有很大的销栓作用，其最终破坏为孔中混凝土的剪切破坏。此后，研究者进行了大量的“推出试验”及“梁式试验”[1]研究PBL剪力键的极限承载力。目前，PBL 剪力键的具体构造和应用范围仍处于研究阶段，作者搜集了多篇关于PBL剪力键破坏机理和极限承载力研究的国内外文献，其破坏机理和荷载-滑移关系已基本上趋于一致，争议点主要在于如何设计极限承载力试验方法、如何确定剪力承载力回归公式[2]。

　　2. PBL剪力键概述

　　开孔钢板连接件是依据钢板圆孔中的混凝土抵抗钢与混凝土间作用力的构件，它与沿着钢梁横向设置的钢板或型钢块体不同，是沿着钢梁纵向布置，依靠圆孔中的混凝土加强两者间的接合。其圆孔可以贯通主钢筋，不影响钢筋布置;在不需要主钢筋贯通时，在圆孔中设置螺纹钢筋后，承载性能及其延性将进一步得到提高。开孔钢板连接件的作用机理主要有三个方面[3]：①依据孔中混凝土的抗剪作用承担沿钢板纵向的剪力;②依据孔中混凝土的抗剪作用承担钢与混凝土间的掀起力;③与型钢连接件相同，依据钢板受压承担面外的横向剪力。

　　常见PBL剪力键根据外形构造主要分为：普通PBL剪力键(即开孔直钢板抗剪连接件)、Twin-PBL剪力键(将PBL剪力键的单块带孔肋板变成两块带孔肋板)，S-PBL+栓钉剪力连接件(利用孔内混凝土和栓钉共同承担剪力)[1]。

　　开孔钢板连接件具有以下特点[3]：仅是普通的钢板上设置圆孔，不需要特别进行加工;沿钢板两面用角焊缝焊接，不需要专用的焊接设备;圆孔中可贯通主钢筋，改善了钢筋布置的施工性;开孔钢板沿翼缘纵向布置，可起到加劲板的作用;抗剪刚度、强度较大，当设置贯通钢筋后进一步增大;当板厚、孔距设置妥当时，其破坏机理是孔中混凝土的剪切破坏，不受疲劳的影响。

　　虽然国外对PBL剪力键已作了一些研究，但目前还没有规范规定PBL剪力键的形式、尺寸和承载能力，也未规定试件和试验方法。中国对PBL剪力键的研究和使用还处于起步阶段，但目前PBL剪力键已在部分桥梁中得到了应用，如南京长江三桥钢主塔中采用了PBL键[4]，广州新光大桥的剪力接头同时使用了栓钉和PBL剪力键，铁路钢-混凝土结合桥梁和混合桥梁上也正在研究部分采用PBL剪力键[5];湖北鄂东长江公路大桥钢-混凝土结合段采用了PBL剪力键;广东佛山平胜大桥(主跨350 m混合粱自锚式悬索桥)应用PBL剪力键;广东东平大桥(主跨300 m的钢桁拱-连续梁协作体系桥)桥面系应用PBL剪力[1]。

　　3. 剪力连接件试验研究

　　目前，测试剪力键抗剪性能的试验方法主要为推出试验和梁式试验[1].

　　推出试验是将一段工字钢与两块混凝土板通过焊接在工字钢上的开孔钢板连接件连接在一起，然后通过对工字钢的一端施加荷载，使埋在混凝土板内的连接件受到剪切作用，通过测量钢与混凝土板之间的相对滑移获得抗剪连接件的荷载-滑移曲线。推出试验以其制作简单、受力明确的优点而成为目前大多数PBL剪力键的试验方法。但推出试验存在试验周期长、费用高昂、试验结果的离散性很强[6]等缺点。各研究者根据各自试验结果推导的剪力键承载能力计算公式适用范围较小，目前仍没有统一的试验方法。因此有必要进行更多的推出试验以推导统一的剪力键承载力计算公式。另外，推出试验的结果表明，PBL剪力键推出试验的破坏形态均与混凝土板有关，而混凝土榫或贯穿钢筋未剪断;其试验过于保守且试验过程未能完全反映其破坏全过程的力学行为。

