在波纹钢腹板组合箱梁桥结构中，剪力连接件的选择和设计很关键，它将钢材与混凝土两种材料组合起来并使其共同工作^{[1, 2, 3]}。PBL(Perfobond Leiste)剪力连接件的应用非常广泛，除了应用在波纹钢腹板组合箱梁桥中外，还在混合梁结构、桥塔结构、混合拱肋结构和锚定锚固结构等多种结构当中有所应用^{[4, 5, 6, 7]},具有传力连续、路径长、范围大等特点，确保了结构体系的安全可靠^[8]。PBL剪力连接件是在钢翼缘板上焊接竖向钢板，然后在竖向钢板上开孔并在开孔内设置贯穿钢筋而形成的。PBL剪力连接件形式如图 1所示。PBL剪力连接件的主要受力部位位于开孔钢板的周围，浇注混凝土后在开孔内形成混凝土抗剪销，依靠抗剪销来抵抗钢—混凝土间的作用力。PBL剪力连接件主要承担三部分的作用力：一是横向剪力；二是混凝土与钢板间的分离力，主要由混凝土抗剪销承担；三是钢-混凝土间的水平纵向剪力，主要由混凝土抗剪销和开孔内贯穿钢筋承担，受力状态如图 2所示。在组合梁研究应用领域，仍有许多问题亟待解决，而通过试验及从试验得出的经验公式的过程要消耗大量的人力、物力和财力，一些影响参数由于试验条件的限制不能准确得到，需要通过其他的方法实现。有限元分析方法在各个领域都得到了广泛的应用，本文借助推出试验和经验公式的数据来验证有限分析方法在组合梁剪力连接件中应用的可行性。

图 1 PBL剪力连接件 Fig. 1 PBL shear connector

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图 2 PBL剪力连接件受力特点 Fig. 2 Mechanical character of PBL shear connector

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利用有限元软件ANSYS建立某大桥的PBL剪力连接件局部的实体模型，钢筋混凝土结构采用整体式模型^{[9, 10]}。混凝土采用实体单元Solid65模拟，PBL贯穿钢筋和钢板采用实体单元Solid185模拟。为了提高模型计算速度，在保证计算结果精确的前提下，尽可能减少模型的单元数量，并对连接件的不同位置采用不同精度的网格划分。考虑到构件模型和加载的对称性，只建立试验构件一半的模型，仅对PBL贯穿钢筋及其根部附近混凝土进行精密网格划分。结构构件的有限元模型如图 3所示。钢板、混凝土和PBL贯穿钢筋的材料非线性均选用多线性等向硬化模型(Miso)来进行模拟。开孔钢板、混凝土和PBL贯穿钢筋的应力—应变曲线如图 4所示。贯穿钢筋与混凝土之间以及混凝土与钢板之间都采用面面接触方式，采用面接触单元targe170和conta174来进行模拟，定义targe170单元生成在钢结构的表面，定义conta174单元生成在混凝土的表面。在钢板顶面施加的外荷载为均布荷载，并且采用荷载步进行逐级加载。当加载达到极限状态时，混凝土开裂，局部压碎，钢筋达到屈服强度。在模型计算中，打开SOLCONTROL选项，采用默认的收敛准则。

图 3 结构有限元模型示意图 Fig. 3 Schematic diagram of structural finite element model

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图 4 PBL剪力连接件的应力-应变曲线 Fig. 4 Stress-strain curves of PBL shear connector

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PBL剪力连接件的荷载-滑移曲线能够较为直观的反映其承载能力和变形性能，是深入研究组合梁界面上相对滑移分布规律不可缺少的试验依据。在有限元模型的基础上，通过调整混凝土强度等级、钢板开孔直径、贯穿钢筋直径、贯穿钢筋强度和是否设置贯穿钢筋5个影响参数值，绘制PBL剪力连接件的荷载-滑移曲线，分析各个影响参数值对PBL剪力连接件承载能力的影响。

2.1 混凝土强度等级

基本模型M0中取用的混凝土强度等级为C50，现将混凝土强度等级分别调整为C60和C40，分析PBL剪力连接件的受力性能，混凝土强度等级分别为C40,C50和C60的PBL剪力连接件的荷载—滑移曲线如图 5所示。

图 5 不同混凝土等级下的荷载-滑移曲线 Fig. 5 Load-slip curves in different concrete grades

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由图 5可知：相对于混凝土强度等级为C40的PBL剪力连接件，强度等级分别为C50和C60的PBL剪力连接件的极限承载力分别提高6%和14.3%，提高混凝土强度等级能够提高PBL剪力连接件的极限承载力，但极限滑移量的增幅不明显。

2.2 钢板开孔直径

基本模型M0中取用的钢板开孔直径为60 mm，在确保贯穿钢筋直径小于钢板开孔直径的前提下，现将开孔直径分别调整为50 mm和40 mm，开孔直径不能太小，否则会提前出现应力集中现象。分析PBL剪力连接件的受力性能，开孔直径分别为60,50 mm和40 mm的PBL剪力连接件的荷载-滑移曲线如图 6所示。

图 6 不同开孔直径下的荷载-滑移曲线 Fig. 6 Load-slip curves in different hole diameters

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由图 6可知：钢板开孔直径对PBL剪力连接件的极限承载力影响较大。其中，相对于开孔直径为40 mm的剪力连接件，开孔直径分别为50 mm和60 mm 的PBL剪力连接件的极限承载力分别提高25.6%和45.4%。

2.3 贯穿钢筋的直径

基本模型M0中取用的贯穿钢筋直径为16 mm，现将其直径分别调整为20 mm和12 mm，分析PBL剪力连接件的受力性能，贯穿钢筋直径分别为12,16 mm和20 mm的PBL剪力连接件的荷载-滑移曲线如图 7所示。

