摘要：本文從試驗方法、破壞形態、極限承載力的影響因素和計算公式等幾方面系統闡述了近年來國內外PBL剪力鍵的試驗研究進展，重點闡述了其極限承載力的研究現狀;最后，對PBL剪力鍵的進一步研究工作提出了建議。

　　關鍵詞：PBL剪力鍵,極限承載力,影響因素,試驗研究

　　1. 引言

　　PBL 剪力鍵最早出現在 20世紀80年代。德國Leonhardt教授等人于1987年提出將設置圓孔的鋼板沿著作用力方向埋設在混凝土中作為連接件使用;通過試驗得出孔中混凝土具有很大的銷栓作用，其最終破壞為孔中混凝土的剪切破壞。此后，研究者進行了大量的“推出試驗”及“梁式試驗”[1]研究PBL剪力鍵的極限承載力。目前，PBL 剪力鍵的具體構造和應用范圍仍處于研究階段，作者搜集了多篇關于PBL剪力鍵破壞機理和極限承載力研究的國內外文獻，其破壞機理和荷載-滑移關系已基本上趨于一致，爭議點主要在于如何設計極限承載力試驗方法、如何確定剪力承載力回歸公式[2]。

　　2. PBL剪力鍵概述

　　開孔鋼板連接件是依據鋼板圓孔中的混凝土抵抗鋼與混凝土間作用力的構件，它與沿著鋼梁橫向設置的鋼板或型鋼塊體不同，是沿著鋼梁縱向布置，依靠圓孔中的混凝土加強兩者間的接合。其圓孔可以貫通主鋼筋，不影響鋼筋布置;在不需要主鋼筋貫通時，在圓孔中設置螺紋鋼筋后，承載性能及其延性將進一步得到提高。開孔鋼板連接件的作用機理主要有三個方面[3]：①依據孔中混凝土的抗剪作用承擔沿鋼板縱向的剪力;②依據孔中混凝土的抗剪作用承擔鋼與混凝土間的掀起力;③與型鋼連接件相同，依據鋼板受壓承擔面外的橫向剪力。

　　常見PBL剪力鍵根據外形構造主要分為：普通PBL剪力鍵(即開孔直鋼板抗剪連接件)、Twin-PBL剪力鍵(將PBL剪力鍵的單塊帶孔肋板變成兩塊帶孔肋板)，S-PBL+栓釘剪力連接件(利用孔內混凝土和栓釘共同承擔剪力)[1]。

　　開孔鋼板連接件具有以下特點[3]：僅是普通的鋼板上設置圓孔，不需要特別進行加工;沿鋼板兩面用角焊縫焊接，不需要專用的焊接設備;圓孔中可貫通主鋼筋，改善了鋼筋布置的施工性;開孔鋼板沿翼緣縱向布置，可起到加勁板的作用;抗剪剛度、強度較大，當設置貫通鋼筋后進一步增大;當板厚、孔距設置妥當時，其破壞機理是孔中混凝土的剪切破壞，不受疲勞的影響。

　　雖然國外對PBL剪力鍵已作了一些研究，但目前還沒有規范規定PBL剪力鍵的形式、尺寸和承載能力，也未規定試件和試驗方法。中國對PBL剪力鍵的研究和使用還處于起步階段，但目前PBL剪力鍵已在部分橋梁中得到了應用，如南京長江三橋鋼主塔中采用了PBL鍵[4]，廣州新光大橋的剪力接頭同時使用了栓釘和PBL剪力鍵，鐵路鋼-混凝土結合橋梁和混合橋梁上也正在研究部分采用PBL剪力鍵[5];湖北鄂東長江公路大橋鋼-混凝土結合段采用了PBL剪力鍵;廣東佛山平勝大橋(主跨350 m混合粱自錨式懸索橋)應用PBL剪力鍵;廣東東平大橋(主跨300 m的鋼桁拱-連續梁協作體系橋)橋面系應用PBL剪力[1]。

　　3. 剪力連接件試驗研究

　　目前，測試剪力鍵抗剪性能的試驗方法主要為推出試驗和梁式試驗[1].