　　梁式试验是指对简支组合梁施加两点对称荷载，使试件在纯弯状态下受力。在荷载作用下钢梁与混凝土板接触面上水平受剪，纵向剪力随外荷载的增加而增加，直至破坏。鉴于推出试验只能模拟剪力键在纯剪切状态下的受力性能，而实际组合梁板处于弯剪受力状态，因此梁式试验理论上应能更好地模拟剪力键的受力状态。

　　Youn-Ju Jeong等[7]分别用推出试验和梁式试验对相同的PBL剪力键进行纵向剪力承载力研究，其先用推出试验测出在纯剪切状态下PBL剪力键的极限承载力，再用梁式试验在混凝土板上按不同的剪切跨度作用面荷载，通过m-k方法间接得出剪力键的极限承载力。结果表明，在剪跨比较大的情况下推出试验和梁式氏试验结果基本符合，若在剪跨比较小的情况下(即作用力与支座距离较小时)梁式试验则会导致剪力极限承载力被高估。

　　3.1. 已有试验得出的承载力公式

　　Leonhardt等基于加载试验结果，最早提出了开孔钢板连接件抗剪强度与孔径、混凝土强度有关的计算式(下式未直接反映贯通钢筋的影响)：

　　Hosaka[15]等直接考虑了贯穿钢筋的影响，通过实验数据的回归分析提出了以下计算式：

　　OguejioforEC等[8]采用类似于Eurocode 4中规定的推出试件形式进行了PBL剪力键承载力试验研究。结果表明，所有试件的破坏形态均与混凝土板有关，并以混凝土板竖向劈裂或开孔钢板下方混凝土压溃破坏为标志。他们认为承载力由四部分组成：开孔钢板下方混凝土的承压效应、混凝土榫、贯穿开孔孔洞的钢筋、垂直于且穿过开孔钢板的钢筋，根据试实验结果给出了以下承载力公式：

　　式中： 和 分别为开孔钢板的高度和厚度; 为混凝土抗压强度; 、 分别为贯穿钢筋面积及其屈服强度; 、 分别为横向钢筋面积及其屈服强度; 为开孔洞直径。

　　J. da. C. Vianna[9]等在葡萄牙科英布拉大学进行了PBL剪力键推出试验，并将试验结果与其之前的推出试验进行详细对比，认为：剪力键的破坏主因是孔洞中的钢筋屈服，因此即便混凝土强度比之前的试验增大了85%，PBL剪力键本身的抗剪强度也仅比之前增大了约10%;对于120mm厚的混凝土板，增加连接器的孔洞数量或贯穿钢筋数量能够明显提升连接件极限承载力和抗滑移承载力;而对于200mm厚的混凝土板效果不明显。另外，增加孔洞数量只有在孔洞之间留有适宜距离的情况下才能对连接件的承载力有良好的改善作用。

　　Vianna综合多篇有关于PBL剪力键极限承载力的文献，最后运用多元回归调整模型得到适合于自己试验结果的剪力键极限承载力公式(1式适用于混凝土等级小于30MPa，2式适用于混凝土大于30MPa)：

　　宗周红[10]在通过进行剪力栓钉和开孔钢板连接件的推出试验后发现，抗剪承载力不仅与混凝土类型和强度有关，还与横向钢筋配筋率及放置位置有关，建议公式为 式中： 为混凝土类型影响系数，普通混凝土 = 2，钢纤维混凝土 =1.5; 为横向钢筋位置影响系数，一般取 =1.0，当受剪方向横向钢筋较多时 =1.05; 和 为反映试验数量均值的系数，分别取0.60和0.95; 为横向钢筋的面积。

　　胡建华等[11]利用型钢试件进行了PBL剪力键承载试验研究，结果显示试件的破坏形态为：混凝土块出现开裂，开孔孔洞内混凝土在贯穿钢筋前方的部分被压碎，贯穿钢筋有较大变形但未被剪断。他们考虑到混凝土榫面积、混凝土强度、贯穿钢筋和横向钢筋面积及其屈服强度的影响，给出了以下承载力公式：

　　式中， 为贯通钢筋面积。 为横向普通钢筋面积; 为混凝土榫面积; 为钢筋影响系数(取1.320125); 为横向普通钢筋影响系数; 为混凝土榫影响系数。

　　以上几个公式主要考虑了混凝土强度、混凝土榫的面积、贯通钢筋的面积与屈服强度等因素对PBL剪力键极限承载力的影响，但在表达形式上差别较大。主要原因有两个方面[12]：一是这些试验研究采用的PBL剪力键试件形式不同;二是公式所考虑的PBL键承载力影响因素及其影响大小不同，尤其对贯通钢筋和横向普通钢筋影响的处理差别较大。

