0 引言

随着我国桥梁事业的发展，钢-混凝土组合结构桥梁得到了飞速发展^[1-2]。钢箱-混凝土组合结构^[3]是近年发展出来的一种新型钢-组合结构形式，已被应用于多座桥梁结构中^[4-5]。组合结构中剪力键是保证结构中钢箱与混凝土共同工作的关键受力构件，现最为常用的剪力键形式有栓钉、PBL等。针对钢箱-混凝土组合结构 (图 1)，有研究在PBL (开孔钢板连接件) 的基础^[6-7]上进行针对性的改造后，提出PBH剪力键^[8-9](Perfobond Hoop, 以下简写为PBH)。PBH剪力键的结构为一种带孔加劲肋套箍剪力键，见图 2，位于钢箱顶板，将钢箱顶板上方加劲肋板按照一定间距开孔，而后将箍筋穿过加劲肋的圆孔。与PBL相比，PBH将穿入钢筋与钢筋骨架中的箍筋合二为一，简化了构造及施工，特别适用于类似钢箱-混凝土组合结构中。已有PBH与PBL比较试验研究成果表明^[9]，PBH剪力键的抗剪刚度和抗剪承载力较PBL剪力键有较好表现，由图 3可见，在约0~40%Pu区间，两者曲线基本吻合，之后，二者差异逐渐增大，在相同荷载下，PBL的变形增加速度明显大于PBH。以滑移量1mm为例，PBH的荷载为PBL的1.252倍。PBH是钢箱-混凝土组合压弯结构中适宜的剪力联结构造形式。

在实际工程中，剪力键的传力形式均以多排的传力形式出现，而常规试验一般只研究单个剪力键的受力情况，对多排剪力键传力的研究较少。已有研究表明^[10]多排剪力连接件的荷载传递过程十分复杂，其力学特性和单排剪力连接件存在较大差异，各排剪力连接件间的荷载分配可能存在较大差异。多排剪力连接件中各排剪力连接件间荷载分配的不均匀程度由剪力连接件类型、钢构件及混凝土构件的刚度、钢-混凝土结合段的长度、各排剪力连接件的数目、外荷载大小等多种因素所决定^[11]。

PBH剪力键作为一种新型剪力键，其剪力键群的研究尚待开展。由于多排 (此处的“排”特指垂直于加载方向上的数目，下同) PBH剪力键的传力机制较复杂，为了研究多排PBH剪力键的力学性能，本文开展了2组8个PBH试件的推出试验，研究1~5排情况下PBH的剪力排间效应。

1 试验方案设计 1.1 试件设计

试件设计借鉴欧洲结构协会ECSS推荐的剪力键推出试验的建议尺寸及配筋要求，并充分考虑了目前对PBH键工作性能的研究成果。试件由外包混凝土块、贯穿箍筋、钢箱及肋板、纵向钢筋4部分构成。为了避免试件钢箱受压屈曲破坏，试件钢箱顶、底板均设置加劲肋。

本文试验在分析多排PBH的排间效应影响时，考虑的参数为剪力键排数和排间间距。排数参数设置为1，2，3，4，5排，排间间距设置为75，100，150，300 mm。

试件详细参数见表 1。典型试件构造图见图 4，其余试件构造类似。其中开孔孔径为30 mm，穿入钢筋直径及纵筋直径均为8 mm，钢箱钢板及肋板厚均为8 mm。根据材料试验实测，其中钢板为Q235钢材，屈服强度为242 MPa，极限强度为368.5 MPa，弹性模量为1.67×105 MPa；穿孔钢筋为HRB335，屈服强度为359.6 MPa，极限强度为519.9 MPa，弹性模量为2.06×105 MPa。28 d混凝土立方体抗压强度为29.6 MPa，弹性模量为3.35×104 MPa。

1.2 试验加载方案

以《钢-混凝土组合桥梁设计规范》^[12]的PBL单孔抗剪承载力设计荷载计算值作为加载参考值。计算见式 (1)：

(1)

