PBL传剪器极限承载力的试验研究

1、PBL传剪器极限承载力的试验研究夏嵩 赵灿晖 张育智 李乔（西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031）摘 要：为了考查PBL传剪器在拉、剪组合环境应力下的性能，设计了4组12个PBL传剪器试件，对其极限承载力和滑移量进行了试验研究。试验结果表明PBL传剪器的极限承载力受到孔中钢棒强度、混凝土轴心抗拉强度、钢板开孔直径、钢筋直径和环境应力的类型等因素的影响。上述参数可以组合为无量纲化的外荷载与传剪器抗力，它们二者之间的关系可以采用一条直线来拟合。该直线方程可用于确定PBL传剪器的极限承载力。环境应力为拉应力的PBL传剪器极限承载力绝对值低于环境应力为压应力的情况。关键词：组合结构；传剪

2、器；PBL传剪器；极限承载力；推出试验分类号U441Test on the Bearing Capacity of PBL Shear ConnectorsXIA Song, ZHAO Canhui, ZHANG Yuzhi, LI Qiao(Civil Engineering School of Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan, 610031)Abstract: A test was designed to investigate the characters of the perfobond rib (PBL) shear c

3、onnectors subjected by a combined tension and shear background stress. Twelve PBL shear connection specimens were sorted into 4 groups and their ultimate bearing capacity and slipping behaviors were investigated. It is found that the ultimate bearing capacity of shear connectors is influenced by the

4、 strength of steel, the tension strength of concrete, the diameter of holes in the steel slabs, the diameter of rebars and the type of background stress. The mentioned factors are combined as the dimensionless load and the dimensionless resistance of shear connectors. The relation between these two

5、variables can be denoted by a linear equation. Such an equation can be fulfilled to determine the ultimate bearing capacity of PBL shear connectors. It has been summarized that a tension background stress can reduce the bearing capacity in contrast to the case of a compressive background stress.Key

6、words: Composite structures; shear connector; perfobond rib shear connector; ultimate bearing capacity; push-out testPBL传剪器的概念是由Leonhardt等于20世纪80年代提出的1,2。从那时开始，研究者开展了大量与之相关的试验工作3-6。这些工作大都3-6是通过“推出试验”来研究PBL传剪器的极限承载力问题。通过推出试验所获得的PBL传剪器极限承载力一般与下列因素相关3-6：混凝土强度、钢材强度、传剪器肋板尺寸、传剪器孔洞尺寸与个数、传剪器孔洞中所穿钢筋的直径，等等。在推

7、出试件达到破坏状态时，一般传剪器中所穿钢筋不会发生断裂现象，而工字钢外侧的混凝土板却往往严重开裂。由于推出试验所获得的PBL传剪器极限承载力可能过于保守7，所以有必要设计并进行一种不同的PBL传剪器极限承载力试验，以便考察PBL传剪器的破坏形态与极限承载力。南京长江三桥索塔钢混结合段试验7和本文工作都是针对这一要求设计了试验模型并对其极限承载力和荷载-滑移曲线进行了测量。考虑到索塔的受力特性，在南京长江三桥索塔钢混结合段试验中，试验模型受到的是压荷载，而本文工作则对模型施加了拉荷载。荷载施加方式的不同可能造成环境应力的不同。所谓“环境应力”是这样定义的：假想将PBL传剪器所在区域及其相邻某一个

8、小范围内的区域用某种均匀材料替换，该材料的材料特性可以使荷载作用下的替换后区域与被替换区域在边界上的位移相同，则荷载作用下的这一替换后区域内的应力就被称之为“环境应力”。例如两排传剪器之间的混凝土，在环境应力为压时，它们显然也将承受压应力；但在环境应力为拉时，它们就有可能承受拉应力，在两排传剪器滑移量严重不均的情况下尤其如此。显然，上述后一种情况在设计中是应该加以避免的。1 试验概况在试验中，总共设计了12个PBL传剪器试件，如图1所示。钢板表面涂抹黄油，以降低摩擦力与粘结力的影响。钢板外包混凝土，混凝土上端自由，下端与底座固连。底座前端面被顶住，后端被分载梁和钢绞线锚固在地面上。钢板上端焊有

