本文是一篇土木工程论文，通过本文试验以及有限元分析可知在开孔板构造相同的情况下组合剪力键的抗剪承载力要高于 PBL 剪力键的抗剪承载力，这说明组合剪力键在实际工程中的应用具有一定的价值。氯离子的侵蚀对 PBL 剪力键和组合剪力键的抗剪承载力具有不同程度的削弱，在组合梁中的应用时应当得到重视。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
钢-混凝土组合梁是由钢梁和混凝土板组成，由剪力键将两者连接。因其充分发挥混凝土抗压和钢材抗拉的性能，结构整体的受力更加合理。与钢梁桥、混凝土梁桥相比，钢-混凝土组合梁桥具有自重轻、抗震性能好、空间占用小、施工方便迅速不扰民以及造价低等特点，在实际工程尤其是大跨度桥梁工程中取得了较多的应用并具有良好的发展前景[1]。
组合梁中剪力连接件是否能有效传递钢梁与混凝土板间剪力、抵抗两者竖向掀起分离将对组合梁的性能产生关键作用，因此对剪力连接件性能的研究有重要意义。按刚度可将剪力连接件分为刚性连接件、柔性连接件两大类别，代表分别是开孔板和栓钉，这两种剪力键在组合梁中的应用非常广泛。
轻骨料混凝土是指用轻骨料、普通砂、水泥和水等配制而成的干表观密度不大于 1950kg/m3 的混凝土[2]。轻骨料的类别有多种，依据其来源可分为天然轻骨料（浮石、凝灰岩等）、工业废料轻骨料（炉渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等）、人造轻骨料（页岩陶粒、黏土陶粒、膨胀珍珠岩等）等，目前应用较多的是人造轻骨料中的陶粒[3]。相较于普通混凝土，陶粒混凝土具有自重轻（同等强度等级下一般可降低 20%-30%），抗震性能好、保温隔热、抗震抗渗等优异性能。这些优点使得陶粒混凝土引起了研究者们的热切关注，并被逐步应用于桥梁工程中的组合梁里，形成了钢-轻骨料混凝土组合梁。
目前国内外对组合梁的研究由静力、疲劳性能方面逐渐转向了耐久性能方面。为保证结构正常使用，一般对组合梁的的钢梁部分会进行刷漆防锈处理，而将钢梁与混凝土翼板连接在一起的剪力键区域往往被忽略。在荷载以及其他因素作用下，钢梁与混凝土翼板之间往往会产生相对滑移，这就为氯离子等有害物质的侵入提供了条件，剪力键在氯离子等有害物质侵蚀的情况下性能会产生一定的劣化，削弱混凝土板与钢梁的连接作用，使得组合梁的整体性能大打折扣。
1.2 轻骨料混凝土组合梁的研究现状
王连广[8]基于最小势能原理建立了简支组合梁的变形计算式，并开展了 6 根组合梁静载试验。结果表明，弹性工作阶段中，同荷载作用下轻骨料混凝土组合梁比普通混凝土组合梁的跨中变形大 20%；抗剪连接度与横向配筋率对组合梁的变形有较大影响。随后其[9]利用弹性理论建立了轻骨料混凝土组合梁的交界面相对滑移计算式，并通过试验进行了验证。
赵庆明[10]进行了 2 根轻骨料(陶粒)混凝土组合梁试验，研究其受弯性能。结果表明，陶粒混凝土组合梁的变形性能较好，破坏前有一定的预兆。刘殿忠[11]开展了栓钉推出试验和轻骨料混凝土组合梁抗弯试验，推导得到了组合梁翼缘板有效宽度、抗弯承载力、挠度、界面相对滑移计算式。随后其[12]运用 ANSYS 进行了进一步分析，为后续研究和设计提供了参考。杨勇[13]开展了 8 个压型钢板轻骨料混凝土组合梁试验，发现抗剪连接度在 0.3左右时，组合梁仍具有较好的承载力，并给出了此种组合梁的抗弯、抗剪承载力计算式。
为研究冷弯薄壁 C 型钢-轻骨料混凝土组合梁的抗弯性能，张惠惠[14]用 ANSYS对其进行了有限元仿真分析。对比了试验值、模拟值、折减刚度法计算值和平衡分析值后，发现平衡分析值精度最高；有限元模拟值较合理，可作为不便进行试验分析时的替代方法。为工程实践提供了帮助。
赵根田[15]对剪跨区弯筋间距不同的三种截面形式的轻骨料混凝土组合梁进行了受弯试验研究，重点关注破坏模式和极限承载力，最后使用有限元仿真分析进行了参数研究。
第 2 章 氯离子侵蚀剪力键抗剪性能试验研究
2.1 试验准备
2.1.1 试验材料
受载时，混凝土板和钢梁会相对滑移和掀起分离，剪力键的存在能有效避免上述两种情况。对于处在恶劣环境中的组合梁，剪力键易受到氯离子侵蚀而发生锈蚀，降低了结合面的结合性能，削弱了组合梁的刚度以及承载能力，更严重的甚至会使组合梁不能继续工作，其后果是无法估量的。因此，进行氯离子侵蚀下剪力键的抗剪性能的研究是很有必要的。
剪力键的抗剪性能的试验研究有梁式试验、推出试验两种。梁式试验结果更接近实际，但其试件的制作、测量等过程操作起来相对复杂而被较少使用。因没有侧面压力，推出试验测得的剪力键抗剪承载力结果偏小，具备一定的安全富余；同时因操作相对便捷，该方法受到学者们的青睐，各国规范中的剪力键抗剪承载力的计算公式也来自推出试验的结果。