式中，N_v^c为开孔板连接件的单孔承载力设计值；d₁为开孔直径；d₂为横向贯通钢筋直径；f_td为混凝土轴心抗拉强度设计值；f_vd=0.577f_sd，f_sd为钢筋抗拉强度设计值；α为提高系数，取6.1。

PBH剪力键单排承载力参考计算值为102.5 kN，假定不考虑剪力键中各排的不均匀性，各个试件的承载力按照单排承载力乘以排数确定。加载试验在重庆交通大学结构重点实验室10 000 kN压力试验机上进行。试件加载系统示意图和加载现场如图 5、图 6所示。

加载方案^[14]如下，其中F为承载力计算参考值：

① 加载顺序依次为:0F→0.04F→0.1F→0.14F→0.2F加、卸载3次；

②  0F→0.04F→0.1F→0.14F→0.2F→0.26F→0.32F→0.38F→0.44F→0.5F加、卸载3次；

③ 最后以0.1F为步长加载至试件破坏。

2 试验结果分析 2.1 破坏形态

多排PBH剪力键在加载过程中，出现了以下几种情况破坏形态：

(1) 钢箱与混凝土的界面开裂

钢箱与混凝土这两种材料在加载过程中逐渐变形不协调，二者界面产生可见缝隙, 见图 7(a)，一般在加载初期出现，此后由界面两端向中间延伸，直到贯通。

(2) 局部混凝土劈裂

试件的最终破坏表现为混凝土劈裂破坏。加载中，箍筋上方混凝土受到来自箍筋和榫孔内混凝土的挤压，沿肋边缘薄弱处向试件外缘产生劈裂裂缝，随后裂缝由内向外发展，最终形成贯通裂缝，见图 7(b)。

(3) 穿孔钢筋的局部变形

在极限荷载阶段，变形增加明显加快。剖开试件发现，肋板处穿孔钢筋出现局部弯曲变形，见图 7(c)。

除此以外，图 7(d)所示的试件表面外包混凝土底部压溃和图 7(b)所示的试件顶部角隅碎裂，亦为典型的表观试验现象。本次试验中均为混凝土先于钢结构失效。

2.2 典型荷载-滑移全过程曲线

各试件的荷载-滑移实测曲线如图 8所示，其中滑移为各测点数据采取平均值方法得到的平均荷载滑移。

基于各试件的荷载-滑移曲线特点分析，归纳典型多排PBH剪力键典型荷载-滑移曲线见图 9。多排PBH剪力键典型荷载-滑移曲线可分为3个阶段：弹性阶段 (OA段)、弹塑性阶段 (AB段)、破坏阶段 (BC段)。对应荷载-滑移典型曲线与试验过程中的试验现象，可以发现：试件由弹性阶段过渡到弹塑性阶段时 (A点)，钢箱与混凝土界面发生明显的相对滑移，且随着试件塑性的增大，滑移增大明显加快；待试件发展到极限承载力时 (B点)，局部混凝土出现劈裂；之后，继续增加荷载，穿孔钢筋产生局部变形，滑移持续发展，直至无法承载 (C点)。

2.3 实测承载力

分别定义：弹性承载力P_y为荷载-滑移曲线开始显著倾斜时所对应的荷载值，即试件开始产生塑性滑移时所对应的荷载值；极限承载力P_u为加载过程中荷载峰值；S_o和S_u分别为荷载到达P_y和P_u所对应的滑移值；弹性刚度K_v为试件弹性承载力与其对应荷载滑移量的比值，K_v=P_y/ S_o。

各组试件的试验实测数据见表 2。

2.4 沿剪力方向界面滑移分布

为了研究多排PBH剪力键沿剪力方向的滑移分布，沿试件高度分别设置多个滑移测点，测点位于各试件开孔处对应界面位置，如试件SB5取1，2，3，4，5排开孔处界面的滑移。分别绘制不同荷载等级下各试件界面相对滑移分布，如图 10所示，图中测点位置 (排) 由试件上部向下部排列。

