超高性能混凝土开孔板连接件抗剪性能研究

超高性能混凝土开孔板连接件抗剪性能研究

摘 要：为探讨混凝土强度对开孔板连接件性能的影响，开展了6个开孔板连接件的插入式试验。通过分析连接件的破坏形态可知，所有的开孔板连接件中的贯穿钢筋均在开孔钢板和混凝土的界面处被剪断。在加载过程中，普通混凝土板出现了明显的表面裂缝，而超高性能混凝土板没有出现裂缝，超高性能混凝土抗裂性能良好。通过分析开孔板连接件的推出试验情况以及荷载—滑移曲线可知，连接件具有良好的延性，超高性能混凝土能显著提高开孔板连接件的承载能力和抗剪刚度。将开孔板连接件的插入式试验数值与其他学者的承载力公式预测的结果进行对比可知，现有研究得到的承载力公式相对保守。选择其中与超高性能混凝土开孔板连接件试验结果吻合良好的承载力公式进行相关的系数修正，提高了公式的计算精度，可以更好地支撑超高性能混凝土开孔板连接件的研究与推广工作。

关键词：桥梁工程;超高性能混凝土;开孔板连接件;抗剪承载力;设计公式;

开孔板连接件(PBL连接件)作为连接钢、混凝土不同材料的关键构件，在组合结构中应用广泛。开孔板连接件由于具有承载高、刚度大、延性好等优势，在钢—混结合段结构内通常被用于传递荷载。传统的结合段中采用的是普通混凝土，已有结合段连接件的研究也多针对普通混凝土进行。采用超高性能混凝土对于改善结合段受力、简化施工具有重要作用，但目前在结合段中采用超高性能混凝土的案例还较少，针对超高性能混凝土连接件的试验研究也较为缺乏，且研究成果不够完善、不够充分。

对于采用普通混凝土的开孔板连接件目前已经有较多研究报道，形成了多项成果。宗周红[1]等通过一组普通混凝土开孔板连接件推出试验，研究得出贯穿钢筋的布置和混凝土强度的变化对开孔板连接件承载力具有一定的影响；张清华[2]等通进行开孔板连接件推出试验，结合理论分析，给出了计算开孔板连接件承载力的公式；肖林[3]等进行了21个开孔板连接件的推出试验，取得了PBL连接件承载力、延性系数等力学性能的系统研究成果；端茂军[4]等研究了超高性能混凝土开孔板连接件中钢筋直径、开孔间距和孔数对其承载力的影响；贺邵华[5]等通过一种数学的方法分析了普通混凝土开孔板连接件的承载能力；WU[6]等设计12个开孔板连接件推出试件，对混凝土强度、箍筋直径和开孔数等影响因素展开研究，并提出了钢纤维高强混凝土连接件承载力设计公式。

但是，目前对结合段中超高性能混凝土开孔板连接件还未形成成熟的设计方法，需要开展连接件试验来考察其抗剪性能，并对现有开孔板连接件承载力公式的适用性进行调研比选，提出适用于本项目参数特征的超高性能混凝土开孔板连接件承载力设计公式。

本文采用欧洲规范(EC4)推荐形式实施插入式推出试验。

混凝土材料的性能指标通过相关的规范由试验获得。在标准养护条件下，超高性能混凝土的抗压强度为118.7 MPa, 普通混凝土的抗压强度为53.3 MPa。

贯穿钢筋的材料为HRB400,其机械性能按照规范取值，选取的直径为25 mm, 长度为500 mm。

开孔板连接件中的开孔钢板试件为Q345b, 开孔钢板长580 mm, 宽230 mm, 板厚为25 mm, 孔径为60mm。试件混凝土内布置直径为16 mm的纵、横分布HRB400钢筋，贯穿钢筋通长布置，不间断。混凝土板的尺寸为500 mm×500 mm×400 mm。具体尺寸布置如图1所示；钢筋的材性参数见表1。