9、引伸钢筋并伸出混凝土外。引伸钢筋附近混凝土开槽，使引伸钢筋与混凝土脱离接触，以便测量钢与混凝土之间的相对位移。加载时所有试件的混凝土浇筑龄期都已超过28天。各试件的主要参数如表1所示。此处应力以拉为正、压为负，承载力也以环境应力为拉时为正，环境应力为压时为负。图1 PBL传剪器试件构造图Fig.1 Ilustration for PBL specimens如表1中所示，所有试件共分4组，每组3个。试件编号“SBxx-yy-z”中的“xx”表示钢板开孔直径，“yy”表示内穿钢筋直径，均以毫米为单位；“z”表示同一组试件中的编号。试验时，每组的第1个试件采用单调加载的方式加载直到破坏；其他2个试件

10、则有两次卸载-重新加载的过程：第1次在弹性极限附近，第2次在滑移量达到1mm左右时。试验过程中的荷载可以通过一个压力传感器做到全程实时自动采集，而滑移量则可通过百分表读取，亦即采用百分表读取图1所示的引伸钢筋与混凝土之间相对位移。表1 本次试验试件主要参数及单孔极限承载力Tab.1 Paramenters and bearing capacity of specimens in the present test试件编号混凝土轴心抗拉强度/MPa钢材屈服应力/MPa单孔极限承载力/kNSB60-22-13.0 335 736 SB60-22-23.0 335 656 SB60-22-33.0 3

11、35 642 SB60-16-12.7 335 607 SB60-16-22.7 335 476 SB60-16-32.7 335 473 SB45-16-12.7 335 495 SB45-16-22.7 335 497 SB45-16-32.7 335 485 SB45-12-12.7 335 366 SB45-12-23.0 335 388 SB45-12-33.0 335 457 2 试验结果分析2.1 荷载-滑移曲线试验中获得的荷载-滑移曲线如图2所示。图中P为单个孔洞所承受的外荷载，s为钢板相对混凝土的滑移量。(a) (b) (c) (d)图2 荷载-滑移曲线Fig.2 Load-

12、slip curves图3 小滑移量下的荷载-滑移曲线Fig.3 Load-slip curve when slip is small以SB60-22组试件为例，如图3所示，滑移量较小时，混凝土卸载后重新加载的曲线与卸载曲线不重合，卸载曲线与重加载曲线围成一个封闭区域。这种“滞回”现象与混凝土的加卸载曲线非常相似，这说明在滑移量较小的情况下孔洞中的钢筋与混凝土共同工作，而且混凝土的作用非常明显。从图2可以看出，所有试件都有比较明显的线弹性阶段和屈服阶段。除了SB45-12组之外，所有试件在破坏时的最大滑移量都超过了15 mm。2.2 单孔极限承载力试验值本次所有试件的单孔极限承载力都列于表1之

13、中，南京三桥传剪器试验7的PBL试件的参数与单孔极限承载力则列于表2。每组试件在试验中获得了3个单孔极限承载力值。这3个值中，如果有任意一个值与中间值的差大于中间值的15%，则偏差较大的那个值在此后的分析工作中将被排除在外。显然，SB60-16-1试件与SB45-12-3试件将被排除。这里的PBL传剪器极限承载力明显高于通过推出试验所获取的值。表2 南京三桥试验试件主要参数及单孔极限承载力Tab.2 Paramenters and bearing capacity of specimens in the test for Nanjing 3rd Yangtze River Bridge试件编号

14、混凝土轴心抗拉强度/MPa钢材屈服应力/MPa单孔极限承载力/kNSB60-0-12.8340-300SB60-0-22.8340-360SB60-0-32.8340-320SB60-0-43.3340-450SB60-16-12.8340-400SB60-16-22.8340-373SB60-16-32.8340-427SB60-16-43.3340-480SB60-20-12.8340-460SB60-20-22.8340-507SB60-20-32.8340-480SB60-20-43.3340-627SB60-25-12.8340-693SB60-25-22.8340-717SB60-

