肖 林，廖 軒，衛(wèi) 星，陳 飛

(西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

PBL剪力鍵是鋼-混組合橋梁中使用的主要剪力連接件形式之一，因彈性受力階段剛度大，塑性受力階段延性好的特點被廣泛應用于大跨度混合橋梁的鋼-混結合段中[1-3]。影響PBL剪力鍵力學性能的因素較多，其中混凝土的材料特性是關鍵因素之一[4-5]。近年來，UHPC因其高抗壓強度、高韌性、高耐久性等特點在鋼-混組合橋梁中的應用方興未艾，將PBL剪力鍵與UPHC配合使用有望進一步提高其力學性能。

目前學術界開展了HPC中PBL剪力鍵的力學性能研究[6-8]，通過推出試驗探索了現(xiàn)澆HPC橋面板中PBL剪力鍵的力學性能和破壞形態(tài)，分析了鋼板開孔直徑、貫穿鋼筋直徑等構造參數(shù)對剪力鍵性能的影響。關于UHPC中PBL剪力鍵的少量研究也集中在UHPC橋面板中PBL剪力鍵的力學行為上[9-10]，通過一定數(shù)量的推出試驗研究了剪力鍵構造參數(shù)、鋼混界面黏結、鋼纖維含量以及橫向鋼筋對剪力鍵力學行為的影響。既有研究成果加強了對于橋面板中淺埋PBL剪力鍵力學性能的認識，但尚不足以用于指導UHPC橋面板中PBL剪力鍵的設計。而PBL剪力鍵良好的抗剪剛度與承載力使得其更適用于混合橋梁中的鋼-混結合段中，在鋼-混結合段中的PBL剪力鍵的力學行為可能與橋面板中淺埋剪力鍵存在差異[11]，但目前對深埋UHPC中PBL剪力鍵的相關研究尚處于空白。

本文通過兩組推出試驗研究了UHPC中PBL剪力鍵的破壞模式、荷載-滑移曲線、應變發(fā)展等行為，并分析了其承載力、抗剪剛度等力學性能，評估了既有PBL剪力鍵的承載力計算公式的適用性。

1 推出試驗方案

1.1 試驗模型設計

考慮到鋼-混結合段中PBL剪力鍵的受力特征與標準推出試驗不完全一致[12-13]，且為便于與以往研究結果對比[10-12]，本文推出試驗采用“三明治”構造，見圖1。

圖1 UHPC-PBL剪力鍵推出試驗構造

兩組試件中，UPT1試件包含1個PBL剪力鍵，UPT6試件包含6個PBL剪力鍵。試件構造參數(shù)見表1，模型尺寸見圖2。

表1 推出試件規(guī)格表

圖2 試驗模型

模型中開孔鋼板材質為Q345qB，普通鋼筋、貫穿鋼筋材質采用HRB335?；炷翞樯逃肬HPC-120，通過試驗測得其立方體抗壓強度為127.2 MPa，抗拉強度為6.5 MPa，彈性模量為42 319 MPa。

1.2 加載、測試方案

對每個試件分別進行設計承載力、極限承載力兩種工況的加載試驗。

加載前需要確定試件的理論承載力值，以便設置合理的加載等級。文獻[14]在總結國內外試驗研究成果的基礎上給出了開孔板連接件的承載力設計值計算式，較全面地考慮了剪力鍵承載力的影響因素，并且留有一定的安全儲備。本文采用該公式計算試件設計承載力F。

每個試件在加載前均以0.2F進行3次預加載，每次持荷5 min，以消除開孔鋼板與UHPC間的界面黏結力。

設計承載力加載工況中，采用荷載控制分級加載，每級荷載增量20 kN，持荷5 min，加載至設計承載力F后按50 kN分級卸載。

極限承載力加載工況中，先以20 kN荷載增量分級加載至設計承載力F，然后采用位移控制加載至試件破壞。各級位移增量為0.2 mm，加載速率為0.2 mm/min，每級持荷載5 min或直至結構響應穩(wěn)定。