图1 推出试件布置 下载原图

单位：mm

表1 钢筋的材性参数 导出到EXCEL

材料类型

直径/mm

屈服强度/MPa

极限抗拉强度/MPa

HRB400

25

447

669

HRB400

16

452

624

开孔板连接件组装好后，在正式浇筑混凝土之前，开孔钢板上已经反复涂抹几次润滑油，以消除开孔钢板和混凝土之间的黏结作用。因此，在开孔板连接件加载前不需要考虑开孔钢板和混凝土之间的黏结作用。所有的PBL连接件试件的加载均在2 000 kN的通用试验机上进行，试件加载如图2所示。开孔钢板和混凝土板之间的相对滑移用LVDT位移传感器进行测量。开孔板连接件的正式加载符合欧洲规范EC4对推出试验加载建议的规定。首先，对开孔板连接件以5 kN/s的速率施加PBL连接件极限荷载的40%,然后降至极限荷载的5%,这样为一个循环加载，共持续25个循环。然后单调加载，直至试件发生破坏。

图2 推出试验加载装置 下载原图

普通混凝土和超高性能混凝土的PBL连接件的插入式试件共6个(普通混凝土PBL连接件的编号依次为P1-0-1-1、P1-0-1-2、P1-0-1-3,超高性能混凝土PBL连接件的编号依次为P1-1-1-1、P1-1-1-2、P1-1-1-3),在试件加载的初期位移变化较小，荷载变化较大。在超高性能混凝土开孔板连接件的试验中，在连接件达到极限荷载时，贯穿钢筋被剪断，连接件被破坏。在普通混开孔板连接件的试验中，在连接按件达到极限荷载时，连接件中钢筋被剪断或者混凝土榫被压碎，连接件破坏。普通混凝土开孔板连接件中的贯穿钢筋在被剪断后，混凝土板出现了开裂裂缝，此裂缝由混凝土板的底部贯穿到混凝土板的顶部。超高性能混凝土连接件在达到极限状态时，混凝土部分无裂缝，表观并未出现明显变化，如图3所示。

为了降低混凝土强度离散性对试验结果的影响，每种构造的试件均制作3组进行测试。PBL连接件推出试验的荷载—滑移曲线如图4、图5所示。由荷载—滑移曲线可知，同一组的PBL连接件承载力具有较大的离散性。在普通混凝土PBL连接件的试验值中，其中有一个试件的极限承载力远远大于另外两个试件的极限承载力。在超高性能混凝土PBL连接件中，有一个试件加载前期的荷载远远大于另外两个试件的荷载。

图3 开孔板连接件破坏后的状态 下载原图

图4 普通混凝土开孔板连接件荷载—滑移曲线 下载原图

图5 超高性能混凝土开孔板连接件荷载—滑移曲线 下载原图

荷载—滑移曲线分为3个阶段：在弹性阶段，PBL连接件刚度十分大，开孔钢板和混凝土板之间几乎没有滑移，试件中的应力较小，荷载线性增长较快；在塑性阶段，试件中应力逐渐增大，混凝土板中的裂缝逐渐发展，连接件的刚度降低，使得荷载—位移曲线的斜率降低；在屈服强化阶段，荷载—位移曲线的斜率进一步降低。由于普通混凝土强度低，裂缝发展迅速，连接件的刚度迅速降低，连接件达到极限荷载时，当连接件破坏时，荷载—滑移曲线迅速下降。由于超高性能混凝土抗裂性好，钢纤维和混凝土之间黏结性好，并且开孔钢板和钢筋延性好，所以在连接件达到极限荷载之前持续时间很长，当连接件破坏时，荷载—位移曲线迅速下降。

本文的抗剪刚度计算采用郑双杰[7]等提出在相对滑移在0.2 mm所对应的割线斜率为开孔板连接件的抗剪刚度ks计算方法。抗剪刚度具体的计算公式为：

ks=V0.20.2?????????(1)ks=V0.20.2?????????(1)

式中：V0.2为相对滑移0.2 mm所对应的开孔板连接件的剪力。具体的计算结果见表2。

表2 试件参数结果 导出到EXCEL

T试件编号

混凝土类型

屈服位移Sy/mm

极限位移Su/mm

延性系数μ

抗剪刚度kskN?mm?1抗剪刚度kskΝ?mm-1

P1-0-1-1

普通混凝土

1.54

61.00

39.61

192.45

P1-0-1-2

1.80

40.48

22.49

1 588.65

P1-0-1-3

5.13

42.66

8.32

137.50

平均值

2.82

48.05

23.47

164.97

P1-1-1-1

超高性能混凝土

1.10

26.69

24.26

2 483.90

P1-1-1-2

0.69

21.43

31.06

3 619.05

P1-1-1-3

0.47

20.10

42.77

2 480.35

平均值

0.75

22.74

32.70

2 861.10

延性系数：

μ=SuSy?????????(2)μ=SuSy?????????(2)