图 7 不同贯穿钢筋直径下的荷载-滑移曲线 Fig. 7 Load-slip curves in different perforating steel bar diameters

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由图 7可知：相对于贯穿钢筋直径为12 mm的PBL剪力连接件，贯穿钢筋直径分别为16 mm和20 mm 的PBL剪力连接件的极限承载力分别提高19.5%和25%，增大贯穿钢筋的直径也能够使PBL剪力连接件的极限承载力有明显提高。但是贯穿钢筋直径调整到20 mm后，继续增大贯穿钢筋直径，PBL剪力连接件的极限承载力增幅不明显。

2.4 贯穿钢筋强度

基本模型M0中取用的贯穿钢筋屈服强度为345 MPa，现将其调整为400 MPa，分析PBL剪力连接件的受力性能，贯穿钢筋屈服强度分别为345 MPa和400 MPa的PBL剪力连接件的荷载-滑移曲线如图 8所示。

图 8 不同钢筋屈服强度下的荷载-滑移曲线 Fig. 8 Load-slip curves in different steel bar yield strengths

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由图 8可知：改变贯穿钢筋的屈服强度对PBL剪力连接件的极限承载力有较大影响。屈服强度调整到400 MPa后，极限承载力的增幅为14.2%。原因是贯穿钢筋在受力面积不变的条件下，提高自身强度能够增大混凝土抗剪销破坏后的抗剪承载力，从而提高了PBL剪力连接件整体的抗剪能力。

2.5 是否设置贯穿钢筋

基本模型M0中设置直径为16 mm的贯穿钢筋，考虑不设置贯穿钢筋的PBL剪力连接件的抗剪性能，即依靠纯开孔混凝土抗剪销抗剪，分析PBL剪力连接件的受力性能，两者的荷载-滑移曲线如图 9所示。

图 9 有/无贯穿钢筋时的荷载-滑移曲线 Fig. 9 Load-slip curves with/without perforating steel bars

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由图 9可知：有无贯穿钢筋对PBL剪力连接件的极限承载力有较大影响。设置贯穿钢筋后，极限承载力增加14.2%。原因是贯穿钢筋对钢板孔内的混凝土具有一定的约束作用，使混凝土处于三向受压状态，从而提高了混凝土抗剪销的承载力。

3 有限元计算与推出试验和经验公式的结果对比分析

将模型中各项参数下的PBL剪力连接件的极限承载力与推出试验和经验公式的数值进行对比,见表 1和表 2。其中：(1)编号由PBL+字母+数字组成，其中PBL代表PBL剪力连接件有限元模型，字母代表影响参数，数字代表影响参数在基本模型M0的基础上改变后的数值，M0为基本模型；(2)字母“C”表示混凝土强度等级，字母“K”表示钢板开孔直径，字母“Z”表示贯穿钢筋直径，字母“Q”表示贯穿钢筋的材料强度；(3)PBL0代表不设置贯穿钢筋的有限元模型。

目前国际上大多采用推出试验方法来确定剪力连接件的承载力^{[11, 12, 13, 14]}。本次试验按照有限元计算的影响参数配置试件，试验设计为9组，每组包括1个试件。推出试验示意如图 10所示。标准推出试验的4个基本要求为：①试验钢板表面涂刷润滑剂，以消除钢-混凝土界面间的黏结力；②检查连接件材料的屈服强度；③试验所用混凝土强度等级与有限元分析中的混凝土强度等级必须一致；④匀速加载，从开始加载至试件破坏不得少于15 min。在测定试件的前后两个侧面上各布置两个位移计。要测试的内容有：极限承载力和极限承载力对应的相对滑移。将有限元计算结果与推出试验结果进行对比，对比情况如表 1所示。

图 10 标准推出试验示意图 Fig. 10 Standard test schematic diagram

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国内外学者根据推出试验对剪力连接件的受力性能进行研究，得出了可以应用在PBL剪力连接件的经验公式^{[15, 16]},主要包括：Leonhardt公式、Hosaka公式、Nishiumi公式和欧洲规范。将有限元计算结果与各个经验公式计算值进行对比分析，对比情况如表 2所示。

由表 1可知，有限元计算得出的承载力和滑移量都略小于推出试验得出的数值，相应参数下两者的误差均在5%以内。

由表 2可知：由于各推出试验的外在条件和影响因素不同，各个经验公式均会导致得出的计算结果在适用性上有所偏差。通过对比可知，各个经验公式的计算结果与有限元模型计算值都较为吻合，在混凝土强度等级、钢板开孔直径、贯穿钢筋直径、贯穿钢筋强度和是否设置贯穿钢筋5个影响参数方面的误差均在合理范围内。

4 结论

(1)考虑到影响PBL剪力连接件抗剪承载力的主要因素，在有限元模型的基础上，通过调整混凝土强度等级、钢板开孔直径、贯穿钢筋直径、贯穿钢筋强度和是否设置贯穿钢筋5个影响参数值，得到了相应的描述PBL剪力连接件承载力变化的荷载-滑移曲线。其中，钢板开孔直径、是否设置贯穿钢筋和贯穿钢筋强度3个参数对PBL剪力连接件的承载力影响最为明显。

(2)通过将调整各个参数的有限元模型计算结果与推出试验和经验公式的计算结果进行对比分析，得到的有限元计算值与推出试验值和经验公式计算值的误差均在合理的范围内，运用ANSYS对PBL剪力连接件进行有限元分析是可行的，可以辅助推出试验和经验公式对PBL剪力连接件进行研究。