（1）粗骨料
陶粒为 800 级碎石型页岩陶粒，生产商为湖北宜昌光大汇腾陶粒制品有限责任公司，其具体理论参数表 2.1，技术指标见表 2.2。
2.2 试验过程
2.2.1 技术路线
如图 2.4 所示，该技术路线清晰的展示了本试验的每个过程。
第 3 章 剪力键推出试验的有限元分析........................... 30
3.1 推出试件有限元模型的建立....................... 30
3.1.1 有限元模型....................................30
3.1.2 材料定义.............................30
第 4 章 剪力键抗剪承载力计算公式......................... 48
4.1 已有剪力键计算公式...................................... 48
4.1.1 PBL 剪力键.............................. 48
4.1.2 栓钉剪力键................................51
第 5 章 结论与展望.......................... 61
5.1 结论.................................... 61
5.2 展望.................................... 62
第 4 章 剪力键抗剪承载力计算公式
4.1 已有剪力键计算公式
在设计钢-混凝土组合梁时，设计者们除了关注梁体本身的抗弯性能外，还对钢梁与混凝土板之间剪力连接件的抗剪性能有所要求。目前常用的栓钉和 PBL 剪力键已经得到了较多的研究和广泛的应用，学者们对于其抗剪承载力在一定程度上达成了共识，但在氯离子侵蚀下剪力键的抗剪承载力方面的研究还相对较少。本章在先前学者研究的基础上并结合前面两章的研究提出氯离子侵蚀下相关剪力键的抗剪承载力计算公式。
本文的研究涉及到栓钉和 PBL 剪力键，因此先对这两种剪力连接件的抗剪承载力公式进行总结。
4.1.1 PBL 剪力键
在工程应用中，往往是在一条通长的钢板上开多个孔洞形成 PBL 剪力键，在考虑其抗剪承载力时一般忽略或者根据需要另外单独考虑端部承压作用[92]。如果开孔板剪力键为间断布置的形式，则应该将端部承压作用考虑在内。
第 5 章 结论与展望
5.1 结论
本文制作了 10 个剪力键推出试件（5 个 PBL 剪力键、5 个组合剪力键），先后进行了剪力键的恒流加速锈蚀试验、静力推出破坏试验。得到了两类剪力键的破坏现象、剪力键破坏形态、抗剪承载力、试件荷载-滑移曲线、荷载-应变曲线，运用 ABAQUS 有限元软件对 PBL、组合剪力键的构件进行了建模分析，同时搜集了锈蚀栓钉的试验数据，得出如下结论：
（1）进行推出试验时，两类剪力键试件的混凝土板的中下部会出现两条斜向主裂缝，然后随荷载增加而向上部、底部延伸，随后在混凝土板的中下部会出现一条竖向的主裂缝，竖向裂缝长度与斜裂缝长度相比时较短，当荷载达到一定值时两条斜裂缝会在混凝土板的中部相交，使混凝土板的中下部区域出现一个类似三角形的区域；敲开试件，发现开孔板并未出现肉眼可见的变形、贯穿钢筋出现一定程度的弯曲、栓钉出现了弯曲变形或者被剪断，剪力键的实际锈蚀率均小于预期锈蚀率。
（2）结合试验结果以及有限元分析发现两类剪力键的荷载-滑移曲线包括弹性阶段、弹塑性阶段以及破坏阶段，PBL 剪力键的弹塑性阶段很短，达到抗剪承载力后荷载迅速下降到一定值，随后平稳发展，组合剪力键的弹塑性阶段相对较长，达到最大荷载后荷载持续在一定范围内波动，没有出现明显下降的现象；有限元分析得到的 mises 应力云图和 damaget、damagec 图能较好的反应剪力键的应力分布情况和混凝土板的开裂情况，可以看出 PBL 剪力键的破坏以混凝土板开裂达到一定程度为标志，而组合剪力键的破坏除了以混凝土板破坏为标志以外还以栓钉根部应力快达到极限强度为标志。
（3）结合本文试验和搜集到的数据，得到了栓钉和 PBL 剪力键抗剪承载力与锈蚀率的关系式。结合现有的 PBL 剪力键抗剪承载力的公式组成结构以及有限元分析值拟合得到了锈蚀 PBL 剪力键的抗剪承载力；在前面锈蚀栓钉和 PBL 抗剪承载力的关系式、锈蚀 PBL 剪力键抗剪承载力的基础上，结合有限元分析得到的组合剪力键抗剪承载力值通过多元线性回归分析得到锈蚀组合剪力键的抗剪承载力计算公式。
参考文献（略）
