朱润田 于奇 杜隆基 孔凡磊

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摘 要： 为研究PZ型(puzzle shape)组合销剪力连接件的受力机理，首先设计了3组试件进行推出试验，分析了其极限荷载值和极限滑移量，然后在试验基础上建立了有限元模型，分析了极限荷载时各受力构件的应力、变形和损伤，阐述了组合销剪力连接件的承载机理。研究结果表明，PZ型组合销剪力连接件的极限承载力和极限滑移量与贯穿钢筋和椭圆孔有关。极限荷载时，剪力连接件应力水平较高，钢销下端和椭圆孔上端存在应力集中现象；上层贯穿钢筋同样应力水平较高，存在弯曲变形现象；下层贯穿钢筋应力水平较低，无变形；混凝土销和混凝土榫损伤严重，呈现出由上层贯穿钢筋区域向下层贯穿钢筋区域扩展现象。荷载作用下，混凝土销和混凝土榫承压面发生压缩变形，破坏阶段压缩变形达到最大值后退出工作，荷载值由贯穿钢筋抵抗。

关键词： 剪力连接件;PZ型组合销;受力机理;推出试验;压缩变形;

1 研究背景

在钢混组合结构中，剪力连接件的设计和选择尤为关键，它将钢结构和混凝土结构组合起来，形成一个整体，共同工作[1,2,3]。剪力连接件的主要作用是抵抗纵向剪力和横向剪力，另外还具有防止混凝土结构和钢结构之间掀起的作用[4]。组合结构中使用的剪力连接件种类较多，常用的主要有焊钉、型钢和开孔板剪力连接件[5,6,7]。

焊钉是一种柔性剪力连接件，具有良好的延性。安然等[8]对焊钉连接件在拉剪复合作用下的承载力性能做了研究，提出了拉剪复合作用荷载～滑移关系三折线形计算模型和改进的承载力关系式；赵根田等[9]对重复荷载下焊钉连接件的性能进行了研究，结果表明，焊钉的疲劳现象比较明显，且重复荷载下焊钉的承载力下降，极限滑移量增加；陈玲珠等[10]的研究表明，焊钉连接件存在疲劳性能差，普通钢筋布置受限等问题。

开孔板剪力连接件依靠圆孔中混凝土和贯穿钢筋承受剪力，张门哲等[11]对采用开孔板连接件的组合索塔锚固结构竖向剪力分布与影响因素进行了分析；吴威等[12]对斜拉桥组合索塔锚固区开孔板连接结合部进行了推出试验研究；朱尧于等[13]对组合结构索塔中薄开孔板连接件抗拔性能进行了试验及理论研究。这些研究的结果都表明，开孔板剪力连接件受力性能良好，结构安全可靠；但是由于开孔板连接件是闭口结构，也存在着贯穿钢筋困难等问题。

随着组合结构桥梁的发展，各种异形的组合桥面板不断出现，对剪力连接件功能的需求也不断提高。PZ型(puzzle shape)组合销剪力连接件是一种半开口形式的新型剪力连接件，所以贯穿钢筋施工较容易。薛辉等[14]对PBL与PZ型剪力连接件的抗拉拔性能做了对比试验研究，发现相同条件下，PZ型组合销剪力连接件比PBL剪力连接件的极限抗拉拔承载力高，且抗疲劳性能也好；Lorenc W等[15,16]对19个PZ型剪力连接件进行了推出试验研究，并根据试验结果进行了有限元分析，阐述了失效机理和破坏模式；孔凡磊等[17,18]对另一种形式的组合销剪力连接件进行了试验研究，并在足尺的桥面板上做了抗弯试验，结果表明组合销剪力连接件具有良好的承载力。

为研究PZ型组合销剪力连接件承载力的影响因素及参数敏感性，本文首先设计了3组试件进行推出试验，根据试验结果分析其破坏形态和极限承载力；然后建立了ABAQUS有限元模型，分析组合销剪力连接件极限荷载时各构件的受力状态，明确组合销剪力连接件的承载机理。