測點布置見圖3。試驗測試內容主要包括試件承載力、鋼-UHPC相對滑移、貫穿鋼筋應力以及UHPC的應力。試件承載力由壓力機自帶壓力傳感器獲取；采用千分表測量焊接在開孔鋼板兩側的相對變形鋼筋與混凝土塊的豎向位移，獲得剪力鍵的相對滑移；貫穿鋼筋與UHPC應力采用應變片測試，其中貫穿鋼筋應力測點位于其中心點左右兩側各32 mm處，在每根貫穿鋼筋上左右、上下對稱布置4個測點。

圖3 應力與相對滑移測點布置

2 推出試驗結果

2.1 試件破壞過程與破壞形態(tài)

試件表面破壞形態(tài)見圖4。由圖4(a)可見，加載時裂縫首先出現(xiàn)在UHPC塊外側中部；隨著荷載增加，裂縫以不同發(fā)展速率分別向上、下延伸，裂紋寬度逐漸擴大，鋼纖維從UHPC中被拔出或拉斷，但未出現(xiàn)新的裂縫，期間鋼與UHPC相對滑移持續(xù)穩(wěn)定增長。試件加載后期，相對滑移快速增加，試件表現(xiàn)出良好的延性。最終破壞形態(tài)為貫穿鋼筋剪斷，而UHPC除外側豎向裂縫外，其余部分完好，能對剪力鍵形成有效的包裹作用。

由圖4(b)可見，對于多剪力鍵的UPT6試件，UHPC表面裂縫寬度更小，裂縫發(fā)展更為緩慢。在加載后期，第1排剪力鍵首先被剪斷，此時第2、3排剪力鍵仍能繼續(xù)承載。

圖4 試件表面破壞形態(tài)

加載完成后沿垂直方向切開已破壞的試件，觀察其內部破壞形態(tài)，發(fā)現(xiàn)孔內貫穿鋼筋上部的UHPC榫被壓碎成白色粉末，下部有少量UHPC榫從界面剝落，但貫穿鋼筋基本位于鋼板孔洞中間，孔內UHPC未發(fā)生塑性流動。孔洞內混凝土的破壞情況見圖5。

圖5 開孔鋼板孔洞內混凝土榫破壞形態(tài)

試件破壞后開孔鋼板的兩組試件的開孔鋼板均保持完好，孔壁均未發(fā)生變形。

貫穿鋼筋被剪斷后的變形形態(tài)見圖6。由圖6可知，UPT1中貫穿鋼筋的彎曲變形很小，在鋼板與UHPC界面處有較大的剪切變形，其破壞模式以剪切破壞為主；UPT6中貫穿鋼筋發(fā)生一定程度的彎曲變形，且斷口附近出現(xiàn)明顯頸縮現(xiàn)象，破壞模式為拉剪破壞。

圖6 試件破壞后的貫穿鋼筋形態(tài)

PBL剪力鍵的傳力與破壞機理見圖7。由圖7可知，混凝土榫受到鋼板，貫穿鋼筋以及周圍混凝土的約束限制，所形成的三軸壓縮區(qū)將開孔鋼板上的荷載擴散至貫穿鋼筋的彎曲區(qū)域。

圖7 PBL剪力鍵的傳力與破壞機理

普通混凝土中的PBL剪力鍵失效時，由于混凝土強度相對鋼材低，混凝土榫易被壓碎并在剪力鍵核心受力區(qū)發(fā)生塑性流動，導致貫穿鋼筋被擠到開孔鋼板邊緣與鋼板接觸，若貫穿鋼筋直徑較小則可能被開孔鋼板剪斷，若開孔鋼板較薄則有可能被貫穿鋼筋撕裂[11]。當發(fā)生貫穿鋼筋被剪斷時，鋼筋往往會產生明顯的彎曲變形。

UHPC強度高、彈性模量大，在剪力鍵破壞時，UHPC榫壓碎區(qū)域相對較小，鋼筋受彎曲域變小，荷載更加集中，從而導致貫穿鋼筋彎曲變形較小。由于鋼纖維的橋接作用，被壓碎的UHPC仍能有效包裹貫穿鋼筋，將開孔鋼板上的荷載分散至貫穿鋼筋，最終貫穿鋼筋被剪斷。

