1研究背景
在钢-混凝土组合结构中，剪力连接件的设计和选择尤为关键。它把钢结构和混凝土结构结合起来，形成一个整体，共同工作[1，2，3]。剪力连接件的主要作用是抵抗纵向剪力和横向剪力，同时也防止混凝土结构和钢结构之间的抬升[4]。组合结构中使用的剪力连接件有很多种，常用的剪力连接件有焊钉、型钢和穿孔板[5，6，7]。
焊钉是一种柔性抗剪连接件，具有良好的延性。安冉等[8]研究了拉剪联合作用下焊接接头的承载力，提出了拉剪联合作用下荷载-滑移关系的三重线性计算模型和改进的承载力关系公式；赵根田等人[9]研究了焊接螺柱连接件在重复荷载下的性能。结果表明，焊接栓钉疲劳现象明显，在反复荷载作用下，焊接栓钉承载力降低，极限滑移增大。陈等[10]的研究表明，焊接接头存在疲劳性能差、普通钢筋布置受限等问题。
穿孔板剪力连接件依靠圆孔内的混凝土和穿入的钢筋来承受剪力。张门哲等[11]分析了带穿孔板连接件的复合索塔锚固结构的竖向剪力分布及影响因素。吴伟等人[12]对斜拉桥组合索塔锚固区穿孔板连接节点进行了推出试验研究；朱等[13]对组合索塔中薄穿孔板连接件的抗拔力进行了试验和理论研究。研究结果表明，开孔板剪力连接件具有良好的力学性能，结构安全可靠。但由于穿孔板的接头为封闭结构，也存在钢筋难以穿入等问题。
随着组合桥的发展，各种异形组合桥面板不断出现，对剪力连接件功能的需求不断增加。PZ(拼图形)复合销钉剪力连接件是一种新型的半开式剪力连接件，便于穿过钢筋施工。薛辉等人[14]对PBL和PZ剪力连接件的抗拔力进行了对比试验研究，发现在相同条件下，组合销PZ剪力连接件比PBL剪力连接件具有更高的极限抗拔力和更好的抗疲劳性能。Lorew等人[15，16]对19个PZ剪力连接件进行了推出试验研究，并根据试验结果进行了有限元分析，阐述了破坏机理和破坏模式；孔等人[17，18]对另一种组合销式抗剪连接件进行了试验研究，并在足尺桥面板上进行了抗弯试验。结果表明，组合销式剪力连接件具有良好的承载能力。
为了研究PZ型复合销剪力连接件的影响因素和参数敏感性，设计了3组试件进行推出试验，并根据试验结果分析了其破坏模式和极限承载力。然后，建立ABAQUS有限元模型，分析组合销式剪力连接件极限荷载下各构件的应力状态，明确组合销式剪力连接件的承载机理。
试样的极限载荷值和相应的滑移量见表2。从表2可以看出，对于单个组合销，试样SP2的极限荷载值比试样SP1高144.5 kN，增幅约为50.9%。两者的区别在于有无穿筋，所以穿筋可以有效提高组合销连接件的抗剪能力。SP2试件的极限荷载值比SP3试件高95.2 kN，增幅约为28.6%。两者的区别在于组合销剪力连接件的下端是否有椭圆孔，所以开椭圆孔也可以增加组合销剪力连接件的抗剪能力。但有研究结果表明[13，14]，在组合销下端开一个椭圆形孔会降低连接器的刚度，设计时应综合考虑。
至于极限滑移，SP2比SP1高6.43 mm，可见穿钢筋可以明显增加极限滑移。滑移越多，试件的延性越好，所以穿钢筋可以提高试件的延性。穿筋可以同时提高极限荷载和极限滑移，说明穿筋在剪力连接件中的作用极其重要。SP2试件的极限滑移比SP1试件的极限滑移高2.92 mm，表明椭圆形孔洞也能提高延性。
3有限元模型