2 推出试验

2.1试件设计

参照欧洲规范Eurocode4设计了3组试件进行推出试验，PZ型组合销剪力连接件主要参数见表1;连接件的构造如图1所示。PZ型剪力连接件的长度 L 为300 mm, 销座的高度 h 0为90 mm, 连接件的高度 h 1为144 mm。推出试件尺寸为460 mm×366 mm×700 mm。试件中钢底板厚度为6 mm, 剪力连接件厚度为14 mm, 贯穿钢筋直径为16 mm。试件混凝土表面设置间距为100 mm的钢筋网，钢筋直径均为12 mm。

表1 PZ型连接件试件参数 导出到EXCEL

注：椭圆孔尺寸分别指长半轴 a 和短半轴 b 的长度。

图1 PZ型连接件构造 *载下**原图

本试验不考虑端部承压的影响，所有试件均在剪力连接件下端垫长度为5 cm的泡沫板。所有试件在钢板与混凝土接触面上涂抹黄油，来消除钢板与混凝土之间的黏结作用。混凝土浇筑时，预留混凝土试块，试验前进行混凝土强度的测试，保证混凝土强度大于50 MPa。

2.2加载装置

试验加载装置采用200 t微机控制的电液伺服压力机，试件加载布置如图2所示。试验加载时采用单调加载，正式加载前先进行3次预加载。正式加载采用力和位移双控制加载至破坏，即首先进行力加载，加载速率为2 kN/s; 当加载至约0.8倍极限荷载时，控制系统自动转换为位移加载，加载速率为0.2 mm/min。试件的两侧各放置两个位移传感器，测量剪力连接件与混凝土之间的相对滑移量。加载值和滑移量均通过计算机系统自动采集。试件加载至荷载下降到极限荷载的约70%时停止加载。

图2 试件加载装置 *载下**原图

2.3试验结果

试件的极限荷载值和相应的滑移量见表2。由表2可知，对于单个组合销，试件SP2的极限荷载值比试件SP1高144.5 kN,增大幅度约为50.9%,两者的区别在于有无贯穿钢筋，所以贯穿钢筋可以有效提高组合销连接件的抗剪作用。试件SP2的极限荷载值比试件SP3高95.2 kN,增大幅度约为28.6%,两者的区别在于组合销剪力连接件下端是否开椭圆孔，所以开椭圆孔也可以增加组合销剪力连接件的抗剪作用。但是有研究结果表明[13,14],组合销下端开椭圆孔会减小连接件的刚度，所以设计时应综合考虑。

表2 推出试验结果 导出到EXCEL

对于极限滑移量，试件SP2比SP1高6.43 mm, 可见贯穿钢筋可以明显增加试件的极限滑移量。滑移量越多，说明试件的延性越好，所以贯穿钢筋可以提高试件的延性。贯穿钢筋可以同时增加极限荷载值和极限滑移量，说明贯穿钢筋在剪力连接件中的作用是极其重要的。试件SP2比试件SP1的极限滑移量高2.92 mm, 说明开椭圆孔也可以增加延性。

3 有限元模型

利用有限元软件ABAQUS对推出试件进行有限元模拟，钢筋混凝土结构采用整体式模型[19]。推出试件有限元模型如图3所示。

图3 结构有限元模型 *载下**原图

有限元模型中参数设置如下。

(1)单元类型：

波形钢底板、混凝土结构、组合销剪力连接件和贯穿钢筋均采用C3D8R三维实体单元，普通钢筋采用T3D2三维桁架单元。

(2)边界条件及接触：

贯穿钢筋和混凝土采用Tie约束模拟，普通钢筋和混凝土采用Embedded Region约束模拟，剪力连接件与波形钢板之间采用Tie约束模拟，钢板和混凝土之间采用无摩擦的接触相互作用，其他情况下取摩擦系数为0.5。混凝土底部全部固定，将上部盖板顶面耦合于参考点，然后对参考点进行强制位移加载。

(3)网格划分：

整体单元尺寸取20 mm, 可以减少计算时间；混凝土榫和贯穿钢筋附近局部单元尺寸取5 mm, 可以准确模拟试件的力学行为；网格划分方法采用网格划分技术为Sweep, Algorithm。

(4)材料本构关系：

混凝土受压和受拉应力～应变曲线如图4(a)所示，其中混凝土受压曲线由3部分组成，计算公式为：

σc=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪εcEc(kn−n21+(k−2)n)fckfck−fck−rfckαεcp−εcp(εc−εcp)εc≤0.4fck/Ec0.4fck/Ec≤εc≤εcpεcp≤εc≤αεcp         (1)σc={εcEcεc≤0.4fck/Ec(kn-n21+(k-2)n)fck0.4fck/Ec≤εc≤εcpfck-fck-rfckαεcp-εcp(εc-εcp)εcp≤εc≤αεcp         (1)