　　推出試驗是將一段工字鋼與兩塊混凝土板通過焊接在工字鋼上的開孔鋼板連接件連接在一起，然后通過對工字鋼的一端施加荷載，使埋在混凝土板內的連接件受到剪切作用，通過測量鋼與混凝土板之間的相對滑移獲得抗剪連接件的荷載-滑移曲線。推出試驗以其制作簡單、受力明確的優點而成為目前大多數PBL剪力鍵的試驗方法。但推出試驗存在試驗周期長、費用高昂、試驗結果的離散性很強[6]等缺點。各研究者根據各自試驗結果推導的剪力鍵承載能力計算公式適用范圍較小，目前仍沒有統一的試驗方法。因此有必要進行更多的推出試驗以推導統一的剪力鍵承載力計算公式。另外，推出試驗的結果表明，PBL剪力鍵推出試驗的破壞形態均與混凝土板有關，而混凝土榫或貫穿鋼筋未剪斷;其試驗過于保守且試驗過程未能完全反映其破壞全過程的力學行為。

　　梁式試驗是指對簡支組合梁施加兩點對稱荷載，使試件在純彎狀態下受力。在荷載作用下鋼梁與混凝土板接觸面上水平受剪，縱向剪力隨外荷載的增加而增加，直至破壞。鑒于推出試驗只能模擬剪力鍵在純剪切狀態下的受力性能，而實際組合梁板處于彎剪受力狀態，因此梁式試驗理論上應能更好地模擬剪力鍵的受力狀態。

　　Youn-Ju Jeong等[7]分別用推出試驗和梁式試驗對相同的PBL剪力鍵進行縱向剪力承載力研究，其先用推出試驗測出在純剪切狀態下PBL剪力鍵的極限承載力，再用梁式試驗在混凝土板上按不同的剪切跨度作用面荷載，通過m-k方法間接得出剪力鍵的極限承載力。結果表明，在剪跨比較大的情況下推出試驗和梁式氏試驗結果基本符合，若在剪跨比較小的情況下(即作用力與支座距離較小時)梁式試驗則會導致剪力極限承載力被高估。

　　3.1. 已有試驗得出的承載力公式

　　Leonhardt等基于加載試驗結果，最早提出了開孔鋼板連接件抗剪強度與孔徑、混凝土強度有關的計算式(下式未直接反映貫通鋼筋的影響)：

　　Hosaka[15]等直接考慮了貫穿鋼筋的影響，通過實驗數據的回歸分析提出了以下計算式：

　　OguejioforEC等[8]采用類似于Eurocode 4中規定的推出試件形式進行了PBL剪力鍵承載力試驗研究。結果表明，所有試件的破壞形態均與混凝土板有關，并以混凝土板豎向劈裂或開孔鋼板下方混凝土壓潰破壞為標志。他們認為承載力由四部分組成：開孔鋼板下方混凝土的承壓效應、混凝土榫、貫穿開孔孔洞的鋼筋、垂直于且穿過開孔鋼板的鋼筋，根據試實驗結果給出了以下承載力公式：

　　式中： 和 分別為開孔鋼板的高度和厚度; 為混凝土抗壓強度; 、 分別為貫穿鋼筋面積及其屈服強度; 、 分別為橫向鋼筋面積及其屈服強度; 為開孔洞直徑。

　　J. da. C. Vianna[9]等在葡萄牙科英布拉大學進行了PBL剪力鍵推出試驗，并將試驗結果與其之前的推出試驗進行詳細對比，認為：剪力鍵的破壞主因是孔洞中的鋼筋屈服，因此即便混凝土強度比之前的試驗增大了85%，PBL剪力鍵本身的抗剪強度也僅比之前增大了約10%;對于120mm厚的混凝土板，增加連接器的孔洞數量或貫穿鋼筋數量能夠明顯提升連接件極限承載力和抗滑移承載力;而對于200mm厚的混凝土板效果不明顯。另外，增加孔洞數量只有在孔洞之間留有適宜距離的情況下才能對連接件的承載力有良好的改善作用。

　　Vianna綜合多篇有關于PBL剪力鍵極限承載力的文獻，最后運用多元回歸調整模型得到適合于自己試驗結果的剪力鍵極限承載力公式(1式適用于混凝土等級小于30MPa，2式適用于混凝土大于30MPa)：