采用有限元软件ABAQUS模拟推出试件，钢筋混凝土结构采用整体模型[19]。图3示出了被推动样本的有限元模型。
图3下载结构有限元模型的原图
有限元模型中的参数设置如下。
(1)单元类型:
波纹钢底板、混凝土结构、组合销式剪力连接件、贯穿钢筋均采用C3D8R三维实体单元，普通钢筋采用T3D2三维桁架单元。
(2)边界条件和接触:
拉杆约束用于模拟贯穿钢筋和混凝土，嵌入区约束用于模拟普通钢筋和混凝土，拉杆约束用于模拟剪力连接件和波纹钢板，钢板和混凝土之间采用无摩擦接触相互作用，其他情况下摩擦系数取0.5。混凝土底部完全固定，上盖板顶面与基准点耦合，然后对基准点进行强制位移和加载。
(3)网格划分:
整体单元尺寸为20 mm，可以减少计算时间。混凝土榫和贯穿钢筋附近的局部单元尺寸为5 mm，可以准确模拟试件的力学行为。网格划分方法采用Sweep算法的网格划分技术。
(4)材料本构关系:
混凝土受压和受拉的应力应变曲线如图4(a)所示，其中混凝土受压曲线由三部分组成，计算公式为:
图4下载材料本构关系原图。
4应力分析
PZ型复合材料销剪力连接件受力复杂，在加载过程中各构件处于大应变、高非线性状态。在试验中，内部构件的应力和变形很难测量。在试验的基础上，建立有限元模型，分析试件在极限荷载下剪力连接件、穿筋和混凝土销的应力和变形。
4.1剪力连接件
极限荷载下剪力连接件的Mises应力如图5所示。
图5剪切连接件的Mises应力下载原图
从图5可以看出，PZ型复合材料销钉剪力连接件在极限荷载下的Mises应力水平较高。钢销下端和受力侧椭圆孔上端的应力已经达到492 MPa，超过了钢的屈服强度，所以这个区域是应力集中区。
当施加载荷时，剪力连接件处于拉伸和压缩状态。根据Mises应力云图，钢销下部和椭圆孔上部的分布规律较大，钢销下部的应力水平较高，屈服区较大，说明钢销下部承受的载荷较大。受力范围表现为钢针从下向左上方斜向上穿过椭圆孔的规律。所以椭圆孔虽然会提高极限承载力，但也会降低其刚度。这也与现有的研究一致。
荷载首先作用在剪力连接件的钢销上，然后通过下部钢销传递到下部混凝土销上。由于剪力连接件与混凝土之间的相对滑移，上部钢销逐渐与混凝土分离，因此上部钢销的应力水平较低。
在极限荷载下，组合销式剪力连接件的钢销和椭圆孔没有明显变形，表明这种类型剪力连接件的抗剪刚度较高。
4.2穿透钢筋
在极限载荷下，钢筋上的米塞斯应力如图6所示。
图6穿透钢筋的Mises应力下载原图
从图6可以看出，在极限荷载下，上部贯穿钢筋的Mises应力水平较高，在某些区域达到488 MPa，超过了钢筋的屈服强度，变形发生在贯穿钢筋的中部。与上部穿透钢筋相比，下部穿透钢筋的Mises应力水平较低，不会发生屈服变形，应力范围较小。
荷载作用时，贯穿钢筋处于弯曲和剪切状态，弯曲是主要受力。根据米塞斯应力云图，中部和弯曲部位分布规律为高，上表面拉应变大于下表面压应变。在极限荷载下，钢销与上部钢筋之间的混凝土被压碎，逐渐退出工作；穿过上层的钢筋被挤压到钢针边缘，承受钢针传递的荷载，逐渐弯曲变形；下层的穿筋只承受很小的荷载，主要提供销栓作用。
4.3混凝土销和榫
在极限情况下，椭圆形孔中的混凝土销和混凝土榫的损坏如图7所示。