2.2 荷載-應變曲線

圖8 應力測點布置

圖9 貫穿鋼筋荷載-應變曲線

由圖8可知，貫穿鋼筋中應變片沿鋼筋軸向布置，以監(jiān)測貫穿鋼筋發(fā)生軸向變形或彎曲變形時的應力狀態(tài)。由圖9可知，在UPT1試件的加載初期，貫穿鋼筋基本無應變，表明此時貫穿鋼筋保持平直狀態(tài)，主要是UHPC榫承擔荷載；隨著荷載增加UHPC榫逐步失效，在孔內的貫穿鋼筋開始發(fā)生彎曲、剪切變形；當UHPC榫剪斷后，原本由UHPC榫承擔的荷載轉由貫穿鋼筋分擔，貫穿鋼筋受力類似于支撐在兩端UHPC塊上并承受開孔鋼板集中荷載的彈性地基梁，加載點處的彎曲應變持續(xù)增大。對于UPT6試件，第一排剪力鍵承擔荷載最大，其貫穿鋼筋的應變發(fā)展最快，第二排剪力鍵次之、第三排最小。

2.3 荷載-滑移曲線

各試件的荷載滑移曲線見圖10。由圖10可知，剪力鍵的受力過程可分為彈性階段、彈塑性階段、屈服階段。在彈性階段，同組試件的荷載-滑移曲線非常接近，其他階段各試件試驗結果的離散性較小。由于UHPC無粗骨料，材料性能較為均勻，作為PBL剪力鍵主要傳力構造的UHPC榫力學性能較穩(wěn)定，因此同組試件剪力鍵的力學性能差異較小。

圖10 荷載-滑移曲線

在彈性階段UHPC榫尚未發(fā)生剪切破壞，試件主要依靠UHPC榫與貫穿鋼筋共同傳遞剪力，抗剪剛度較大；隨著荷載增加，UHPC榫內產生剪切裂縫，剪力鍵進入彈塑性階段，試件抗剪剛度降低；UHPC榫被剪斷后試件進入屈服階段，UHPC榫所承擔的荷載轉由貫穿鋼筋承載，剪力鍵相對滑移量迅速增加，剛度明顯下降。UPT1與UPT6兩組試件的極限滑移量比較接近，均在16 mm左右，并表現(xiàn)出較強的延性。UPT6的極限承載力約為UPT1的2.6倍。

UPT6試件使用了3排6個PBL剪力鍵，各排剪力鍵的相對滑移曲線比較見圖11。由圖11可知，承載時自上往下第一排剪力鍵滑移量最大、第二排次之、第三排最小，假定各排剪力鍵剛度相同，則第一排剪力鍵承擔的荷載最大、第三排剪力鍵承擔的荷載最小。

圖11 UPT6各排剪力鍵的荷載-滑移曲線

2.4 荷載、滑移與應變的關系

加載過程中剪力鍵的荷載、滑移與貫穿鋼筋應變的關系見圖12，圖12中UPT6取其第一排剪力鍵中貫穿鋼筋的應變。由圖14可知，在加載初期，貫穿鋼筋應變增長滯后于相對滑移，進一步說明在加載初期UHPC榫的變形是造成相對滑移的主要原因。

圖12 荷載與相對滑移、貫穿鋼筋應變曲線

剪力鍵的相對滑移與貫穿鋼筋應變的關系曲線見圖13。由圖13可見，當相對滑移量小于0.2 mm時，兩組試件貫穿鋼筋的應變基本保持不變或增長緩慢，此時主要是UHPC榫承擔荷載。隨著荷載增加，UHPC榫失效后貫穿鋼筋成為承擔荷載的主要構件。

圖13 滑移與貫穿鋼筋應變曲線

從剪力鍵試件的微觀行為(構件應力狀態(tài))中可發(fā)現(xiàn)：剪力鍵初期的承載能力與滑移能力主要體現(xiàn)在UHPC榫的抗剪切能力與變形能力上；隨著UHPC榫剪切裂縫的產生，貫穿鋼筋逐步承擔更多荷載，成為主要受力構件；發(fā)生剪切破壞的UHPC榫主要起到包裹鋼筋、分散傳力的作用，剪力鍵的極限承載力則主要由貫穿鋼筋的抗剪能力決定，鋼筋下方的UHPC塊提供一定剛度的支撐作用。