　　宗周紅[10]在通過進行剪力栓釘和開孔鋼板連接件的推出試驗后發現，抗剪承載力不僅與混凝土類型和強度有關，還與橫向鋼筋配筋率及放置位置有關，建議公式為 式中： 為混凝土類型影響系數，普通混凝土 = 2，鋼纖維混凝土 =1.5; 為橫向鋼筋位置影響系數，一般取 =1.0，當受剪方向橫向鋼筋較多時 =1.05; 和 為反映試驗數量均值的系數，分別取0.60和0.95; 為橫向鋼筋的面積。

　　胡建華等[11]利用型鋼試件進行了PBL剪力鍵承載試驗研究，結果顯示試件的破壞形態為：混凝土塊出現開裂，開孔孔洞內混凝土在貫穿鋼筋前方的部分被壓碎，貫穿鋼筋有較大變形但未被剪斷。他們考慮到混凝土榫面積、混凝土強度、貫穿鋼筋和橫向鋼筋面積及其屈服強度的影響，給出了以下承載力公式：

　　式中， 為貫通鋼筋面積。 為橫向普通鋼筋面積; 為混凝土榫面積; 為鋼筋影響系數(取1.320125); 為橫向普通鋼筋影響系數; 為混凝土榫影響系數。

　　以上幾個公式主要考慮了混凝土強度、混凝土榫的面積、貫通鋼筋的面積與屈服強度等因素對PBL剪力鍵極限承載力的影響，但在表達形式上差別較大。主要原因有兩個方面[12]：一是這些試驗研究采用的PBL剪力鍵試件形式不同;二是公式所考慮的PBL鍵承載力影響因素及其影響大小不同，尤其對貫通鋼筋和橫向普通鋼筋影響的處理差別較大。

　　3.2. PBL剪力鍵荷載-滑移關系試驗研究

　　王振海等[13]通過對37個PBL剪力鍵試件進行靜載破壞試驗，得到以下結論：有貫穿鋼筋類PBL剪力鍵的工作階段可劃分為彈性段、彈塑性段和強化段;無貫穿鋼筋類的工作階段可劃分為彈性段和彈塑性段;PBL剪力鍵的彈性段荷載-滑移關系呈線性，曲線斜率主要與混凝土榫抗剪剛度有關;PBL剪力鍵的彈塑性段和強化段荷載-滑移關系呈冪函數，其系數與混凝土榫抗剪剛度、貫穿鋼筋抗拉能力呈線性關系;

　　肖林等[2]運用推出試驗的非線性有限元仿真分析研究PBL剪力鍵的傳力和破壞過程，認為彈性階段之前承載力主要由孔洞內混凝土提供，彈性階段之后承載力主要由貫穿鋼筋提供。

　　3.3. PBL剪力鍵已有試驗的破壞形態、破壞機理及力學性能影響因素

　　影響PBL剪力鍵力學性能的因素很多，包括開孔鋼板的厚度、開孔直徑、是否貫穿鋼筋以及貫穿鋼筋的直徑、混凝土強度、剪力鍵的布置和數量等[14]。其中，混凝土榫面積、混凝土強度和鋼筋的面積及強度影響最大;貫通鋼筋的角度誤差、鋼板開坡口與否、鋼板厚度(需保證在達到極限承載力時鋼板不屈曲)等對PBL剪力鍵的承載力影響不大[12]。

　　剛性連接件帶孔鋼板和柔性連接件栓釘的破壞機制不同 [4]，栓釘在推出試件中處于彎剪受力狀態，栓釘處混凝土裂縫為橫向發展;只有當相對滑移較大時，栓釘跟部靠近鋼翼緣的混凝土板才出現斜裂縫;栓釘周圍混凝土被擠壓和拉裂后，裂縫很快發展，以裂縫寬度較大或栓釘在焊縫處剪斷為破壞標志。帶孔鋼板連接件中帶孔鋼板主要受剪切作用，在剪力方向上鋼板端部混凝土受到沖切作用，裂縫首先在鋼板下端混凝土處產生，并形成縱向劈裂縫，裂縫形狀與大小與和橫向鋼筋的數量及位置有關，以混凝土縱向劈裂破壞為標志。砸開混凝土發現，栓釘連接件中受剪方向上栓釘焊縫周圍的混凝土被擠壓成粉末狀，栓釘基本上呈彎斜狀，如同受均布荷載的懸臂梁，或者在跟部焊縫處被剪斷;而帶孔鋼板幾乎沒有變形，其中的圓孔仍為圓孔。