式中：Su为极限滑移值；Sy为开孔板连接件达到屈服状态的位移。

由表2可知，这6个试件的延性系数均较好。采用超高性能混凝土后，开孔板连接件抗剪刚度显著提高。混凝土的离散性导致普通混凝土PBL连接件中有一个试件的承载力异常过大，因此在计算普通混凝土PBL连接件抗剪刚度及抗剪承载力平均值时，将离散性很大的数值舍去。

由表3可知，在推出试验中，超高性能混凝土PBL连接件的承载力是普通混凝土PBL连接件的1.2倍。因此，提高混凝土的强度等级能够显著地提高PBL连接件的承载力。

表3 推出试验承裁能力及滑移量 导出到EXCEL

试件

试件承载能力/kN

平均值/kN

与平均值比值

最大滑移量/mm

普通混凝土

P1-0-1-1

943.75

725.14

1.30

61.00

P1-0-1-2

666.46

0.92

40.48

P1-0-1-3

783.81

1.08

42.66

超高性能混凝土

P1-1-1-1

818.48

903.18

0.91

26.69

P1-1-1-2

929.31

1.03

21.43

P1-1-1-3

861.78

0.95

20.10

对现有PBL连接件承载力公式进行调研，分析基于常规混凝土PBL连接件提出的计算公式对于超高性能混凝土PBL连接件的适用性，同时也对比既有超高性能混凝土PBL连接件承载力计算公式的精度。梳理对比各经典公式如下。

(1)Hosaka[8]等提出抗剪承载力公式，由贯穿钢筋和混凝土榫组成。

Qu=1.45[(d2?ds2)fc+ds2fy]?26.1?????????(3)Qu=1.45[(d2-ds2)fc+ds2fy]-26.1?????????(3)

式中：Qu为PBL连接件的抗剪承载力，kN;d为开孔直径，mm。

(2)贺邵华[9]等提出的普通混凝土PBL连接件的抗剪承载公式，由开孔钢板和混凝土之间的黏结、混凝土榫和贯穿钢筋构成。

Vu=τbAb+1.06π(D2?ds2)4fcu+2.09πds24fy?????????(4)τb=?0.022fcu+0.306fcu???√?0.573?????????(5)Vu=τbAb+1.06π(D2-ds2)4fcu+2.09πds24fy?????????(4)τb=-0.022fcu+0.306fcu-0.573?????????(5)

式中：τb为钢板和混凝土之间的黏结强度，MPa; Ab为钢板和混凝土之间的接触面积，mm2;D为开孔直径，mm; ds为贯穿钢筋的直径，mm; fcu为混凝土立方体抗压强度，MPa; fy为钢筋的屈服强度，MPa。

(3)贺邵华[10]等提出的超高性能混凝土PBL连接件承载力公式。

Vu=(0.04+0.04VfLfφf)Abfcu???√+(1.06+0.07VfLfφf)π(D2?ds2)4fcu+2.09πds24fy?????????(6)Vu=(0.04+0.04VfLfφf)Abfcu+(1.06+0.07VfLfφf)π(D2-ds2)4fcu+2.09πds24fy?????????(6)

式中：Vf为钢纤维的体积含量，取3.3%; Lf为钢纤维平均长度，选取13 mm; φf为钢纤维的标准化直径，取0.22 mm。

(4)郑双杰[11]等提出的抗剪承载力公式，由混凝土榫和钢筋的贡献组成。

Vu=1.76αA(A-As)fc+1.58Asfy (7)

αA=3.8(As/A)23?????????(8)αA=3.8(As/A)23?????????(8)

式中：As为贯穿钢筋的面积；A为开孔面积；fc为圆柱体抗压强度，fc=0.83 fcu。

(5)Vianna[12]等提出的混凝土的的抗压强度大于30 MPa的开孔板连接件抗剪承载力公式。

qu=31.8+1.9×10?3×(hsctscfck)+0.53×10?3×(Atrfy)?0.6×10?6×(Ascfck???√)?????????(9)qu=31.8+1.9×10-3×(hsctscfck)+0.53×10-3×(Atrfy)-0.6×10-6×(Ascfck)?????????(9)