馬略卡島(Mallorca)位于地中海，面積3640平方公里(南北75公里、東西100公里)，馬略卡島首府帕爾馬。馬略卡島上到處是砂質的海灘、陡峭的懸崖、種植著橄欖或是杏樹的田野等自然風光。

3 UHPC中PBL剪力鍵的力學性能

3.1 評定指標

為研究PBL剪力鍵在UHPC和普通混凝土中的性能差異，取文獻[15]中的試驗數(shù)據(jù)進行對比，樣本參數(shù)見表2。

表2 推出試件參數(shù)表

關于PBL剪力鍵的設計承載力PRd，各研究學者有提出不同的計算方法[16-18]，但在適用性上有區(qū)別，文獻[15]中提出一種既考慮PBL剪力鍵的變形又從宏觀上考慮剪力鍵受力狀態(tài)的方法，即將PBL剪力鍵的荷載-滑移曲線通過線性擬合的方式來確定正常使用階段狀態(tài)，當線性擬合的系數(shù)足夠高時，則將該曲線段的最大荷載作為剪力鍵的設計承載力PRd。這種方法比較符合UHPC中PBL剪力鍵的實際工作狀態(tài)，因此采取該方法擬合確定剪力鍵的設計承載力。擬合結果見圖14，圖14中的擬合系數(shù)均大于0.9。

圖14 設計承載力線性擬合結果

本文中剪力鍵的抗剪剛度取為荷載-滑移曲線中正常使用階段的割線斜率Ks為

Ks=PRd/δRd

( 1 )

式中：δRd為設計承載力對應的相對滑移量。

剪力鍵的延性系數(shù)Dc是其變形能力的體現(xiàn)，Dc計算式為

Dc=δu/δRd

( 2 )

式中：δu為剪力鍵破壞時的極限滑移量。

3.2 PBL剪力鍵的靜力性能指標對比

各組試件的靜力性能指標試驗結果見表3，表3中數(shù)據(jù)均為同組試件的平均值。由表3可知，UPT試件的極限承載力、設計承載力、設計滑移量以及抗剪剛度都優(yōu)于PT試件，而PT25的延性系數(shù)要優(yōu)于UPT1。

表3 PBL剪力鍵的靜力性能指標

下面對兩類混凝土試件的主要力學性能指標進行對比分析。

3.2.1 設計承載力

PT25、PT25M試件的設計承載力分別為UPT1、UPT6試件的59%、76%，兩者除混凝土材料不同以外，PT試件的貫穿鋼筋直徑更大，說明在正常使用階段內，混凝土強度是影響PBL剪力鍵設計承載力的主要因素，UHPC可顯著提高PBL剪力鍵的設計承載力。UPT6、PT25M試件的單鍵設計承載力分別為UPT1、PT25試件的44%、56%，說明在正常使用階段，UHPC中剪力鍵之間受力的不均勻程度較普通混凝土中更高。

3.2.2 極限承載力

各組試件的平均單鍵極限承載力大小排序為：UPT1>PT25>UPT6>PT25M，UPT1試件的極限承載力為PT25的1.98倍，UPT6試件的極限承載力為PT25M的1.47倍，可見UHPC可顯著提高PBL剪力鍵的極限承載力。UPT1試件的極限承載力為UPT6試件的2.25倍，而PT25的極限承載力為PT25M的1.67倍，說明UHPC中各剪力鍵受力更不均衡。

3.2.3 抗剪剛度

在正常使用階段，孔內混凝土強度和貫穿鋼筋直徑共同決定了剪力鍵的抗剪能力。PT25、PT25M試件的抗剪剛度分別小于UPT1、UPT6試件，且PT25試件的抗剪剛度僅為UPT1試件的60.35%，可見UHPC能顯著提高PBL剪力鍵的抗剪剛度。UPT6試件中貫穿鋼筋截面面積僅占PT25M試件中的64%，但UPT6試件的抗剪剛度是PT25M試件的1.14倍，說明UHPC的高強特性可彌補貫穿鋼筋直徑較小所導致的剪力鍵抗剪剛度不足。

3.2.4 延性系數(shù)