图7下载混凝土损伤的原始图像
从图7可以看出，在极限荷载下，混凝土销钉上部破坏严重，从上层穿透钢筋的位置开始呈下降趋势，而下层穿透钢筋，混凝土破坏相对较小。椭圆形孔中的混凝土榫也严重损坏。
在载荷极限时，混凝土销和混凝土榫已经在两侧被剪断，上部承压部件被压碎，因此退出工作。荷载主要通过穿入钢筋与混凝土板的连接来传递。
混凝土销和混凝土榫的荷载产生的裂缝发展到钢-混凝土结合面并延伸到混凝土板，混凝土板中的裂缝继续向外发展直至混凝土板表面，最终形成贯通裂缝。
5轴承机理分析
PZ型组合销剪力连接件的主要传力构件为钢销、混凝土销、混凝土榫和贯穿钢筋，其受力示意图如图8所示。
从图8可以看出，荷载通过PZ型组合销剪力连接件的钢销和椭圆孔传递到混凝土销和混凝土榫上，混凝土销和穿入的钢筋与钢销、混凝土榫和椭圆孔产生剪切作用，荷载通过剪切作用传递到周围的混凝土板上。
混凝土销和混凝土榫除了具有足够的抗剪能力外，还具有剪胀性，导致剪力连接件法向剪胀，从而导致混凝土销和混凝土榫开裂。上层的穿筋主要承担荷载，弯曲力较大，剪力相对较小。下层的贯穿钢筋主要起销钉的作用，约束周围的混凝土，增加其强度。
PZ型组合销剪力连接件机械示意图
混凝土销和混凝土榫在承受钢销和椭圆孔传递的荷载后会产生压缩变形。
混凝土销和混凝土榫变形示意图
当荷载较小时，PZ型复合销剪力连接件处于弹性阶段，混凝土销和混凝土榫的承载面在荷载作用下产生较小的压缩变形。此时，穿透钢筋基本没有变化。随着荷载的增加，进入塑性阶段后，混凝土销和混凝土榫的变形增大，上部贯穿钢筋开始起剪切作用，产生变形，而下部贯穿钢筋约束周围混凝土，基本不变形。荷载继续增加后，进入破坏阶段，此时混凝土销和混凝土榫在两侧被剪断，变形达到最大值，整个钢筋的变形会增加，直至试件破坏。
复合销的结构特征如图10所示。图中A区为钢与混凝土的直接粘结摩擦，B区为钢-混凝土结合面的受压，C区为混凝土的双截面受剪，D区为钢销的侧向加强作用，E区为钢筋穿过混凝土榫的阻挡作用。
图10典型载荷滑动特性
组合销剪力连接件在静载过程中经历了三个过程:①组合销剪力连接件处于线弹性阶段，在混凝土翼缘板的情况下，与组合销上方混凝土的第一次开裂直接相关；随着裂纹的推进，组合销的承载能力进入载荷范围②，最终进入载荷范围③；③代表后部裂纹范围，表现为载荷-滑移曲线趋于水平或递减。在钢筋破坏或穿筋混凝土剪切破坏的情况下，结构具有很强的延性；但是，在没有穿入钢筋的混凝土发生剪切破坏的情况下，荷载-滑移曲线会发生明显的突变。
6结论
在推出试验的基础上，结合有限元数值模拟，分析了PZ型组合销剪力连接件的受力机理，得出以下结论。
(1)推出试验结果表明，穿入钢筋和椭圆形孔洞可以提高PZ型复合销钉剪力连接件的极限承载力和极限滑移，改善试件的延性。
(2)有限元数值模拟结果表明，在极限荷载下，剪力连接件和上部穿筋处于较高的应力水平，而下部穿筋处于相对较低的应力水平；钢针的下部和贯穿钢筋的中部为应力集中区；混凝土销和混凝土榫损坏严重，已停止工作，荷载主要由穿入的钢筋承受。
(3)混凝土销和混凝土榫的支承面在荷载作用下会产生压缩变形，上部穿入钢筋在抵抗荷载时也会产生变形，而下部穿入钢筋则提供销栓作用，基本约束混凝土变形。