　　3.2. PBL剪力键荷载-滑移关系试验研究

　　王振海等[13]通过对37个PBL剪力键试件进行静载破坏试验，得到以下结论：有贯穿钢筋类PBL剪力键的工作阶段可划分为弹性段、弹塑性段和强化段;无贯穿钢筋类的工作阶段可划分为弹性段和弹塑性段;PBL剪力键的弹性段荷载-滑移关系呈线性，曲线斜率主要与混凝土榫抗剪刚度有关;PBL剪力键的弹塑性段和强化段荷载-滑移关系呈幂函数，其系数与混凝土榫抗剪刚度、贯穿钢筋抗拉能力呈线性关系;

　　肖林等[2]运用推出试验的非线性有限元仿真分析研究PBL剪力键的传力和破坏过程，认为弹性阶段之前承载力主要由孔洞内混凝土提供，弹性阶段之后承载力主要由贯穿钢筋提供。

　　3.3. PBL剪力键已有试验的破坏形态、破坏机理及力学性能影响因素

　　影响PBL剪力键力学性能的因素很多，包括开孔钢板的厚度、开孔直径、是否贯穿钢筋以及贯穿钢筋的直径、混凝土强度、剪力键的布置和数量等[14]。其中，混凝土榫面积、混凝土强度和钢筋的面积及强度影响最大;贯通钢筋的角度误差、钢板开坡口与否、钢板厚度(需保证在达到极限承载力时钢板不屈曲)等对PBL剪力键的承载力影响不大[12]。

　　刚性连接件带孔钢板和柔性连接件栓钉的破坏机制不同 [4]，栓钉在推出试件中处于弯剪受力状态，栓钉处混凝土裂缝为横向发展;只有当相对滑移较大时，栓钉跟部靠近钢翼缘的混凝土板才出现斜裂缝;栓钉周围混凝土被挤压和拉裂后，裂缝很快发展，以裂缝宽度较大或栓钉在焊缝处剪断为破坏标志。带孔钢板连接件中带孔钢板主要受剪切作用，在剪力方向上钢板端部混凝土受到冲切作用，裂缝首先在钢板下端混凝土处产生，并形成纵向劈裂缝，裂缝形状与大小与和横向钢筋的数量及位置有关，以混凝土纵向劈裂破坏为标志。砸开混凝土发现，栓钉连接件中受剪方向上栓钉焊缝周围的混凝土被挤压成粉末状，栓钉基本上呈弯斜状，如同受均布荷载的悬臂梁，或者在跟部焊缝处被剪断;而带孔钢板几乎没有变形，其中的圆孔仍为圆孔。

　　宗周红等[10]进行了栓钉和带孔钢板连接件的疲劳和静载破坏试验研究，认为：栓钉连接件破坏以栓钉受弯剪破坏或焊缝被剪断为主，带孔钢板连接件以混凝土板纵向劈裂破坏为主;普通混凝土中带孔钢板连接件的极限承载力要高于栓钉连接件，钢纤维混凝土中栓钉连接件的承载力和带孔钢板连接件相近，而栓钉连接件在非弹性阶段的延性要好于带孔钢板连接件;混凝土强度对栓钉连接件的影响要大于带孔钢板连接件，横向钢筋数量及位置对带孔钢板连接件的影响要大于栓钉连接件，疲劳对极限承载力影响不大。

　　4. 结论

　　研究者对PBL剪力键的荷载-滑移曲线已经基本达成共识，而对PBL剪力键极限承载力公式及影响因素的研究仍存在争议。

　　钢-混组合梁板的设计主要包括弯矩、竖向剪力、纵向剪力三种强度的设计，而纵向剪力承载能力对结构的强度、刚度、破坏模式均影响较大。因此，正确预测钢-混结构纵向剪力承载力是非常重要。虽然在纯剪力作用下纵向剪力极限承载力的计算已明确，但在弯剪这种较接近真实情况的作用下极限承载力仍很难精确估计。因此，PBL剪力键的极限承载力试验应在梁式试验上再进一步作足够多的研究来比较其与推出试验的差别;同时，应规范、细化推出试验标准，以对PBL剪力键性能作出统一的评判标准。

　　参考文献：

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