PBL剪力键承载力研究综述

谭敏

摘 要：PBL剪力键抗剪承载力高，因而在工程中得到了广泛地应用，但PBL剪力键承载力的试验方法和理论研究并没有权威的规范定论，要形成一套统一的、标准的、全面的试验方法和理论规范来研究PBL剪力键的承载能力和传力性能，还要需进行大量的研究。

关键词：PBL剪力键;承载力;研究方法;破坏模式

1 引言

对于PBL剪力键这一种新型的剪力连接构件，从它被提出到现在已经经过了几十年的发展应用，不仅其连接形式越来越多，而且应用范围越来越广泛。由于PBL剪力键在抗剪承载能力以及剪力传力性能方面具有传统剪力连接件不可比拟的优势，因此国内外有着不少学者对其进行研究。但由于各国学者均是以自己的试验为基础，得出的结论虽然在某一程度上有着相似性，然而当PBL剪力键以不同的形式、尺寸、连接方式应用于其它工程时，这些结论却不一定能适用。因而，要形成一套统一的、标准的、全面的试验方法和理论规范来研究PBL剪力键的承载能力和传力性能，还要需进行大量的试验研究。

2 研究方法

目前，对PBL剪力键的承载能力以及传力性能的研究方法主要是通过试验研究与数值模拟进行对比分析。

（1）试验研究：由于PBL剪力键的试验研究目前并没有统一的、标准的试验方法，目前大多数学者所做的试验一般是参照欧洲规范4提出的推出试验（Specific Push test），如下图1所示，即在工字钢翼缘两侧焊接开孔钢板，可在开孔钢板之间贯穿钢筋来提高PBL剪力键承载能力，并设置箍筋，然后浇筑混凝土在工字钢翼缘两侧形成剪力键，在工字钢腹板上施加荷载直至构件破坏。从而可以在试验机上得出PBL剪力键从施加荷载到构件破坏的荷载-滑移曲线即P-S曲线，来分析PBL剪力键的受力特点及传力性能，并可以从试件的破坏过程中分析引起试件破坏的主要因素。由于PBL剪力键的试验难以做到对实际工程中剪力连接进行全部研究，只是利用部分构件的缩放模型来进行试验分析，其试验结果具有一定的局限性，但其所得出的研究结论对工程应用以及数值分析还是具有参考价值。

例如：在2006年修建佛山平胜大桥时，湖南大学研究生胡建华就对其钢混结合部位的PBL剪力连接件进行了试验研究，该试验根据不同的影响因素共制作了8组24个PBL剪力键，分析研究了PBL剪力键在不同的开孔钢板直径大小及个数、贯穿钢筋的直径大小、箍筋的配筋率对其承载能力的影响，并根据试验结果为佛山平胜大桥中钢混结合部位的PBL剪力键的承载能力提供了计算公式，具有实际工程意义。

2010年，西南交通大学教授李小珍、卫星及学者肖林等对21个PBL剪力键试件进行了试验研究，该试验影响因素的不同共分为7组，主要研究PBL剪力键的极限承载能力与PBL剪力键的滑移量及延性系数等静载力学之间的关系，根据试验的形容结果发现PBL剪力键的滑移量及延性系数受其承载能力的影响，PBL剪力键的承载能力越高，其滑移量及延性系数也随之越大。

2007 年同济大学的刘玉擎分别针对南宁大桥以及上海长江大桥的钢混组合部位的PBL剪力键进行了试验验证剪力键的承载能力，试验结果表明PBL剪力键承载力能够满足工程应用;2009年西南交通大学的副教授卫星及研究生肖国亮对四川绵阳城的一座三跨双层斜拉桥的桥塔钢混结构中的PBL剪力键进行了试验研究，研究表明PBL剪力连接件在连接桥塔钢混结合段具有可靠性。

