钢-高强混凝土组合结构中栓钉-PBL组合抗剪连接件的剪切性能研究

《Case Studies in Construction Materials》：Shear behavior of stud-PBL composite shear connectors in steel high-strength concrete composite structures

　　

界面抗剪连接件对于确保钢-高强混凝土组合结构中钢壳与混凝土核心之间的组合作用是至关重要的。现有研究主要集中于单个连接件或栓钉与纵向PBL（Perfobond Rib，开孔钢板连接件）组合的混合体系，这些研究对于常规组合梁是足够的。然而，组合桥塔采用了集栓钉、纵向PBL和横向PBL于一体的三重混合体系，以满足复杂的荷载需求，但该体系的剪切性能在很大程度上仍未被探索。为填补这一空白，本研究对该混合连接体系的剪切性能开展了试验、数值与分析相结合的综合研究。采用C90高强混凝土进行了六次推出试验，以比较有无横向PBL的试件的破坏模式与荷载-滑移响应。结果表明，横向PBL控制破坏模式，并使抗剪承载力提高71.5%。随后开发了一个精细有限元模型，并用于参数分析，以阐明混凝土抗压强度、横向PBL厚度及横向PBL数量对界面剪切行为的影响。通过分别考虑栓钉、纵向PBL和横向PBL的贡献，提出了一个抗剪承载力模型。模型预测结果与试验和数值结果吻合良好，为组合结构中抗剪连接的设计提供了可靠依据。此外，研究人员还提出了混合连接件的荷载-滑移模型，并针对试验数据进行了验证，显示出令人满意的预测精度。

一、研究背景与问题

钢壳-混凝土组合桥塔因其优越的结构性能和施工性能，已成功应用于大跨桥梁中。钢壳与混凝土核心之间的组合作用，关键依赖于界面抗剪连接件的可靠性与性能。在实际工程中，该连接体系通常由栓钉、纵向PBL（Perfobond Rib，开孔钢板）连接件和横向PBL连接件组成，三者共同构成空间传力机制，以维持结构在竖向剪力、弯矩和掀起力等复杂作用下的整体性。

现有研究主要聚焦于单个连接件或栓钉与纵向PBL组合的混合体系，其研究成果已为常规组合梁的设计提供了充分依据。然而，组合桥塔的界面抗剪连接体系更为复杂。在传统设计中，横向PBL通常被认为主要抵抗引起界面法向分离的掀起力，并为核心混凝土提供径向约束，其对竖向抗剪的贡献常被忽略。但已有研究表明，横向PBL的面外抗弯刚度不容忽视。在作者此前的研究中，已通过推出试验考察了孤立横向PBL的面外剪切行为，发现其破坏模式与纵向PBL不同，主要表现为板下混凝土的局部承压破坏。然而，在组合桥塔中，连接体系采用栓钉、纵向PBL和横向PBL三重混合布置，三者共同作用时的综合剪切性能和相互作用机制尚不明确，亟需系统研究。

二、研究内容与结论

针对上述问题，研究人员设计并测试了六组推出试件，以研究C90高强混凝土中由栓钉、纵向PBL和横向PBL组成的组合连接体系的剪切性能。试验结果表明，横向PBL显著提升了连接体系的弹性抗剪刚度（平均提高58.7%）和极限抗剪承载力（平均提高71.5%），但同时也降低了试件的延性。破坏模式分析显示，Z2试件（无横向PBL）以混凝土榫压碎和贯穿钢筋变形为主，而Z2H1试件（含横向PBL）则表现为横向板下混凝土压碎和横向板根部显著弯曲，且纵向与横向PBL均参与了传力。荷载-滑移曲线表明，Z2试件表现出良好的延性，具有明显的屈服平台；而Z2H1试件无明显的屈服平台，峰后荷载快速下降。

随后，研究人员在ABAQUS中建立了精细有限元模型，并利用试验结果进行了验证。基于该模型，开展了参数分析，考察了混凝土抗压强度、横向PBL厚度和横向PBL数量对界面剪切行为的影响。在此基础上，分别考虑栓钉、纵向PBL和横向PBL的贡献，提出了组合连接体系的抗剪承载力模型和荷载-滑移模型。模型预测结果与试验和数值结果均吻合良好，为组合桥塔中抗剪连接的设计提供了可靠的理论基础。

三、关键技术方法

研究人员主要采用了以下关键技术方法：其一，设计了六组推出试验（push-out test），采用C90高强混凝土，通过对比有无横向PBL试件的破坏模式和荷载-滑移响应，揭示横向PBL的作用机制；其二，基于ABAQUS建立了精细有限元模型（finite element model），采用混凝土损伤塑性（CDP）模型模拟混凝土的拉压损伤，并通过对称性取半模型以提高计算效率，模型经试验结果验证后用于参数分析。

四、研究结果

4.1 破坏模式

通过对比Z2和Z2H1试件的代表性裂缝形态和内部破坏模式，研究发现：Z2试件的裂缝区域与纵向PBL宽度对应，内部表现为混凝土榫压碎、贯穿钢筋在板附近发生显著变形；Z2H1试件的裂缝区域与横向PBL宽度对应，裂缝数量更多且主要分布在板下方，内部表现为横向和纵向开孔板附近混凝土严重损伤，横向板根部发生显著弯曲，两种PBL均参与了传力。

4.2 荷载-滑移曲线

通过分析所有试件的荷载-滑移曲线，研究发现：Z2试件响应可分为弹性、屈服前、屈服平台和下降四个阶段，峰后荷载在有限滑移范围内保持恒定，表现出良好的延性；Z2H1试件则无明显的屈服平台，峰后荷载快速下降，这与横向PBL下方混凝土压碎主导的破坏模式一致，也解释了其峰值荷载变异系数较高的原因。

4.3 组合连接件的剪切性能

通过汇总推出试验结果并计算弹性刚度、延性系数等指标，研究发现：与Z2试件相比，Z2H1试件的平均弹性剪切刚度提高了58.7%，平均极限抗剪承载力提高了71.5%，表明横向PBL显著增强了连接体系的刚度和承载力。所有Z2试件的延性系数均大于6，延性良好；而Z2H1试件的延性系数有所降低。进一步分析表明，尽管Z2H1试件的破坏由横向PBL触发，但栓钉和纵向PBL在此时已发挥了大部分组合抗剪承载力，且横向PBL在Z2试件达到峰值荷载后仍持续贡献，证实了三者具有良好的协同工作性能。

4.4 数值模拟

通过建立并验证有限元模型，研究人员开展了参数分析，系统考察了混凝土抗压强度、横向PBL厚度和横向PBL数量对界面剪切行为的影响，为建立抗剪承载力模型提供了数据支撑。

五、讨论与结论

讨论部分指出，横向PBL在传统设计中仅被视为抗掀起构件，但本研究表明其面外抗剪贡献显著，在设计中考虑横向PBL的面外抗剪承载力可以优化组合桥塔中界面连接件的布置。研究结论为：横向PBL控制混合连接体系的破坏模式，并将抗剪承载力提高71.5%；提出的抗剪承载力模型分别考虑了栓钉、纵向PBL和横向PBL的贡献，其预测结果与试验和数值结果吻合良好；提出的荷载-滑移模型同样得到了试验数据的验证，显示出令人满意的预测精度。上述模型为组合桥塔中抗剪连接的设计提供了可靠的理论依据。