式中： Ec 为混凝土弹性模量； fck 为混凝土轴心抗压强度； k 为塑性常数； n 为应变与峰值应变的比值； r 为换算系数； α 为混凝土极限应变与峰值应变的比值。

混凝土受拉曲线由两部分组成，计算公式为：

σc={εcEcft−ft(β−1)εt(εc−εck)εc≤εckεc≥εck         (2)σc={εcEcεc≤εckft-ft(β-1)εt(εc-εck)εc≥εck         (2)

式中： ft 为混凝土的抗拉强度设计值； β 为混凝土拉伸应变系数。

钢材受拉应力～应变曲线如图4(b)所示，受拉曲线由两部分组成，计算公式为：

σs=⎧⎩⎨⎪⎪Esεsfy,r+k(εs−εy)0 εs≤εyεy<εs<εuεs>εu         (3)σs={Esεsfy,r+k(εs-εy)0 εs≤εyεy<εs<εuεs>εu         (3)

式中： Es 为钢材的弹性模量； fy , r 为钢筋屈服强度代表值； fst , r 为钢筋极限强度代表值； k 为钢筋硬化斜率。

图4 材料本构关系 *载下**原图

4 受力分析

PZ 型组合销剪力连接件受力复杂，加载过程中各构件处于大应变和高度非线性的状态。试验中，内部构件的受力和变形难以测量。以试验为基础建立了有限元模型，对试件处于极限荷载时剪力连接件、贯穿钢筋和混凝土销的应力和变形进行分析。

4.1剪力连接件

极限荷载时，剪力连接件的 Mises 应力如图5所示。

图5 剪力连接件Mises应力 *载下**原图

由图5可知，极限荷载时， PZ 型组合销剪力连接件 Mises 应力水平较高。受力一侧的钢销下端和椭圆孔上端应力值已经达到492 MPa ,超过了钢材的屈服强度，因此该区域为应力集中区。

荷载作用时，剪力连接件处于拉、压受力状态。根据 Mises 应力云图，呈现出钢销下部和椭圆孔上部受力大的分布规律，并且钢销下部应力水平更高，屈服面积也更大，说明钢销下部承受荷载的部分更大。应力范围呈现出由钢销下部斜向上穿过椭圆孔一直延伸至左上部的规律，因此椭圆孔虽然会提高极限承载力，但也会降低其刚度。这也与已有研究相符合。

荷载作用首先作用在剪力连接件的钢销，然后通过下部钢销传递给下方混凝土销。由于剪力连接件与混凝土产生相对滑移，上部钢销与混凝土逐渐分离，因此上部钢销应力水平较低。

极限荷载时，组合销剪力连接件的钢销和椭圆孔均无明显变形，说明该类型的剪力连接件抗剪刚度较大。

4.2贯穿钢筋

极限荷载时，贯穿钢筋的 Mises 应力如图6所示。

图6 贯穿钢筋Mises应力 *载下**原图

由图6可知，极限荷载时，上层贯穿钢筋 Mises 应力水平较高，部分区域已达到488 MPa ,超过钢筋的屈服强度，且发生较大的变形，变形位置为贯穿钢筋的中部。与上层贯穿钢筋相比，下层贯穿钢筋 Mises 应力水平较低，也未发生屈服变形，并且受力范围也较小。

荷载作用时，贯穿钢筋处于弯、剪受力状态，以受弯为主。根据 Mises 应力云图，呈现出中间和弯起位置高的分布规律，并且上表面的拉应变大于下表面的压应变。极限荷载时，钢销与上层贯穿钢筋中间的混凝土被压碎，逐渐退出工作；上层贯穿钢筋被挤压到钢销边，承受钢销传递来的荷载，逐渐弯曲变形；下层贯穿钢筋仅承担较小的荷载，主要提供销栓作用。