15、25-32.8340-700SB60-25-43.3340-780SB60-25-52.9340-680SB60-25-62.9340-710SB60-25-72.9340-6702.3 单孔极限承载力的计算公式综合本次试验与南京三桥传剪器试验7的数据，在此将计入下列影响PBL传剪器极限承载力的因素：钢筋抗拉强度标准值fsk、混凝土轴心抗拉强度标准值ftk、钢板上的孔洞直径D、钢筋直径d和环境应力的类型。也就是说，极限承载力P可以表示为, ()式中，为无量纲的环境应力系数。考虑到本试验的具体情况，不妨假定, (). ()图4 无量纲变量P*与X*之间的关系Fig.4 Relation betw

16、een dimensionless quantities P* and X*其中环境应力系数在环境应力为压应力时取 = -1，环境应力为拉应力时取 = 1。将方程(2)表示为无量纲形式，即, (). ()根据表1和表2数据计算的无量纲变量P*与X*之间的关系如图4所示。这里不包括前述被排除的两个试件的数据。显然图4中的数据可以采用一条直线进行拟合。拟合结果为. ()其中0 = 6.64115，1 = 3.90835。拟合直线的相关系数为R = 0.96101。显然，更准确、更全面的PBL传剪器单孔极限承载力经验公式的总结还要依赖于更加系统全面的试验工作。2.4 钢筋直径的取值范围除了SB45-

17、12组之外，所有试件在破坏时的最大滑移量都超过了15 mm。SB45-12组试件滑移量较小，这可能是因为钢筋直径过小，在钢筋外包混凝土剪切破坏之后，外荷载已经超过了钢筋所能承受的极限荷载，所以钢筋也立刻被剪断。可见在设计中不宜采用直径过小（d 12 mm）的钢筋作为传剪器内穿钢筋。 图5 SB60-22-1试件破坏形态Fig5 Failure pattern of specimen SB60-22-1在本试验中，大多数试件都是因为钢板开孔中所穿钢筋被剪断而破坏，但SB60-22组试件却有所不同。打开该组试件，露出混凝土紧贴钢板的界面，可以看到混凝土中存在明显的裂纹，如图5中混凝土面上的黑线所示

18、。这些裂纹都是从比较靠近加力点的那个传剪器附近向外辐射的。同时这个传剪器前方（靠近加力点的方向）的混凝土也往往严重破碎。这样的现象仅仅存在于SB60-22组试件中，其它试件的混凝土在与钢板的交界面上都没有发现明显的开裂现象。这说明在钢筋直径较大的情况下，由于传剪器刚度过大，造成相对靠近加力点的传剪器滑移量不足，因此相邻两排传剪器的剪力分配不均匀，传剪器之间的混凝土可能会受到较大的拉应力，从而产生混凝土开裂现象。这一现象显然是应该在设计中加以避免的。因为该现象与钢筋的承载能力和传剪器周围混凝土的抗拉能力相关，所以，为了避免它的发生，应该要求传剪器满足下列条件：, ()式中：n为垂直于加载方向的截

19、面上的传剪器个数；A为垂直于加载面的混凝土截面积；k是作为判据的无量纲数，kc是k的阈值。在本试验中，只有SB60-22组试件发生了传剪器周围混凝土开裂的现象，所以不妨将该组试件的k值取作kc值。针对SB60-22组试件而言，n = 1，fsk = 335 MPa，d = 22 mm，ftk = 3.0 MPa，混凝土截面为0.6 m 0.334 m 的矩形。由此可得kc = 0.270。3 结论(1) 若按照本试验及南京长江三桥传剪器试验的方式设计试件，试件破坏时的主要破坏形式为钢板孔洞所穿钢筋的剪断。按这种试验方案获取的PBL传剪器极限承载力要高于推出试验的结果。(2) PBL传剪器在滑移

20、量较小时的荷载-滑移关系受混凝土性质的影响较大。(3) PBL传剪器的内穿钢筋直径与其他参数之间存在一个配合问题。为了保证破坏前具有较大的滑移量，内穿钢筋直径不宜过小；而当环境应力为拉时，内穿钢筋直径则不宜过大，以免因剪力分配不均，导致相邻两排传剪器之间混凝土拉裂的现象。(4) PBL传剪器极限承载力受到环境应力、钢材强度、混凝土的轴心抗压强度、钢板上的孔洞直径和钢筋直径等因素的影响。本文将这些因素的影响拟合为一个直线方程，该方程可用于计算PBL传剪器的极限承载力。参考文献1 ZELLNER W. Recent design of composite bridges and a new typ

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