式中： hsc为开孔钢板连接件的高度，mm; tsc为开孔钢板件的厚度，mm; fck为连接件的圆柱体抗压强度，MPa; Atr为贯穿钢筋的面积，mm2;Asc为混凝土榫横截面面积，mm2;fy为钢筋的屈服强度，MPa。

(6)JSCE[13]提出的抗剪承载力公式。

Vu=1.45[(D2?ds2)fc′+ds2fy]?106.1×103?????????(10)73.2×103<(D2?ds2)fc′+ds2fy<488×103Vu=1.45[(D2-ds2)fc′+ds2fy]-106.1×103?????????(10)73.2×103<(D2-ds2)fc′+ds2fy<488×103

式中：fc′为混凝土圆柱体抗压强度，MPa; 其余符号的含义同上。

(7)Al-Darzi[14]等提出的PBL连接件承载力公式。

Vu=255.31+7.62×10?4hsctscfc′+0.53×10?3Atrfy?0.6×10?6Ascfc′??√?????????(11)Vu=255.31+7.62×10-4hsctscfc′+0.53×10-3Atrfy-0.6×10-6Ascfc′?????????(11)

式中：Asc为混凝土榫的横截面面积；其余符号含义同上。

由于本试验试件消除了开孔钢板和混凝土之间黏结以及端部承压的影响，所以在计算连接件承载力不考虑这两项的影响。开孔板连接件承载力预测值与试验承载力的对比见表4。

通过对上述公式预测的试验值与本文的试验值的对比分析发现，郑双杰等提出的公式与本超高性能混凝土开孔板连接件试验的拟合结果较好，可通过对其提出的承载力公式进行相关系数的修正，提高公式的计算精度。结合本文试验数据对该承载力公式中混凝土部分的计算系数进行修正，提出修正后的超高性能混凝土开孔板连接件抗剪承载力公式如下。

表4 PBL连接件承载力预测值与试验值的比值 导出到EXCEL

试件编号

预测值/试验值

Hosakat

贺邵华

郑双杰

Vianna

JSCE

Al-Darzi

P1-0-1-1

0.71

0.87

0.72

0.19

0.63

0.38

P1-0-1-2

0.83

1.02

0.84

0.22

0.74

0.44

P1-0-1-3

0.59

0.72

0.60

0.15

0.52

0.31

平均值

0.71

0.87

0.72

0.19

0.63

0.38

P1-1-1-1

0.96

0.97

1.01

0.18

0.88

0.38

P1-1-1-2

0.85

0.85

0.89

0.15

0.78

0.34

P1-1-1-3

0.91

0.92

0.96

0.17

0.84

0.36

平均值

0.91

0.91

0.95

0.17

0.83

0.36

Vu=1.92αA(A-As)fc+1.58Asfy (12)

αA=3.8(AsA)23?????????(13)αA=3.8(AsA)23?????????(13)

式中：As为贯穿钢筋的面积；A为开孔面积；fc为圆柱体抗压强度，fc=0.83 fcu。

将本文提出的开孔板连接件承载力公式的计算结果与文中试验结果进行对比，结果吻合良好。具体对比如图6所示。

图6 试验值与计算值的对比 下载原图

本文分析对比了普通混凝土(C55)和超高性能混凝土(UHPC)连接件的插入式试验结果，形成以下结论。

(1)在普通混凝土(C55)和超高性能混凝土(UHPC)推出试验中，均表现出贯穿钢筋被剪断的特征。在贯穿钢筋破坏时，普通混凝土表面出现了明显的裂缝，而超高性能混凝土表面无裂缝且无明显的变化。

(2)使用超高性能混凝土时，开孔板连接件抗剪刚度和承载力都有提高。超高性能混凝土开孔板连接件实测承载力是普通混凝土开孔板连接件的1.2倍左右。

(3)通过既有开孔板连接件承载力公式的对比校核可知，郑双杰等提出的公式计算结果与本文试验结果吻合相对较好。在此基础上修正给出了适用于本项目参数特征的超高性能混凝土开孔板连接承载力计算公式，用于支撑设计。