剪力鍵延性系數(shù)是極限滑移量與設計滑移量的比值，主要體現(xiàn)其變形能力。由表3可知，各剪力鍵的設計滑移量相差不大，但極限滑移量相差較大。PBL剪力鍵塑性階段的變形主要來源于：①混凝土榫被壓碎后在貫穿鋼筋擠壓下發(fā)生的塑性流動;②貫穿鋼筋的彎曲與剪切變形[4]。由于UHPC中鋼纖維的橋接作用，在破壞時未發(fā)生塑性流動；一般來說貫穿鋼筋直徑越小越易彎曲變形，但由于UHPC對貫穿鋼筋較強的支撐作用，使得貫穿鋼筋破壞時以剪切變形為主。以上原因使得UPT1的極限滑移量遠小于貫穿鋼筋直徑更大的PT25試件。對于群孔PBL剪力鍵，由于其滑移量取多個剪力鍵平均值，以此計算的延性系數(shù)不宜用于評估剪力鍵的延性。綜合說來UHPC中PBL剪力鍵的延性有所降低。

4 既有承載力計算式的適用性

通過試驗建立剪力鍵的結構參數(shù)與承載力之間的關系，可以使實際工程只根據(jù)剪力鍵的結構參數(shù)就能計算得到較精確的承載力，目前各國規(guī)范和一些研究學者均給出了PBL剪力鍵承載力的計算公式，見表4，參考各類公式計算得到承載力理論值與試驗值的對比見表5。

表4 PBL剪力鍵的承載力計算公式

表5 PBL剪力鍵的承載力值對比 kN

對于UHPC中PBL剪力鍵的極限承載力，文獻[17]、文獻[18]以及文獻[13]所得的承載力計算值均比試驗值小，但文獻[18]的計算結果相對試驗值過于保守，文獻[17]、文獻[13]規(guī)范得到的計算值與試驗值接近。對于設計承載力，文獻[14]所得的承載力計算值比試驗值高，文獻[14]的計算結果比試驗值小且較為接近，因此UHPC中的PBL剪力鍵承載力設計值可偏安全地按計算式PRd=[β1ξ(t/D)Acfc+β2Atrfy]/γv得到，其中，γv為安全系數(shù)，推薦取1.1。

目前各類公式以影響系數(shù)來表示貫穿鋼筋和混凝土榫兩者對剪力鍵承載能力的作用，相比普通混凝土，UHPC由于其優(yōu)異的力學特性使得埋入其中的剪力鍵承載能力大大提高，此時孔內混凝土榫、貫穿鋼筋對剪力鍵承載力的貢獻發(fā)生改變，建議進行更多的試驗研究并對相應公式的系數(shù)做出調整。同時，UHPC更高的彈性模量導致PBL剪力鍵群的受力分配更不均勻，對于集簇布置的PBL剪力鍵，其承載力折減系數(shù)尚待更深入研究。

5 結論

本文進行了兩組UHPC中PBL剪力鍵試件的推出試驗，并與普通混凝土中的PBL剪力鍵進行了對比研究了UHPC中PBL剪力鍵的力學性能，并探討了現(xiàn)有PBL剪力鍵承載力計算公式的適用性。研究發(fā)現(xiàn)：

(1)UHPC中PBL剪力鍵的破壞模式為貫穿鋼筋的剪切破壞，鋼板開孔內UHPC壓碎但無塑性流動，UHPC壓碎區(qū)較小，破壞時貫穿鋼筋基本位于孔洞中間，荷載-滑移曲線可分為彈性階段、彈塑性階段、屈服階段。

(2)UHPC中PBL剪力鍵的力學性能更加穩(wěn)定，在相似構造及結構參數(shù)條件下，UHPC較普通混凝土可提高PBL剪力鍵的設計承載力30%以上，極限承載力50%以上，抗剪剛度60%以上，但延性有所降低。

(3)現(xiàn)有規(guī)范或研究成果用于計算對UHPC中PBL剪力鍵的極限承載力偏于保守，公路規(guī)范得到的設計承載力偏大，UHPC中PBL剪力鍵單孔設計承載力可參考文獻[15]中的計算式計算，但對于集簇布置的PBL剪力鍵，其承載力折減系數(shù)尚需深入研究。