PBL剪力键疲劳性能及其影响因素试验研究

Through carrying out fatigue push-out tests and residual ultimate bearing capacity tests on groups of different type of designed composite test specimens with PBL shear connectors, the following issues will be investigated: fracture mechanism and failure mode of PBL shear connectors under fatigue load, the influence of different factors on the fatigue performance of PBL shear connectors, such as fatigue load amplitude, concrete strength, diameter of perfobonded rebar, diameter and arrangement of holes in the steel girder and stirrup reinforcement ratio,etc.,the influence of fatigue load on the residual ultimate bearing capacity of composite test specimens with PBL shear connectors.Then, the primary and secondary influence factors of the fatigue performance of PBL shear connectors will be acquired respectively. On that basis, taking the slip between steel girder and concrete slab, concrete crack and plastic deformation of the perforbonded rebar into consideration, the influence of the above mentioned factors on the bearing capacity of PBL shear connectors will be investugated further through 3D nonlinear finite element analysis(FEA), the controlling parameters of fatigue bearing capacity of PBL shear connectors will be affirmed and reasonable value range of the parameters will be determined. Based on the test results and numerical calculation results, fatigue bearing capacity formula of PBL shear connectors will be put forward by regression analysis, as well as the residual bearing capacity formula of PBL shear connectors. All the above investigation would provide reference and technical reserve for the fatigue design of PBL shear connectors and the establishment of corresponding rules.

设计若干组不同类型的PBL剪力键组合结构试件，通过疲劳推出试验和剩余极限承载力推出试验，研究PBL剪力键疲劳破坏机理和疲劳破坏形式，研究疲劳荷载幅、混凝土强度等级、贯通钢筋直径、钢板孔洞直径和间距、箍筋配筋率等因素对PBL剪力键疲劳性能的影响，研究疲劳荷载对PBL剪力键组合结构剩余承载能力的影响，得到PBL剪力键疲劳性能的主要影响因素和次要影响因素。在此基础上，考虑钢与混凝土之间的滑移、混凝土开裂、贯通钢筋塑性变形等，采用空间非线性有限元分析方法，进一步研究各种因素对PBL剪力键承载力的影响规律，得到影响PBL剪力键疲劳承载力的控制参数，确定其合理取值范围。综合试验结果和数值计算结果，采用回归分析方法，提出PBL剪力键疲劳承载力计算公式，提出PBL剪力键剩余极限承载力计算公式，以为PBL剪力键组合结构疲劳设计及相关规范的制定提供参考和技术储备。

PBL剪力键由于其承载能力高、延性好，抗疲劳性能好、施工方便等优点，在钢-混凝土组合结构中的应用日渐增多。既有试验研究表明，PBL剪力键组合结构传力机理复杂，力学行为受多种因素影响。目前，国内外相关规范对PBL剪力键组合结构的试验方法、试件标准和承载力取值均尚无明确规定。项目组通过近3年的研究，采用数值分析和试验相结合的方法，对PBL剪力键力学行为的有限元仿真模拟方法，承载力影响因素、承载力计算公式、疲劳性能和剩余承载力等方面开展了系统的研究，研究成果培养了多名硕士研究生，并有多篇论文正在整理撰写。项目主要研究工作及成果具体包括：（1）提出了PBL剪力键空间非线性有限元仿真分析方法，该方法考虑了材料非线性，钢板孔洞和混凝土榫的接触状态非线性等。算例计算结果与既有试验结果吻合良好，验证了该方法的有效性。（2）研究了混凝土强度、钢板孔洞直径、贯通钢筋直径、贯通钢筋强度和钢板厚度等因素对PBL剪力键极限承载力和刚度的影响。结果表明，混凝土强度和钢板孔洞直径对其极限承载力的影响最大，贯通钢筋直径次之，贯通钢筋强度的影响最小。在此基础上，提出了混凝土榫承载能力参数λ和贯通钢筋承载能力参数μ，研究了其对PBL剪力键极限承载力的影响。结果表明，随着λ和μ提高，PBL剪力键极限承载力增大。（3）考虑混凝土强度、贯穿钢筋直径、钢板开孔直径、普通钢筋配筋率等因素，设计、制作了9组共27个试件，完成了9个试件的极限承载力试验，18个试件的疲劳性能试验。疲劳试验结果表明，疲劳荷载幅和混凝土强度是PBL剪力键疲劳性能最重要的影响因素；随着疲劳次数的增加，PBL剪力键刚度有所减小，但幅度不大，当混凝土裂缝宽度达到0.2mm时，混凝土榫只是刚度略有折减，并未退出工作。（4）完成了18个疲劳试验试件的剩余极限承载力试验，试验结果表明，经过疲劳试验后，PBL剪力键的剩余极限承载力较未疲时略有下降，下降比例在15%左右；PBL剪力键贯通钢筋和混凝土榫的破坏情况与极限承载力试验类似，但贯通钢筋变形更严重，钢与混凝土之间相对滑移更大。（5）在上述研究基础上，提出了PBL剪力键承载力经验公式，该公式计算结果与试验结果吻合良好。对于经历疲劳后的剩余承载力，建议按正常承载力的80%考虑。