　　宗周紅等[10]進行了栓釘和帶孔鋼板連接件的疲勞和靜載破壞試驗研究，認為：栓釘連接件破壞以栓釘受彎剪破壞或焊縫被剪斷為主，帶孔鋼板連接件以混凝土板縱向劈裂破壞為主;普通混凝土中帶孔鋼板連接件的極限承載力要高于栓釘連接件，鋼纖維混凝土中栓釘連接件的承載力和帶孔鋼板連接件相近，而栓釘連接件在非彈性階段的延性要好于帶孔鋼板連接件;混凝土強度對栓釘連接件的影響要大于帶孔鋼板連接件，橫向鋼筋數量及位置對帶孔鋼板連接件的影響要大于栓釘連接件，疲勞對極限承載力影響不大。

　　4. 結論

　　研究者對PBL剪力鍵的荷載-滑移曲線已經基本達成共識，而對PBL剪力鍵極限承載力公式及影響因素的研究仍存在爭議。

　　鋼-混組合梁板的設計主要包括彎矩、豎向剪力、縱向剪力三種強度的設計，而縱向剪力承載能力對結構的強度、剛度、破壞模式均影響較大。因此，正確預測鋼-混結構縱向剪力承載力是非常重要。雖然在純剪力作用下縱向剪力極限承載力的計算已明確，但在彎剪這種較接近真實情況的作用下極限承載力仍很難精確估計。因此，PBL剪力鍵的極限承載力試驗應在梁式試驗上再進一步作足夠多的研究來比較其與推出試驗的差別;同時，應規范、細化推出試驗標準，以對PBL剪力鍵性能作出統一的評判標準。

　　參考文獻：

　　[1]. 林云與王清遠, PBL剪力連接件力學性能研究進展. 四川建筑科學研究, 2012. 38(5).

　　[2]. 肖林, 李小珍與衛星, PBL剪力鍵靜載力學性能推出試驗研究. 中國鐵道科學, 2010. 31(3).

　　[3]. 劉玉擎等, 開孔鋼板連接件及其在組合結構橋梁中的應用, 第十六屆全國橋梁學術會 議,2004.

　　[4]. 夏嵩等, PBL傳剪器極限承載力的試驗研究. 西南交通大學學報, 2009. 44(2).

　　[5]. 辛學忠與張曄芝, 我國鐵路鋼-混凝土結合梁橋技術發展思考. 橋梁建設, 2007(5).

　　[6]. 張清華, 李喬與唐亮, 橋塔鋼-混凝土結合段剪力鍵破壞機理及極限承載力. 中國公路學 報, 2007. 20(1).

　　[7]. Jeong, Y., H. Kim and H. Koo, Longitudinal shear resistance of steel–concrete composite slabs with perfobond shear connectors. Journal of Constructional Steel Research, 2009. 65(1): p. 81–88.

　　[8]. Oguejiofor, E.C. and M.U. Hosain, Numerical analysis of push-out specimens with perfobond rib connectors. Computers & Structures, 1997. 62(4): p. 617–624.

　　[9]. Vianna, J.D.C., et al., Experimental study of Perfobond shear connectors in composite construction. Journal of Constructional Steel Research, 2013: p. 62–75.

　　[10]. 宗周紅與車惠民, 剪力連接件靜載和疲勞試驗研究. 福州大學學報(自然科學版), 1999. 27(6).

　　[11]. 胡建華, 葉梅新與黃瓊, PBL剪力連接件承載力試驗. 中國公路學報, 2006. 19(6).

　　[12]. 王振海, 李喬與趙燦暉, PBL剪力鍵破壞形態及極限承載力試驗研究. 防災減災工程學報, 2011. 31(5).

　　[13]. 王振海, 趙燦暉與李喬, PBL剪力鍵荷載·滑移關系試驗研究. 西南交通大學學報, 2011. 46(4).

　　[14]. Cândido-Martins, J.P.S., L.F. Costa-Neves and P.C.G.D. Vellasco, Experimental evaluation of the structural response of Perfobond shear connectors. Engineering Structures, 2010. 32(8): p. 1976–1985.

　　[15]Hosaka.T.Study on shear strength and design method of perfobond strip[J].J of Structual Eng,JSCE,2002,48A:1265-1272.