（2）数值模拟：随着社会的发展、科技的进步，各种计算机性能的提高以及各种大型通用有限元分析軟件的应用发展，通过利用高级有限元分析软件建立PBL剪力键模型并进行数值模拟，根据模拟分析结果与试件的试验数据进行对比分析，能有效提高PBL剪力键试验研究的精准程度。并且可以直接采用有限元软件模拟分析实际工程中的PBL 剪力键的受力情况，节约人力、物力、财力，提高经济效益。

最早利用有限元分析软件对PBL剪力键进行模拟分析的是外国学者Oguejiofor和Hosaintl，他们采用简化的模拟方法，将修正的混凝土刚度来代替钢筋混凝土材料的刚度，并且在分析过程中不考虑钢板与混凝土之间的滑动约束，同时钢板与混凝土之间采用共节点的方法进行模拟PBL剪力键的受力情况;随后科研人员Suhaib Yahya Kasim Al-Darzi在Oguejiofor和Hosaintl的模拟方法上进行改进，分别考虑了钢板、钢筋和开孔钢板的刚度，并引用材料的本构关系对构件进行属性设置进行分析;中国学者肖琳、卫星等人在原有的基础上，并考虑了钢构件和混凝土在超过弹性阶段后的非线性变化，模拟分析PBL剪力键的极限承载力及变形力;张清华等人在研究南京长江三桥钢混结合段的PBL剪力键模型中，考虑了钢筋和混凝土的粘结一滑移关系对PBL剪力键极限承载能力及变形能力的影响;刘玉擎在自己的PBL剪力键模型中采用弹性单元接触来约束剪力键之间的接触面，此方法为有限元模拟分析PBL剪力键中又一种新的概念，为有限元软件精细模拟分析PBL剪力键提供了新的方法。可见数值模拟方法已经得到了充分的发展。

3 破坏模式

PBL剪力键主要依靠开孔钢板中的混凝土榫来传力，从而使钢板与混凝土紧密连接共同受力工作，当圆孔中插入贯通钢筋时能进一步加强两种之间的结合作用。当PBL剪力键传力时，其受力机理主要从三个方面进行考虑，分别是沿开孔钢板水平方向的纵向剪力，另一方面沿开孔钢板竖向方向的分离力，这两种力主要是由开孔钢板孔中的混凝土榫来提供;最后一方面是由沿开孔钢板横向方向的横向剪力，这种力主要是由受压钢板与混凝土之间的摩擦力以及受压钢板与开孔钢板之间的焊缝连接来提供。其受力形式如下图2所示。

由于影响PBL剪力键承载力的因素较多，而且PBL剪力键自身的构造形式也是最主要的影响因素之一，因而当PBL剪力键达到极限承载能力而破坏时，也会因主要影响因素的不同而出现不同的破坏模式，其破坏模式大致可以从以下4种情况考虑：

（1）当开孔钢板的板厚较薄或者是孔间间距较小时，相邻两孔之间的钢板会先于孔中的混凝土破坏，这种是由于钢板被剪断而起的破坏模式称为剪切破坏。

（2）当开孔钢板板厚不足，混凝土强度等级较低时，孔中混凝土会先于孔间的钢板破坏，这种破坏模式称为割裂破坏。

（3）当开孔钢板过厚，且开孔直径较大时，混凝土由于其材料特性的原因，即抗剪强度低于抗压强度，孔中的混凝土会出现剪切破坏。

（4）当在开孔钢板的孔中设置贯通钢筋加孔中强混凝土的横向约束时，其最终破坏以孔中的混凝土超过弹性阶段，直至贯穿钢筋屈服或混凝土被压碎为破坏标志，这种破坏模式称为压缩破坏。