可以看出，剪力键在3~5排的范围内，随着荷载的增大各排滑移值的分布呈现明显的不均，试件两端剪力键的相对滑移明显大于内部剪力键，沿高度方向的滑移呈现“两端大中间小”的分布规律。沿界面滑移的不均匀反映出界面剪应力的不均匀，排间不均匀抗剪将造成承载力排间折减效应。但由于PBH的较强延性，排数较少时，界面剪应力不均匀程度较弱，表现为该不均匀性产生的实测承载力折减效应不显著。但考虑到排数增多时，滑移两头大中间小的现象将愈加明显，其折减效应将愈加显著。

3 多排PBH剪力键力学行为分析 3.1 多排PBH抗剪承载力影响分析

当排数超过1排时，剪力键的排数和排间间距将对剪力键的各项力学行为产生影响，本文称之为排间效应。为分析排间效应，分别考察剪力键排数和排间间距对多排PBH抗剪承载力的影响。其中试件SB1-SB5考察剪力键排数影响，通过比较试件SB2-SB5与SC2-SC5考察排间间距的影响。

图 11为剪力键排数与极限承载力的关系。可以看出，随着剪力键排数的增加，其极限承载力近似线性增大 (图 11中虚线为线性拟合线)，即PBH剪力键的排数与其极限承载力近似呈正比。各个试件的单排平均极限承载力为148~167 kN，图 11可见各排剪力键的纵向折减不明显。

表 3反映的是排间间距对极限承载力的影响。可知，随着排间间距的增大，界面抗剪面积随之增大，极限承载力相应提高。但排间间距与极限承载力不成线性关系, 相较于排数影响，排间间距影响较小。

以上分析表明：多排PBH剪力键的极限承载力主要与剪力键的排数有关，与排间间距相关较小。

3.2 多排PBH极限承载力计算方法

根据已有研究^[14]表明，单排PBH剪力键承载力主要由外包混凝土抗剪作用、混凝土榫抗剪和贯穿钢筋的抗剪作用提供，即由加劲肋加强的混凝土部分+孔内混凝土部分+贯穿钢筋部分＝剪力键承载力。其受力机理和破坏形式与PBL有一定相似性，参考PBL^[15]可以得到单排PBH承载力的公式^[8]：

(2)

在本文2.4节分析基础上，假定P_u和排数成正比，与排间间距无关。将8个试件的剪力键排数与极限承载力的关系绘制成曲线，见图 12，可以看出，该假定在n≤5时，基本合理。5排以内多排PBH剪力键的极限承载力可近似表达为：Q_u=n·Q，式中Q_u为多排PBH剪力键极限承载力；n为剪力键排数；Q为单排PBH剪力键极限承载力。

在本试验和文献[14]的试验数据基础上，采用多元回归分析方法^[13]，得到多排PBH极限承载力的计算公式：

(3)

式中，Q_u为多排PBH剪力键极限承载力；n为剪力键排数，本文n≤5；A_c为混凝土抗剪面积；A_tr为贯穿箍筋截面积；f_s为贯穿箍筋的屈服强度；d为开孔直径，表征钢筋混凝土榫面积；f_c为立方体混凝土压强度。

将实测数据与计算数据对比，见图 13。

由图 13可知，各组试件的计算值与实测值吻合良好。

4 结论

本文通过对PBH剪力键试件进行以排数和排间间距为研究参数的静载推出试验，得到以下结论：

(1) 多排PBH剪力件弹性阶段到弹塑性阶段的试验现象为钢箱与混凝土界面发生明显的相对滑移；弹塑性阶段到破坏阶段的破坏形态为混凝土劈裂破坏，穿孔钢筋受弯屈服。

(2) 当排数不多于5排时，多排PBH剪力键的极限承载力与剪力键的排数近似线性相关，排间间距变化对其影响相对较小。

(3) 多排PBH剪力键沿高度方向的界面滑移呈现“两端大中间小”的分布规律。

(4) 当排数不多于5排时，利用理论分析及经验回归相结合的方式，得到多排PBH剪力键极限承载力半理论半经验计算公式，其计算值与实测值吻合良好。