4.3混凝土销和混凝土榫

极限荷载时，混凝土销和椭圆孔中混凝土榫的损伤如图7所示。

图7 混凝土损伤 *载下**原图

由图7可知，极限荷载时，混凝土销上部损伤严重，呈现出由上层贯穿钢筋位置斜向下发展的规律，下层贯穿钢筋出混凝土损伤相对较小。椭圆孔中混凝土榫同样损伤严重。

极限荷载时，混凝土销和混凝土榫已被双面剪切断，且上部承压部分被压碎，退出工作，荷载主要依靠贯穿钢筋与混凝土板相连传递。

混凝土销和混凝土榫荷载作用下产生的裂纹发展至钢混结合面，并扩展到混凝土板中，混凝土板中的裂纹继续向外发展直到混凝土板表面，最后形成贯通裂缝。

5 承载机理分析

PZ 型组合销剪力连接件中主要的传力构件为钢销、混凝土销、混凝土榫和贯穿钢筋，其受力示意如图 8 所示。

由图 8 可知，荷载由 PZ 型组合销剪力连接件的钢销和椭圆孔传递给混凝土销和混凝土榫，混凝土销和贯穿钢筋与钢销、混凝土榫与椭圆孔产生剪切作用，通过剪切作用将荷载传递给周围的混凝土板中。

混凝土销和混凝土榫除提够抗剪作用外，还具有剪胀作用，产生剪力连接件法线方向上的剪胀力，引起混凝土销和混凝土榫的开裂。上层贯穿钢筋主要起到承受荷载的作用，弯曲力较大，剪力相对较小；下层贯穿钢筋主要起销栓作用，对周围的混凝土形成约束，增加强度。

图8 PZ型组合销剪力连接件受力示意 *载下**原图

混凝土销和混凝土榫承受钢销和椭圆孔传递来的荷载后会产生压缩变形，其变形示意如图 9 所示。

图9 混凝土销和混凝土榫变形示意 *载下**原图

荷载较小时， PZ 型组合销剪力连接件处于弹性阶段，混凝土销和混凝土榫承压面在荷载的作用下产生较小的压缩变形；此时，贯穿钢筋基本无变化。随着荷载增加，进入塑性阶段后，混凝土销和混凝土榫的变形增大，上层贯穿钢筋开始发挥抗剪作用，产生变形，下层贯穿钢筋约束周围混凝土，基本无变形。荷载继续增加后，进入破坏阶段，此时混凝土销和混凝土榫被双面剪切断，变形达到最大值，贯穿钢筋的变形会一直增加，直至试件破坏。

组合销的结构特性如图 10 所示，图中区域 A 为钢材和混凝土直接的黏结摩擦力，区域 B 为钢—混结合面的压缩，区域 C 为混凝土双截面剪切，区域 D 为钢销的横向加强作用，区域 E 为混凝土榫中贯穿钢筋的阻挡效应。

图10 典型荷载～滑移特性 *载下**原图

静力荷载过程中，组合销剪力连接件经历了 3 个过程：①组合销剪力连接件处于线弹性阶段关系，并且在混凝土翼缘板的情况下，它和组合销上方的混凝土中的第一裂缝直接相关；随着裂纹的推进，组合销的承载能力进入荷载范围②,最后进入荷载范围③;③代表后裂纹范围，其特征在于载荷滑移曲线处以水平或者降低的趋势。当钢失效或带贯穿钢筋的混凝土剪切失效的情况下，结构具有较强的延性；而在无贯穿钢筋的混凝土剪切失效的情况下，荷载～滑移曲线会出现明显的突变。

6结语

在推出试验的基础上，结合有限元数值模拟，对 PZ 型组合销剪力连接件受力机理进行分析，得到以下结论。

( 1 )推出试验结果表明，贯穿钢筋和椭圆孔可以提高 PZ 型组合销剪力连接件的极限承载力和极限滑移量，提高试件的延性。

( 2 )有限元数值模拟结果表明，极限荷载时，剪力连接件和上层贯穿钢筋均处于较高应力水平，下层贯穿钢筋应力水平相对较低；钢销下部和贯穿钢筋中部为应力集中区；混凝土销和混凝土榫损伤严重，已退出工作，荷载主要由贯穿钢筋抵抗。

( 3 )混凝土销和混凝土榫承压面在荷载的作用下会产生压缩变形，上层贯穿钢筋抵抗荷载同样产生变形，下层贯穿钢筋提供销栓作用，约束混凝土基本无变形。

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