从以上阐述的四个面可知，PBL剪力键的破坏会因不同的影响而出现不同的破坏模式，由于其失效的标准也很难确定，所以PBL剪力的破坏模式也不可一概而论。在这个问题方面，有许多的国内外学者对其进行了大量的研究探讨，主要形成了以下两种观点：一是以混凝土的劈裂破坏为PBL剪力键破坏的标志。这种观点主要是从混凝土的强度方面来考虑，由于混凝土的抗压强度大于其劈裂强度，而且PBL剪力键正常使用阶段的破坏模式均由混凝土的劈裂破坏引起的，因而以混凝土的劈裂破坏为PBL剪力键的破坏标志;另一种观点认为应以孔中贯穿钢筋的屈服为破坏标志。实验研究发现，当PBL剪力键孔中混凝土出现劈裂破坏时，PBL剪力键还能继续承载直至混凝土被压碎或者贯穿钢筋屈服，因而研究人员认为PBL剪力键应当以贯穿钢筋处于屈服状态时才会丧失承载能力。但以上两种的判定模式具有其不足的方面，第一种观点忽略了PBL剪力键在非弹性阶段的承载能力，使PBL剪力键的承载力得不到有效的发挥;而第二种观点又无法避免PBL剪力键孔中的混凝土在贯穿钢筋屈服前出现劈裂破坏的现象，缺乏安全储备。因而，为了在两种观点之间找到平衡点，又有学者提出了新的观点，即考虑PBL剪力键的塑性性能，以期望能解决这一问题，得出新的结论。

4 PBL剪力键承载力影响因素分析

根据国内外学者所做的研究成果发现，PBL剪力键承载力受多种因素的影响，现就几个主要因素进行分析如下：

（1）混凝土的强度等级：混凝土是PBL剪力键的重要组成部分，内应力的传递需要直接通过孔中的混凝土榫来传递，因而混凝土的强度等级能直接影响PBL剪力键的承载能力，研究表明，PBL剪力键的承载能力会随混凝土的强度等级的提高而增大。

（2）开孔直径：开孔直径的大小决定了混凝土榫的抗剪面积，在一定的开孔直径内，增大开孔钢板的开孔直径，混凝土榫的抗剪面积也随之增大，因而PBL剪力键所能承受的剪应力也就越大。

（3）贯穿钢筋：贯穿钢筋能够有效约束孔中混凝土榫的受力状态，使之处于三向约束的状态，当混凝土受力超过弹性阶段后，贯穿钢筋还能继续承载，以贯穿钢筋达到屈服强度或混凝土被压碎为破坏标志，从而能有效提高PBL剪力键的承载能力，剪力键的承载能力能隨着贯穿钢筋的强度以及直径的增大得到进一步的提升。

（4）开孔钢板厚度：通过国内外学者试验对比发现，开孔钢板的厚度以PBL剪力键承载力具有一定的正相关性，开孔钢板越厚，孔内混凝土榫的受压面积越大，PBL剪力键的承载能力也就越强。

（5）开孔间距。从相关的试验研究中发现，当开孔间距过小时，相邻两孔之间的钢板会在孔中的混凝土被破坏前剪断，使PBL剪力键的承载能力得不到有效的发挥，因钢板被剪断而起的破坏模式称为剪切破坏。随着开孔间距的增加，PBL剪力键的承载能力也随之增加，直到每个孔所能承受的承载力达到与单孔剪力键的承载力后，开孔间距对PBL剪力键的承载能力将不会有所影响。

5 结束语

综上所述，目前研究PBL剪力键承载能力的方式主要有两种：一是试验研究;二是数值模拟。随着有精细有限元分析软件数值模拟方法的发展，数值模拟方法有望在将来代替试验研究，成为主流的研究方法。

根据PBL剪力键丧失承载力时构件内主要的破坏因素的不同，PBL剪力键的破坏模式可以分为剪切破坏、割裂破坏、压缩破坏这三种破坏模式。由于PBL剪力键承载力受多种因素的影响，当PBL剪力键处于不同的受力阶段时，各因素对其效果的影响不同。如何能充分利用PBL剪力键的塑性性能，还需结合构件的实际受力情况，针对承载力影响的主要因素去详细的分析研究。

参考文献：

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